WO2024061425A1 - Modulares batteriegehäuse, batterie, elektrofahrzeug, anordnung, verfahren zum anordnen eines modularen batteriegehäuses sowie verwendung von batteriemodulen - Google Patents

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battery housing
module
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Definitions

  • the invention relates to a modular battery housing for a battery, in particular for a traction battery, for an electric vehicle, in particular for an electric vehicle belonging to the group of commercial vehicles, special vehicles and mobile work machines, with a longitudinal axis and with a plurality of battery modules, each with a module housing.
  • the invention further relates to a battery, in particular a traction battery, for an electric vehicle, in particular for an electric vehicle belonging to the group of commercial vehicles, special vehicles and mobile work machines.
  • the invention also relates to an electric vehicle for transporting people and/or goods, in particular trucks.
  • the invention also relates to an arrangement consisting of an electric vehicle with a support frame having at least two frame longitudinal members and at least one frame cross member and a modular battery housing with a plurality of battery modules.
  • the invention further relates to a method for arranging a modular battery housing on an electric vehicle.
  • the invention also relates to the use of battery modules of a modular battery housing.
  • the present invention is based on the object of providing an improvement or an alternative to the prior art.
  • the problem solved is a modular battery housing for a battery, in particular for a traction battery, for an electric vehicle, in particular for an electric vehicle belonging to the group of commercial vehicles, special vehicles and mobile work machines, with a longitudinal axis and with a large number of battery modules each with a module housing, in which battery modules are arranged vertically one above the other in at least two module levels, with upper battery modules of the upper module level being carried by a lower battery module of the lower module level, and wherein upper battery modules of the upper module level for receiving at least one frame cross member of a support frame of the electric vehicle the longitudinal axis of the modular battery housing are arranged at a distance from one another on the lower battery module of the lower module level in such a way that at least one receiving space for receiving the at least one frame cross member is arranged between upper battery modules.
  • the modular battery housing constructed in this way makes it possible to adapt a battery, in particular a traction battery, to different vehicle geometries in almost any way and to install it in a space-optimized manner in the chassis of the electric vehicle.
  • the modular battery housing can be designed to be particularly stable and particularly rigid if the modular battery housing has a single lower battery module on which at least two upper battery modules are arranged.
  • At least two upper battery modules are advantageously supported by a single lower battery module, so that additional components for supporting the individual battery modules can be dispensed with.
  • the modular battery housing can also be made particularly compact.
  • the present modular battery housing can be integrated extremely compactly in an electric vehicle if, on the one hand, the modular battery housing can be arranged in the direction of its longitudinal axis between two frame longitudinal members of the supporting frame of the electric vehicle and, on the other hand, at least one frame cross member of the supporting frame of the electric vehicle can be arranged in the modular battery housing.
  • the present modular battery housing can be particularly easily adapted to differently placed frame cross members of the support frame.
  • the modular battery housing can also be adjusted particularly well to differently sized frame cross members of the support frame if the at least one receiving space has a variably adjustable width in the direction of the longitudinal axis of the modular battery housing.
  • the at least one receiving space has a height which corresponds at least to the height of an upper battery module.
  • the at least one frame cross member can usually be arranged completely next to the upper battery modules.
  • the modular battery housing can be designed to be very rigid if the at least one receiving space is at the bottom of the lower battery module, in particular of its module housing, and laterally in the direction of the longitudinal axis of the modular battery housing of upper battery modules, in particular of module housings thereof, is limited.
  • the lower module level can continue to be designed to be continuous along the longitudinal axis of the modular battery housing and therefore extremely rigid.
  • Mounting the modular battery housing on an electric vehicle can also be carried out particularly easily transversely to the longitudinal axis of the modular battery housing if the at least one receiving space is designed to be open at the top and transversely to the longitudinal axis of the modular battery housing.
  • the modular battery housing can be particularly easily adapted to frame cross members that are spaced differently from one another.
  • the lower battery module has an elongated base body of the modular battery housing, which extends along the longitudinal axis of the modular battery housing.
  • the upper battery modules each have a structural body which is arranged on an elongated base body of the modular battery housing.
  • the structural bodies can advantageously be carried by the base body and do not require a separate carrying device.
  • battery elements of the present battery or traction battery can be accommodated in a well-protected manner in the modular battery housing if the battery modules each have a module housing for accommodating at least one battery element, preferably several battery elements.
  • battery elements describes storage elements for storing electrical energy, often also referred to as battery cells or the like.
  • such a battery element for temporarily storing electrical energy has a plurality of battery and/or capacitor cells.
  • the modular battery housing can be particularly advantageously equipped with a large number of battery elements if the respective module housing has an insertion direction for inserting the at least one battery element, the insertion direction being arranged transversely to the longitudinal axis of the modular battery housing.
  • a large number of battery elements can be stored reliably on the modular battery housing if the respective module housing has at least two receiving lines for vertically arranging at least two battery elements one above the other.
  • such a receiving line embodies at least one insertion compartment for inserting and holding at least one battery cell element on the modular battery housing. If the respective module housing of the upper battery module of the upper module level has a single row of accommodation, upper battery modules of the modular battery housing can be made so narrow that at least one accommodation space for accommodating at least one frame cross member can advantageously be arranged between them.
  • the lower module level or its elongated base body can be designed to be continuous along the longitudinal axis of the modular battery housing if the module housing of the lower battery module of the lower module level has at least two rows of receptacles, which are arranged horizontally next to one another in the longitudinal direction of the modular battery housing.
  • the lower module level can be made even more rigid in the direction of the longitudinal axis of the modular battery housing if the module housing of the lower battery module has a support structure by means of which the upper battery modules are carried.
  • An integration of the present modular battery housing can be carried out even more accurately if the upper module level is narrower in a first head area of the modular battery housing than in a second head area of the modular battery housing opposite the first head area.
  • Such a construction is particularly advantageous if, for example, the installation space between two frame longitudinal members is designed to be approximately conical.
  • the two head areas of the mobile battery housing lie opposite each other in relation to the longitudinal axis of the mobile battery housing.
  • the object of the invention also solves a battery, in particular a traction battery, for an electric vehicle, in particular for an electric vehicle from the group of commercial vehicles, special dervehicles and mobile work machines, wherein the battery can be inserted into an assembly space of the electric vehicle, and wherein the battery has a modular battery housing according to one of the features described here, and wherein the battery has a plurality of battery modules. It is suggested that the battery modules each have a module housing.
  • the proposed battery can therefore be implemented particularly advantageously in an electric vehicle.
  • a battery in particular a traction battery, is advantageous for an electric vehicle, in particular for an electric vehicle belonging to the group with commercial vehicles, special vehicles and mobile work machines, wherein the battery has a modular battery housing with a longitudinal extension, the modular battery housing having at least two module levels with vertical battery modules arranged one above the other, wherein a lower battery module has a support structure on which upper battery modules are arranged spaced apart from one another.
  • vehicles can be converted particularly easily in this way.
  • conversion in this case means that an existing or used vehicle serves as the basis for electrifying it.
  • this reduces the planning effort and costs for new production and, on the other hand, it increases the sustainability of vehicles through further use. Increasing sustainability reduces CO2 emissions.
  • a battery is generally a storage device for electrical energy on an electrochemical basis.
  • An accumulator is a rechargeable battery.
  • a rechargeable battery is disclosed herein. Rechargeable batteries are also known as secondary batteries.
  • the assembly space of the electric vehicle may be an area on a chassis of the electric vehicle.
  • the modular battery housing is preferably formed from steel. It is particularly preferred that the steel is in the form of sheet metal.
  • the sheet preferably has an average thickness in the range from 0.6 mm to 4 mm, particularly preferably the sheet has an average thickness of 1 mm.
  • the modular battery housing preferably has mounting elements by means of which it can preferably be fixed to the electric vehicle.
  • the battery modules make it particularly easy to repair a battery with a defective cell.
  • Individual battery modules can, for example, be removed from the battery and replaced or repaired, for example.
  • the battery modules can enable easy pre-assembly of the battery as they can be inserted into different sizes of different modular battery cases.
  • the present battery preferably has electrical connections and interfaces for external systems that are not exclusively assigned to a traction drive.
  • the modular battery housing and/or the battery within the module housing each has n cells, each with at least one positive and at least one negative electrode, where n is greater than or equal to two.
  • the n cells are battery and/or capacitor cells.
  • n is in the range between 100 and 400, preferably between 150 and 300, particularly preferably between 160 and 200. This enables advantageous storage and delivery of electrical energy.
  • the battery housing is preferably intended to hold 20 to 60 battery modules.
  • the capacity of the battery can be increased by combining as many cells as possible.
  • the maximum number of cells can be achieved by the sheer number of cells and/or by a large number of battery modules, which in turn contain the cells.
  • the cells can be connected either in series and/or parallel. There can also be a combination of a series and parallel connection.
  • a series connection also called a voltage divider circuit depending on the application
  • a parallel connection is the connection of two-pole cells or networks in such a way that all of their poles of the same name are connected together. If poles of opposite names are connected to each other in polarized cells, connected, it is called an antiparallel circuit. Theoretically, the number of cells connected in parallel is unlimited.
  • the battery can have a protective device and/or a monitoring circuit.
  • the protective device and/or the monitoring circuit can be a battery management system (BMS) or simply battery management.
  • BMS battery management system
  • the protective device and/or the monitoring circuit is a measure, but usually an electronic circuit, which is used to monitor, regulate and protect batteries.
  • the protective device and/or the monitoring circuit is in particular a device from the group with charge status detection, deep discharge protection, overcharge protection, a voltage circuit, an overcurrent shutdown and complex systems with data interfaces to higher-level devices in an electric vehicle.
  • the protective device and/or the monitoring circuit preferably has electrical connections and interfaces for external systems.
  • the BMS also includes automatic power switching between different energy sources.
  • the switching can be switching between operating the electric vehicle with electrical energy from the battery or electrical energy from another energy source.
  • the other energy source can be, for example, a charger or an interface with limited power supply.
  • An interface with a limited power supply is to be understood as meaning an energy source that can, at least temporarily, provide less energy and/or no constant voltage than is required in the electric vehicle at a specific moment.
  • the specific moment is, for example, an acceleration of the electric vehicle or a consumer that is coupled to the electric vehicle.
  • Such a consumer can, for example, be part of the structure of the electric vehicle.
  • a fuel cell can be present in the electric vehicle as a limited power interface.
  • an electrical consumer in the electric vehicle for example an electric motor for driving the electric vehicle, can either charge the battery or directly supply the electric motor with electrical energy.
  • the protective device and/or the monitoring circuit can also be set up to direct both electrical energy from the battery and from the supply to a consumer via data interface, for example an electric motor of the electric vehicle.
  • Battery operating data can also be displayed or saved for service purposes.
  • battery management preferably also includes replenishing missing water.
  • BMS can be particularly necessary when connecting several battery cells in series to form a battery, especially with lithium batteries.
  • the n cells are preferably battery and/or capacitor cells.
  • the cells are preferably lithium cells, particularly preferably lithium polymer cells.
  • a lithium cell more precisely a Li-ion cell, is usually made up of the following main components: cathode, anode, electrolyte and separator.
  • the cell type is usually named after the cathode materials used.
  • an NCM cell or LFP cell should be mentioned here.
  • the cells are lithium-nickel-manganese-cobalt oxide cells (NCM).
  • NCM lithium-nickel-manganese-cobalt oxide cells
  • NCM is characterized by the main components nickel, cobalt and manganese, while LFP has the main components iron and phosphate in addition to lithium.
  • NCM batteries are the most widely used Li technology in the battery industry due to their consistently high quality and high energy density. Within the global battery market, the share of NCM battery production capacity is constantly growing.
  • the NCM battery typically has a higher power rating and energy density compared to the LFP battery because it typically has a higher lithium diffusion rate and electron mobility.
  • the charge-discharge curve of NCM cells and the charge-discharge curve of LFP cells usually differ greatly:
  • the state-of-charge (SOC) of NCM cells usually has a clearly linear dependence on the Cell voltage.
  • the state of charge of the LFP battery often cannot be determined from the cell voltage due to a very flat charge-discharge curve.
  • SOC state-of-charge
  • the accuracy of SOC determination for the NCM cells is 1 to 2%, while for the LFP cell this can vary by up to 10%. If an accurate SOC calculation is not possible, the probability that a cell and/or the battery will operate outside the desired range is higher, which can lead to significantly greater performance degradation.
  • the cells preferably have a 4S1 P configuration.
  • the nominal voltage of a lithium polymer cell for example, is 3.7V. If the voltage is to be 7.4V, two cells must be connected in series (so that the voltages add together).
  • a 2S configuration means two cells connected in series.
  • a 4S configuration means four cells connected in series. So a four-cell (4S) pack is 14.8V. The voltage is usually measured halfway between fully charged and fully discharged based on a 0.2C discharge (where C is the nominal capacity of the cell in mAh).
  • a single lithium cell nominal voltage is usually specified as either 3.6V, 3.7V, or 3.8V.
  • a lithium cell pack typically consists of two or more cells connected in series for an increased voltage of 7.4V (2S1P), 11.1V (3S1P), 14.8V (4S1P), 18.5V V (5S1 P) or more are connected in parallel to achieve increased battery capacity. So a pack configuration of cells is indicated by the number of cells in series and the number of cells in parallel. A 4S2P configuration would accordingly have four cells in series and two cells in parallel, using a total of 8 cells.
  • Battery capacity is typically the amount of electrical charge a battery can deliver at the theoretical nominal voltage. In other words, it is a measure of how much energy the battery can hold.
  • the unit is amp hours, usually milliamp hours (mAh or mA h).
  • the electrical charge Q (Ah) in amp hours is equal to the electrical charge Q (mAh) in milliamps divided by 1000:
  • the ampere hour is therefore equal to one milliampere hour divided by 1000:
  • a battery module preferably has a capacity of 100 to 350 amp hours.
  • a battery module in a 4S1 P configuration preferably has a calculated capacity of 177Ah.
  • a nominal module voltage preferably corresponds to between 14.4 V and 15.2 V and a nominal energy of around 2.60 kWh.
  • capacitor cells store electrical energy in an electric field, which allows them to be charged and discharged much more quickly. Most of the time, capacitor cells are unable to maintain a constant voltage during discharge. This effect can preferably be compensated for by the BMS in the manner described above.
  • the capacitor cells can also be hybrid or supercapacitor cells.
  • the hybrid or supercapacitor cells can store electrical energy both statically and chemically as part of a reversible redox reaction.
  • the capacitor cells can form the battery by connecting several capacitor cells together (in series and/or parallel). By interconnecting, a higher operating voltage is achieved. There can also be a combination of series and parallel connection of the capacitor cells.
  • the module housing forms one of the electrical connection poles.
  • An electrical connection between several module housings can be simplified by an embodiment in which the module housing forms one of the electrical connection poles. Such a design is particularly preferred for cells connected in parallel.
  • the battery modules have an identical basic structure to one another.
  • Pre-assembly of battery modules is particularly easy for battery modules that have an identical basic structure. Due to such an identical structure, battery modules do not have to be Installation position, installation location or different batteries.
  • the battery modules, which are identical to one another, can therefore be manufactured independently of a specific battery structure. In this way, a particularly cost-effective production of a battery with several battery modules is possible.
  • the cells in the module housing are constructed identically to one another.
  • the respective cells within a module housing have the same basic structure. Smaller deviations, for example performance deviations, between individual cells can be compensated for, for example, by the protective device and/or the monitoring circuit already described.
  • two battery modules are combined to form a battery unit.
  • a battery unit can preferably be inserted into the battery housing.
  • a battery unit therefore preferably comprises two battery modules. This can make installation in the battery housing described easier, for example, since fewer steps are necessary to assemble the battery.
  • the two battery modules of a battery unit are preferably electrically connected to one another, so that when constructing a battery described above, only the battery units have to be connected to one another and/or to a central power collector.
  • the battery unit has a support structure on which two battery modules are arranged.
  • the battery unit and/or the battery modules are preferably designed to be stackable.
  • a stackable design of the battery unit and/or the individual battery modules enables multiple battery units and/or the individual ones Battery modules can be positioned one above the other within the battery housing.
  • the support structure can have electrical connections by means of which it can be electrically coupled to further battery units and/or an electrical arrester from the battery housing.
  • the support structure can form an electrical connection of the battery unit.
  • the battery unit is designed for installation in the battery housing.
  • the support structure is designed as a cooling plate.
  • the support structure is designed as a cooling plate
  • heat which is released, for example, when loading and/or unloading the cells, can be transported away from the cells or the battery modules in a particularly simple manner.
  • the cooling plate can also be used to introduce heat into the cells, for example to bring the cells to a desired operating temperature.
  • the support structure projects beyond the battery modules on at least one side, so that connections for the cooling and/or the electrical system can be positioned at this position.
  • connections for cooling and/or the electrical system can be guided upwards from the battery unit via a connection segment, so that the connections can be connected after positioning within the battery housing.
  • the battery unit and/or the individual battery modules are designed in such a way that they can initially be inserted individually into the battery housing.
  • This design is particularly preferably combined with the possibility that the battery unit and/or the individual battery modules are designed to be functionally coupled to electrical connections and/or cooling connections only after they have been inserted into the battery housing. By designing electrical connections and/or cooling connections in this way, which can only be coupled after they have been placed in the housing, handling of high-voltage battery units and/or the individual battery modules can be avoided.
  • the battery units and/or the individual battery modules preferably have a nominal voltage of less than or equal to 60 volts.
  • the individual battery units and/or the individual battery modules may require lower safety measures when handling, since the individual battery units and/or the individual battery modules are in the unconnected state.
  • the cells are arranged within the battery module in such a way that potential heat generated when loading and/or discharging the cells is released directly in the area of the cooling plate. It can therefore be provided that electrical conductors of the respective cells are arranged on an underside of the cells in order to be able to dissipate heat specifically in this area with the cooling plate.
  • the support structure has at least one liquid channel through which a cooling medium can flow. It can be provided that the liquid channel can distribute heat that occurs in the area of the support structure over the support structure, so that individual warmer or colder areas are compensated for.
  • the battery can be coupled to an external cooling system, by means of which the cooling medium can flow through the liquid channel.
  • the battery housing has struts in order to give the battery housing increased strength.
  • the support structure can in particular be arranged on a bottom of the battery housing in order to increase the strength of the battery housing in this area.
  • These struts can also serve to protect the battery modules. These struts can protect against mechanical external influences that could deform the battery housing and therefore also damage the battery modules.
  • the battery housing has mounting areas in order to firmly connect the battery units to the battery housing.
  • These mounting areas can, for example, be designed as rails which can accommodate the battery units in the battery housing. If the battery housing is intended for the individual battery units and/or battery modules to be inserted into the battery housing from above, it is preferred that these rails are arranged vertically. In a design in which the battery housing is intended for the individual battery units and/or the battery modules to be inserted laterally into the battery housing, it is preferred that the rails are arranged horizontally.
  • the battery housing has a modular structure in order to be adaptable to different receiving spaces of different electric vehicles and/or to different installation positions.
  • the modular design of the battery housing can, for example, have an elongated base body.
  • the elongated base body is preferably designed in such a way that it can be accommodated in a large number of receiving spaces of different electric vehicles.
  • Several structural bodies can be positioned above the elongated base body.
  • the structural bodies can be arranged at different positions on the elongated base body, so that, for example, structural elements of the electric vehicle for which the battery is intended can run between the structural bodies.
  • the battery has structural bodies spaced apart from one another at different positions on the elongated base body. This makes it possible, for example, to create recesses for structural components of an electric vehicle.
  • the modular design allows the internal volume of the battery to be maximized, as the battery housing can be easily adapted to external conditions.
  • Integration can be further improved if the battery has cutouts for structural components of the electric vehicle.
  • the battery unit and/or the battery module is or are designed to be stackable, so that several battery units and/or battery modules can be positioned one above the other within the battery housing.
  • the modular battery housing and/or the battery is characterized by at least one of the following additional features, namely that the battery housing is intended to accommodate 20 to 60 battery modules and the battery housing is intended to accommodate 10 to 30 battery units and that the battery modules have a nominal voltage of less than or equal to 60 volts.
  • the problem solved is an electric vehicle for transporting people and/or goods, in particular trucks, which has a support frame as a supporting chassis.
  • Such support frames are sometimes referred to as lead frames; these terms should be understood as synonyms in the context of this application.
  • the support frame has at least two frame longitudinal members, which are spaced apart from one another transversely to the vehicle's longitudinal axis, so that a receiving space remains between the frame longitudinal members along the vehicle's longitudinal axis. These frame longitudinal beams are also referred to as longitudinal beams or longitudinal struts.
  • the support frame serves to stabilize the electric vehicle.
  • the support frame also has a frame cross member, which connects the frame longitudinal members to each other. These frame cross members are also known as cross members or cross struts.
  • Such a support frame is intended to accommodate additional vehicle components.
  • vehicle components can be parts of a body and/or other add-on parts.
  • vehicle components can also be at least parts of a payload.
  • the electric vehicle has a drive unit with at least one axle with a differential, which is connected to the support frame.
  • the drive unit has an electric motor to drive the axle.
  • Several electric motors can also be provided to drive an axle. Alternatively, several electric motors can be provided for one axis each.
  • the electric vehicle has a battery to store electrical energy for the electric motor.
  • the electric vehicle battery of the electric vehicle be arranged in the receiving space between the longitudinal frame members parallel to the longitudinal axis of the vehicle.
  • the battery is preferably designed in the manner described above.
  • parallel is to be understood as meaning that the orientation of the main axis of extension of the fuel container does not deviate by more than 12 degrees from the main axis of extension of the frame longitudinal beams.
  • the electric vehicle also has a fuel cell in addition to the battery as a source of electrical energy for the electric motor.
  • the fuel cell converts chemical reaction energy from a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • an electric vehicle with a fuel cell is equipped with a fuel storage device for holding fuel for the fuel cell.
  • Fuel cell technology in the transportation industry generates electrical energy to power electric vehicles or electric vehicles. This conversion of chemical energy into electrical energy has an efficiency of around 40-50%.
  • Fuel cells can be operated with, for example, hydrogen, low molecular weight alcohols (methanol, ethanol) or ammonia. For example, when water is formed by combining hydrogen with oxygen molecules, electrical energy is released.
  • Such an electric vehicle is designed to carry a tank in which the fuel is stored.
  • the object is achieved by an arrangement consisting of an electric vehicle with a support frame having at least two frame longitudinal members and at least one frame cross member and a modular battery housing with a plurality of battery modules, wherein the at least one frame cross member is at least partially arranged within the modular battery housing.
  • a mounting space between two frame longitudinal members can be used particularly well if frame cross members are arranged to run transversely through the modular battery housing, in particular from a first frame longitudinal member to a second frame longitudinal member arranged opposite the first frame longitudinal member.
  • An existing frame cross member can advantageously be integrated into the battery housing or the battery if the at least one frame cross member is arranged between two battery modules.
  • a battery can be protected particularly well against external mechanical influences, especially if these external mechanical influences act laterally on the vehicle or electric vehicle, if all battery modules of the modular battery housing are inside between the at least two longitudinal frames. are arranged sluggishly and that the battery housing or holders thereof are attached to the outside of the at least two frame longitudinal members.
  • the modular battery housing can be assembled and dismantled more advantageously by means of brackets attached to the outside of the at least two frame longitudinal members.
  • the battery housing can be designed to be particularly rigid if an upper module level of the battery housing is arranged between the at least two frame longitudinal beams, and a lower module level of the battery housing is arranged below the at least two frame longitudinal beams, in particular completely below the at least two frame longitudinal beams.
  • a battery on a vehicle in particular on an electric vehicle, can be advantageously integrated into a support frame using the present mobile battery housing despite the presence of a frame cross member.
  • the object is achieved by a method for arranging a modular battery housing on an electric vehicle, in which the modular battery housing with fully pre-assembled battery modules is inserted as a unit from below between at least two longitudinal frame members of the electric vehicle, during insertion of the modular battery housing between the at least two frame longitudinal members, at least one frame cross member of the electric vehicle is placed between fully pre-assembled battery modules.
  • An advantageous method variant provides that the at least one frame cross member is at least partially sunk into the modular battery housing.
  • the at least one frame cross member is inserted from above into a receiving space provided for this purpose.
  • the modular battery housing can be particularly intimately connected to the support frame if the at least one frame cross member is arranged below an upper side of the modular battery housing.
  • the modular battery housing can be integrated deeply into the support frame of the electric vehicle if the at least one frame cross member is arranged up to above a top of a lower module level of the modular battery housing and to below a top of an upper module level of the modular battery housing. Nevertheless, a high level of bending rigidity can be achieved on the modular battery housing.
  • a battery having the modular battery housing can be arranged on the supporting frame of the electric vehicle in a particularly accident-safe manner if the modular battery housing with pre-assembled battery modules is arranged exclusively on the inside between at least two frame longitudinal members of the electric vehicle.
  • the object also solves the use of battery modules of a modular battery housing to form a receiving space for a frame cross member of an electric vehicle, in particular for an electric vehicle belonging to the group of commercial vehicles, special vehicles and mobile work machines.
  • Show there 1 shows a schematic perspective view from diagonally behind of an electric vehicle, which is designed as a commercial vehicle, with a modular battery housing or with a battery;
  • FIG. 2 shows a schematic perspective sectional view of the modular battery housing or the battery from FIG. 1 in detail
  • Fig. 3 schematically shows a longitudinal sectional side view of the left side of the modular battery housing or the battery from Figures 1 and 2.
  • FIG. 1 shows an electric vehicle 100, which is designed as a commercial vehicle (not numbered again), wherein in this exemplary embodiment the commercial vehicle is designed as a tractor unit.
  • the tractor unit is shown without a semi-trailer.
  • the electric vehicle 100 includes structural components such as a chassis 102 with a support frame 10, also known as a leadframe.
  • the chassis 102 is designed as a supporting chassis 102.
  • chassis 102 In addition to accommodating vehicle components such as a body (not numbered again) and a payload, the chassis 102 also serves to accommodate other add-on parts.
  • the chassis 102 is designed in such a way that, in addition to the functions already mentioned, it also serves to stabilize the electric vehicle 100.
  • the support frame 10 has two longitudinal frame members 12, 14, also called longitudinal beams, which run at least in sections parallel to a vehicle longitudinal axis 2.
  • the frame longitudinal members 12, 14 do not run parallel to one another, but rather converge at an angle.
  • Such a design enables For example, in the area of steerable wheels, this makes it easy to position them.
  • the frame longitudinal members 12, 14 are arranged at a distance from one another transversely to the vehicle's longitudinal axis 2, so that an assembly space 4 remains between the frame longitudinal members 12, 14 along the vehicle's longitudinal axis 2.
  • the support frame 10 also has a large number of frame cross members 16, 18, which are also called cross struts, which connect the frame longitudinal members 12, 14 to one another.
  • the electric vehicle 100 has a drive unit with a driven rear axle 22, which has a differential 24 and which is connected to the support frame 10.
  • the drive unit is not shown in the figures.
  • the drive unit has an electric motor (not shown) for driving the axle 22 and a fuel cell (not shown) which is provided as a power source for the electric motor.
  • the electric vehicle 100 also has a fuel storage 199, which is intended to hold fuel.
  • the fuel includes hydrogen, which is intended for the fuel cell.
  • the fuel storage 199 is only partially visible in Figure 1 because it is covered by side panels and other trim parts.
  • FIGS 2 and 3 show a first possible embodiment of a battery 200 with a modular battery housing 202.
  • the modular battery housing 202 has a longitudinal axis 210, which, when the modular battery housing 202 or the battery 200 is properly assembled on the support frame 10, coincides with the vehicle longitudinal axis 2 of the electric vehicle 100 run in the same direction, namely in the direction of travel 6 of the electric vehicle 100.
  • the modular battery housing 202 has two head sides 220.
  • the modular battery housing 202 also has a large number of battery modules 300 (numbered here only as an example), each battery module 300 having its own module housing 302 (also numbered only as an example).
  • the modular battery housing 202 also has at least two module levels 212 and 214, namely a lower module level 212 and an upper module level 214, the two module levels 212 and 214 being arranged vertically one above the other.
  • upper battery modules 300 of the upper module level 214 are supported by a single lower battery module 300 of the lower module level 212.
  • the modular battery housing 202 has two receiving spaces 203 for receiving the frame cross members 16 and 18 of the support frame 10 of the electric vehicle 100 from FIG. 1 into the battery 200, the respective receiving space 203 being a recess in the modular battery housing 202, more precisely on the upper module floor 214.
  • the front receiving space 203 is arranged between two battery modules 300, namely the front battery module 300 and the middle battery module 300, and the rear receiving space 203 is arranged between the middle battery module 300 and a further rear functional module 306.
  • the modular battery housing 302 is narrower than in its front head area 220, at least in relation to the upper module level 214.
  • the battery modules 300 and the further functional module 306 are each arranged spaced apart from one another at a distance 310 (numbered as an example only with regard to FIG. 3).
  • the distance 310 between the middle battery module 300 and the functional module 306 is chosen to be larger than the distance 310 between the two battery modules 300, since the rear frame cross member 16 is wider than the front frame cross member 18.
  • the two upper battery modules 300 and the further functional module 306 of the upper module level 214 can be detached from the lower battery module 300 of the lower module level 212, but can be firmly attached in such a way that the upper modules 300 and 306 are displaceable on the lower module level 212
  • Receiving spaces 203 each have a variably adjustable width 310A (see reference number 310).
  • modules 300 and 306 of the upper module level 214 can interact with the module 300 of the lower module level 212 in a structurally very simple and therefore advantageous manner, be it electrically, fluidically or the like.
  • the receiving spaces 203 have a height 311 (shown only as an example in FIG. 2), so that the frame cross members 16 and 18 can preferably be placed completely in the respective receiving space 203 with regard to their height (not shown).
  • the lower battery module 300 has an elongated base body 222, which extends along the longitudinal axis 210 of the modular battery housing 202, so that the lower module level 212 is designed to be extremely rigid.
  • structural bodies 224 are arranged on the lower module level 212 and thus on the base body 222, the structural bodies 224 in this exemplary embodiment comprising the upper battery modules 300 and the further functional module 306.
  • the respective module housing 302 has at least two horizontally oriented recording lines 314 (numbered only as an example in FIG. 2) for vertically arranging at least two battery elements 400A within the respective battery module 300.
  • the respective module housing 302 of the respective upper battery module 300 has a single vertically oriented receiving row 316 on the upper module level 214 (numbered only as an example in FIG. 2).
  • the module housing 302 of the only lower battery module 300 of the lower module level 212 has at least two rows of receptacles 316.
  • the lower module level 212 has a reinforced support structure 402, in particular the elongated base body 222 thereof.
  • Such a reinforced support structure 402 has partially provided reinforcement areas, reinforcement elements or the like, such as thickened wall areas, additional struts or the like.
  • the battery 200 can also be designed to be modular.
  • the battery 200 is therefore also designed as a modular battery 200 and has an elongated base body 222 on its underside (lower module level 212).
  • the three structural bodies 224 are positioned above the elongated base body 222.
  • Two of these structural bodies 224 are also designed to accommodate battery elements 400A.
  • a third, smaller body 224 is provided to accommodate a protective device and a monitoring circuit.
  • the battery 200 has three mounting elements 208 (see Figure 1 ) on each side along its main extension axis (cf. longitudinal axis 210), with which it can be fixed to the support frame 10 (right and left frame longitudinal members 14, 16) of the electric vehicle 100.
  • the mounting elements 208 are intended for screwing to the frame longitudinal members 12, 14 of the electric vehicle 100.
  • the two recesses 203 are arranged between the structural bodies 224, these recesses 203 being positioned in such a way that the frame cross members 16, 18 of the electric vehicle 100 can run in this area provided.
  • the battery 200 from FIG. 1 is shown in a sectional view without battery elements 400A.
  • struts 204 are arranged, which increase the strength of the battery housing 202.
  • Mounting areas 206 are arranged laterally in the elongated base body 222 and are intended for connecting battery units 400 to the battery housing 202.
  • the mounting areas 206 are designed as rail elements (not numbered again), which can be equipped with the battery elements and/or battery modules 300 from above.
  • Mounting areas 206 are also arranged in the structural bodies 224.
  • the mounting areas 206 in the structural bodies 224 are rotated by 90 degrees relative to the mounting areas 206 of the elongated base body 222, that is to say they are arranged on the respective end faces.
  • the elongated base body 222 and the structural body 224 have insertion directions that are rotated relative to one another for inserting battery elements 400A.
  • the battery 200 from FIGS. 1 and 2 is shown from the side. You can see the large number of battery modules 300, which are equipped with battery elements 400A.
  • the battery modules 300 partially have an identical basic structure to one another.
  • Two or three battery elements 400A are combined to form a battery unit 400.
  • the battery elements 400A each stand on a support structure 402, which is designed as a cooling plate 404.
  • the cooling plates 404 each have a liquid channel 406 through which a cooling medium, in this case a cooling liquid, can flow.
  • Each of the support structures 402 has a cooling medium inlet (not explicitly shown here) and a cooling medium outlet (also not explicitly shown here).
  • the support structures 402, each stacked one above the other, are coupled in series to the cooling medium.
  • outlet of the lowest support structure 402 is fluidly connected to the inlet of the support structure 402 arranged above it or is fluidly connected to it.
  • the liquid channels 406 are coupled outside the battery 200 to an external cooling system, not shown here, of the electric vehicle 100.
  • the electrical connecting elements 320 connect the 400A battery elements stacked on top of each other in series.
  • No battery unit 400 or battery elements 400A are arranged in the small structural body 224 (cf. further functional module 306).
  • This small body 224 is intended to accommodate the protective device or the monitoring circuit, which, however, is still installed as shown in FIG.
  • an arrangement consisting of the electric vehicle 100 with its support frame 10 having the two frame longitudinal members 12 and 14 and the two frame cross members 16 and 18, and the modular battery housing 202 with its large number of battery modules 300, wherein the arrangement is characterized in particular by the fact that the frame cross members 16 and 18 are at least partially arranged within the modular battery housing 202.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares Batteriegehäuse für eine Batterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, mit einer Längsachse und mit einer Vielzahl an Batteriemodulen mit jeweils einem Modulgehäuse, bei welcher Batteriemodule in mindestens zwei Moduletagen vertikal übereinander angeordnet sind, wobei obere Batteriemodule der oberen Moduletage von einem unteren Batteriemodul der unteren Moduletage getragen werden, und wobei obere Batteriemodule der oberen Moduletage zur Aufnahme wenigstens eines Rahmenquerträgers eines Tragrahmens des Elektrofahrzeugs entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses mit einem Abstand voneinander beabstandet auf dem unteren Batteriemodul der unteren Moduletage derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des wenigstens einen Rahmenquerträgers zwischen oberen Batteriemodulen angeordnet ist.

Description

MODULARES BATTERIEGEHÄUSE, BATTERIE, ELEKTROFAHRZEUG, ANORDNUNG, VERFAHREN ZUM ANORDNEN EINES MODULAREN BATTERIEGEHÄUSES SOWIE VERWENDUNG VON BATTERIEMODULEN
Die Erfindung betrifft ein modulares Batteriegehäuse für eine Batterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, mit einer Längsachse und mit einer Vielzahl an Batteriemodulen mit jeweils einem Modulgehäuse.
Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.
Die Erfindung betrifft auch ein Elektrofahrzeug zum Transport von Personen und/oder Gütern, insbesondere Lastkraftwagen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch eine Anordnung aus einem Elektrofahrzeug mit einem Tragrahmen aufweisend wenigstens zwei Rahmenlängsträger und wenigstens einen Rahmenquerträger und aus einem modularen Batteriegehäuse mit einer Vielzahl an Batteriemodulen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Anordnen eines modularen Batteriegehäuses an einem Elektrofahrzeug.
Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung von Batteriemodulen eines modularen Batteriegehäuses.
Derzeit sind Diskussionen über die Themen Umweltschutz und Elektromobilität allgegenwärtig. E-Fahrzeuge sind im Betrieb emissionsfrei. Im Vergleich zum Verbrennungsmotor erzeugen sie keine direkten Emissionen.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Lösungen bekannt, wie Kraftfahrzeuge oder Fahrzeuge vollelektrisch oder hybrid betrieben werden können. Hierzu wird häufig die Konstruktion des betreffenden Kraft- oder Fahrzeugs an die Antriebsart angepasst bzw. von vornherein so geplant.
Bekannt sind beispielsweise die DE 10 2012 000 812 A1 , die DE 10 2019 118 392 A1 , die DE 10 2019 208 949 A1 , die EP 3 174 132 A1 oder die WO 2022/115 126 A1.
Allerdings ist es ökologisch betrachtet nicht nachhaltig ständig ein neues Fahrzeug zu produzieren, nur um ein vollelektrisches oder hybrides Elektrofahrzeug zu erhalten. Denn jedes Elektrofahrzeug, das neu produziert werden muss, ist nicht ökologisch sinnvoll.
Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Seite zu stellen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein modulares Batteriegehäuse für eine Batterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, mit einer Längsachse und mit einer Vielzahl an Batteriemodulen mit jeweils einem Modulgehäuse, bei welcher Batteriemodule in mindestens zwei Moduletagen vertikal übereinander angeordnet sind, wobei obere Batteriemodule der oberen Moduletage von einem unteren Batteriemodul der unteren Moduletage getragen werden, und wobei obere Batteriemodule der oberen Moduletage zur Aufnahme wenigstens eines Rahmenquerträgers eines Tragrahmens des Elektrofahrzeugs entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses mit einem Abstand voneinander beabstandet auf dem unteren Batteriemodul der unteren Moduletage derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des wenigstens einen Rahmenquerträgers zwischen oberen Batteriemodulen angeordnet ist.
Durch das derart aufgebaute modulare Batteriegehäuse gelingt es eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, nahezu beliebig an unterschiedliche Fahrzeuggeometrien anzupassen und platzoptimiert in ein Chassis des Elektrofahrzeugs einzubauen.
Begrifflich sei folgendes erläutert: Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und unbestimmte Zahlenangaben wie „ein...“, „zwei...“ usw. im Regelfall als mindestens-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht etwa aus dem Kontext oder dem konkreten Text einer bestimmten Stelle ergibt, dass etwa dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein soll.
Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametem im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen.
Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
Das modulare Batteriegehäuse kann besonders stabil und insbesondere besonders steif konstruiert werden, wenn das modulare Batteriegehäuse ein einziges unteres Batteriemodul aufweist, auf welchem wenigstens zwei obere Batteriemodule angeordnet sind.
Insbesondere sind wenigstens zwei obere Batteriemodule von einem einzigen unteren Batteriemodul vorteilhaft getragen, so dass auf zusätzliche Bauteile zum Tragen der einzelnen Batteriemodule verzichtet werden kann. Hierdurch kann das modulare Batteriegehäuse zudem besonders kompakt gebaut werden.
Das vorliegende modulare Batteriegehäuse kann äußerst kompakt in einem Elektrofahrzeug integriert werden, wenn einerseits das modulare Batteriegehäuse in Richtung seiner Längsachse zwischen zwei Rahmenlängsträger des Tragrahmens des Elektrofahrzeugs anordenbar ist und dass andererseits wenigstens ein Rahmenquerträger des Tragrahmens des Elektrofahrzeugs in dem modularen Batteriegehäuse anordenbar ist.
Ist der wenigstens eine Aufnahmeraum in Richtung der Längsachse des modularen Batteriegehäuses verlagerbar an der oberen Moduletage angeordnet, kann das vorliegende modulare Batteriegehäuse besonders einfach auf unterschiedlich platzierte Rahmenquerträger des Tragrahmens angepasst werden. Das modulare Batteriegehäuse kann auch besonders gut auf unterschiedlich dimensionierte Rahmenquerträger des Tragrahmens eingestellt werden, wenn der wenigstens eine Aufnahmeraum in Richtung der Längsachse des modularen Batteriegehäuses eine variabel einstellbare Breite aufweist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Aufnahmeraum eine Höhe aufweist, welche mindestens der Höhe eines oberen Batteriemoduls entspricht. Hierdurch kann der wenigstens eine Rahmenquerträger meistens vollständig neben oberen Batteriemodule angeordnet werden.
Das modulares Batteriegehäuse kann trotz hervorragender Integrität des wenigstens einen Rahmenquerträgers sehr beigesteif ausgestaltet werden, wenn der wenigstens eine Aufnahmeraum unten von dem unteren Batteriemodul, insbesondere von dessen Modulgehäuse, und seitlich in Richtung der Längsachse des modularen Batteriegehäuses von oberen Batteriemodulen, insbesondere von Modulgehäusen hiervon, begrenzt ist. Insbesondere kann bei einer derartigen Konstruktion die untere Moduletage entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses weiterhin durchgängig und damit äußerst bauteilsteif ausgestaltet werden.
Eine Montage des modularen Batteriegehäuses an ein Elektrofahrzeug kann zudem besonders einfach quer zur Längsachse des modularen Batteriegehäuses erfolgen, wenn der wenigstens eine Aufnahmeraum oben und quer zur Längsachse des modularen Batteriegehäuses offen ausgebildet ist.
Ist der Abstand zwischen zwei oberen Batteriemodulen in Richtung der Längsachse des modularen Batteriegehäuses variabel einstellbar, kann das modulare Batteriegehäuse besonders einfach an unterschiedlich voneinander beabstandete Rahmenquerträger angepasst werden.
Des Weiteren ist es für eine sehr gute Biegesteifigkeit des modularen Batteriegehäusen zweckmäßig, wenn das unterer Batteriemodul einen länglichen Grundkörper des modularen Batteriegehäuses aufweist, welcher sich entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses erstreckt. Insofern ist es besonders zweckmäßig, wenn die oberen Batteriemodule jeweils einen Aufbaukörper aufweisen, welche auf einem länglichen Grundkörper des modularen Batteriegehäuses angeordnet sind. Hierdurch können die Aufbaukörper vorteilhaft von dem Grundkörper getragen werden und bedürfen keiner gesonderten Trageeinrichtung.
Insbesondere Batterieelemente der vorliegenden Batterie bzw. Traktionsbatterie können gut geschützt in dem modularen Batteriegehäuse untergebracht werden, wenn die Batteriemodule jeweils ein Modulgehäuse zur Aufnahme von wenigstens einem Batterieelement, vorzugsweise von mehreren Batterieelementen, aufweisen.
Der Begriff „Batterieelemente“ beschreibt im Sinne der Erfindung Speicherelemente zum Speichern von elektrischer Energie, oftmals auch als Batteriezellen oder dergleichen bezeichnet.
Vorzugsweise weist ein derartiges Batterieelement zum temporären Speichern von elektrischer Energie eine Vielzahl an Batterie- und/oder Kondensatorzellen auf.
Das modulare Batteriegehäuse kann besonders vorteilhaft mit einer Vielzahl an Batterieelementen bestückt werden, wenn das jeweilige Modulgehäuse eine Einschubrichtung zum Einschieben des wenigstens einen Batterieelements aufweist, wobei die Einschubrichtung quer zur Längsachse des modularen Batteriegehäuses angeordnet ist.
Eine Vielzahl an Batterieelementen kann betriebssicher an dem modularen Batteriegehäuse gelagert werden, wenn das jeweilige Modulgehäuse wenigstens zwei Aufnahmezeilen zum vertikalen Übereinanderanordnen von wenigstens zwei Batterieelementen aufweist.
Hierbei verkörpert eine derartige Aufnahmezeile mindestens ein Einschubfach zum Einschieben und Haltern wenigstens eines Batteriezellenelements an dem modularen Batteriegehäuse. Weist das jeweilige Modulgehäuse des oberen Batteriemoduls der oberen Moduletage eine einzige Aufnahmereihe auf, können obere Batteriemodule des modularen Batteriegehäuses derart schmal gebaut werden, dass zwischen ihnen noch vorteilhaft wenigstens ein Aufnahmeraum zur Aufnahme von wenigstens einem Rahmenquerträger angeordnet werden kann.
Die untere Moduletage bzw. deren länglicher Grundkörper können entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses durchgängig ausgestaltet werden, wenn das Modulgehäuse des unteren Batteriemoduls der unteren Moduletage wenigstens zwei Aufnahmereihe aufweist, welche in Längsrichtung des modularen Batteriegehäuse horizontal nebeneinander angeordnet sind.
Hierdurch können die oberen Batteriemodule nahezu beliebig entlang der Längsachse des modularen Batteriegehäuses und an der unteren Moduletage positioniert werden.
Die unterer Moduletage kann nochmals biegesteifer in Richtung der Längsachse des modularen Batteriegehäuses realisiert werden, wenn das Modulgehäuse des unteren Batteriemoduls eine Trägerstruktur aufweist, mittels welcher die oberen Batteriemodule getragen sind.
Eine Integration des vorliegenden modularen Batteriegehäuses kann noch formgenauer vorgenommen werden, wenn die obere Moduletage in einem ersten Kopfbereich des modulares Batteriegehäuses schmaler baut als in einem dem ersten Kopfbereich gegenüberliegenden zweiten Kopfbereich des modulares Batteriegehäuses.
Eine derartige Konstruktion ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn beispielsweise der Bauraum zwischen zwei Rahmenlängsträger in etwa konisch ausgestaltet ist.
Die zwei Kopfbereiche des mobilen Batteriegehäuses liegen sich hierbei bezogen auf die Längsachse des mobilen Batteriegehäuses gegenüber.
Die Aufgabe der Erfindung löst nach einem zweiten Aspekt der Erfindung auch eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für eine Elektrofahrzeug aus der Gruppe mit von Nutzfahrzeugen, Son- derfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, wobei die Batterie in einen Montageraum des Elektrofahrzeugs einsetzbar ist, und wobei die Batterie über ein modulares Batteriegehäuse nach einem der hier beschreiben Merkmale verfügt, und wobei die Batterie über eine Vielzahl von Batteriemodulen verfügt. Es wird vorgeschlagen, dass die Batteriemodule jeweils über ein Modulgehäuse verfügen.
Die vorgeschlagene Batterie kann somit besonders vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug implementiert werden.
Insbesondere ist eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, vorteilhaft, wobei die Batterie ein modulares Batteriegehäuse mit einer Längserstreckung aufweist, wobei das modulare Batteriegehäuse mindestens zwei Moduletagen mit vertikal übereinander angeordneten Batteriemodulen aufweist, wobei ein unteres Batteriemodul eine Trägerstruktur aufweist, auf welcher obere Batteriemodule beanstandet voneinander angeordnet sind.
Insbesondere können Fahrzeuge hierdurch auch besonders einfach umgerüstet werden.
Unter dem Begriff „Umrüsten“ wird vorliegend verstanden, dass ein Bestandsoder Gebrauchtfahrzeug als Grundlage dient, um dieses zu elektrifizieren.
Dadurch werden bereits hergestellte Fahrzeuge weiterverwendet, ohne, dass zur Erzeugung eines Elektro-Fahrzeug ein neues Fahrzeug mit einem angepassten Fahrzeugkonzept hergestellt werden muss.
Dies reduziert einerseits den Planungsaufwand und die Kosten für eine neue Fertigung und andererseits steigert es durch Weiterverwendung die Nachhaltigkeit von Fahrzeugen. Die Steigerung der Nachhaltigkeit reduziert dabei die CO2- Emission.
Eine Batterie ist vorliegend allgemein ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein Akkumulator ist eine wiederaufladbare Batterie. Vorliegend wird eine wiederaufladbare Batterie offenbart. Wiederaufladbare Batterien werden auch als Sekundärbatterie bezeichnet.
Der Montageraum des Elektrofahrzeugs kann ein Bereich an einem Chassis des Elektrofahrzeugs sein.
Es kann sich dabei auch um einen nach außen hin abgeschlossenen Montageraum handeln, welcher in einem Innenraum des Elektrofahrzeugs gebildet ist.
Das modulare Batteriegehäuse ist vorzugsweise aus Stahl gebildet. Insbesondere ist bevorzugt, dass der Stahl als Blech vorliegt.
Das Blech hat bevorzugt eine mittlere Dicke im Bereich von 0,6 mm bis 4 mm, insbesondere bevorzugt hat das Blech eine mittlere Dicke von 1 mm.
Das modulare Batteriegehäuse verfügt bevorzugt über Montageelemente mittels derer es vorzugsweise an das Elektrofahrzeug fixiert werden kann.
Durch die Batteriemodule kann auf besonders einfache Weise eine Batterie mit einem mit einer defekten Zelle repariert werden.
Einzelne Batteriemodule können dabei beispielsweise aus der Batterie herausgenommen werden und beispielsweise ersetzt oder repariert werden.
Die Batteriemodule können eine einfache Vormontage der Batterie ermöglichen, da diese in verschiedene Größen unterschiedlicher modulare Batteriegehäuse eingesetzt werden können.
Die vorliegende Batterie verfügt bevorzugt über elektrische Verbindungen und Schnittstellen für externe Systeme, welche nicht ausschließlich einem Fahrantrieb zugeordnet sind.
In einer Ausgestaltung verfügt modulare Batteriegehäuse und/oder die Batterie innerhalb des Modulgehäuses jeweils über n Zellen mit jeweils mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode, wobei n größer gleich zwei ist.
Vorteilhafterweise sind die n Zellen Batterie- und/oder Kondensatorzellen. Bevorzugt ist n im Bereich zwischen 100 und 400, vorzugsweise zwischen 150 und 300, insbesondere bevorzugt zwischen 160 und 200. Hierdurch ist eine vorteilhafte Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie möglich.
Das Batteriegehäuse ist bevorzugt zur Aufnahme von 20 bis 60 Batteriemodulen vorgesehen.
Durch die Kombination möglichst vieler Zellen kann die Kapazität der Batterie gesteigert werden. Die Möglichst vielen Zellen können durch die reine Anzahl der Zellen realisiert werden und/oder durch eine hohe Anzahl von Batteriemodulen, welche wiederum die Zellen enthalten.
Es ist von Vorteil, möglichst viele Zellen und/oder Batteriemodule innerhalb einer Batterie vorhalten zu können, dadurch kann die Energie pro Ladungsmenge, also die elektrische Spannung, und damit auch der Energieinhalt der Batterie erhöht werden.
Mehrere Zellen werden üblicherweise auch als Unterbaugruppe, Zellverbände oder Zellbaugruppen bezeichnet, so dass hieraus vorteilhaft Batterieelemente bereitgestellt werden können.
Die Zellen können entweder in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung vorliegen. Es kann auch eine Kombination aus einer Reihen- und Parallelschaltung vorlie- gen.
Derartige Zusammenschlüsse werden üblicherweise als Block bezeichnet. Die Reihenschaltung (je nach Anwendung auch Spannungsteilerschaltung genannt) beschreibt in der Elektrotechnik die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Zellen in einer Schaltung so, dass sie einen einzigen Strompfad bilden. Zwei Zellen sind demnach in Reihe geschaltet, wenn deren elektrische Verbindung keine Abzweigung aufweist. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen ist theoretisch beliebig. Als Gegenstück zur Reihenschaltung gibt es als weitere wesentliche Grundschaltung die Parallelschaltung. Die Parallelschaltung, auch Nebenschaltung, ist in der Elektrotechnik die Verbindung von zweipoligen Zellen oder Netzwerken so, dass alle ihre gleichnamigen Pole jeweils gemeinsam verbunden sind. Werden bei gepolten Zellen ungleichnamige Pole miteinander verbunden, spricht man von einer antiparallelen Schaltung. Die Anzahl der parallelgeschalteten Zellen ist theoretisch beliebig.
Die Batterie kann über eine Schutzeinrichtung und/oder eine Überwachungsschal- tung verfügen.
Bei der Schutzeinrichtung und/oder der Überwachungsschaltung kann es sich um ein Batteriemanagementsystem (BMS) oder einfach Batteriemanagement handeln.
Die Schutzeinrichtung und/oder der Überwachungsschaltung ist eine Maßnahme, meist jedoch eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung, Regelung und zum Schutz von Batterien dient. Bei der Schutzeinrichtung und/oder der Überwachungsschaltung handelt es sich insbesondere um eine Einrichtung aus der Gruppe mit einer Ladezustandserkennung, einem Tiefentladeschutz, einem Überladeschutz, einer Spannungsschaltung, einer Überstromabschaltung und komplexen Systemen mit Datenschnittstellen zu höhergeordneten Einrichtungen in einem Elektrofahrzeug. Insbesondere bevorzugt verfügt die Schutzeinrichtung und/oder der Überwachungsschaltung über elektrische Verbindungen und Schnittstellen für externe Systeme.
In vielen Batterien umfasst das BMS auch eine automatische Umschaltung der Stromversorgung zwischen verschiedenen Energiequellen. Das Umschalten kann ein Umschalten zwischen einem Betrieb des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie aus der Batterie oder elektrischer Energie von einer anderen Energiequelle sein. Die andere Energiequelle kann beispielsweise ein Ladegerät sein oder eine begrenzt speisefähige Schnittstelle sein. Unter einer begrenzt speisefähigen Schnittstelle ist eine Energiequelle zu verstehen, welche zumindest zeitweise weniger Energie und/oder keine konstante Spannung bereitstellen kann, als im Elektrofahrzeug zu einem bestimmten Moment benötigt. Der bestimmte Moment ist beispielsweise eine Beschleunigung des Elektrofahrzeugs oder ein Verbraucher, der mit dem Elektrofahrzeug gekoppelt ist. Ein solcher Verbraucher kann beispielsweise Teil eines Aufbaus des Elektrofahrzeugs sein. Als begrenzt speisefähige Schnittstelle kann eine Brennstoffzelle in dem Elektrofahrzeug vorhanden sein.
Je nach aktueller Leistung der begrenzt speisefähigen Schnittstelle kann ein elektrischer Verbraucher in dem Elektrofahrzeug, beispielsweise ein Elektromotor zum Antreiben des Elektrofahrzeugs, entweder die Batterie laden oder direkt den Elektromotor mit elektrischer Energie versorgen.
Die Schutzeinrichtung und oder die Überwachungsschaltung kann auch dazu eingerichtet sein das sowohl elektrische Energie aus der Batterie als auch aus der Speise wegen Datenschnittstelle an einen Verbraucher kann man beispielsweise einen Elektromotor des Elektrofahrzeugs geleitet wird.
Es können auch Betriebsdaten der Batterie angezeigt oder für Servicezwecke gespeichert werden. Das Batteriemanagement umfasst bevorzugt bei offenen Bleioder NiCd-Zellen auch das Ergänzen fehlenden Wassers.
BMS können insbesondere bei der Reihenschaltung mehrerer Akkuzellen zu einer Batterie und hier insbesondere bei Lithiumakkus notwendig werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei den n Zellen vorzugsweise um Batterie- und/oder Kondensatorzellen.
Bevorzugt handelt es sich bei den Zellen um Lithiumzellen, besonders bevorzugt um Lithiumpolymerzellen.
Eine Lithiumzelle, genauer eine Li-Ionen-Zelle, ist üblicherweise aus den folgenden Hauptkomponenten aufgebaut: Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator.
Der Zellentyp wird normalerweise nach der verwendeten Kathodenmaterialien bezeichnet. Beispielsweise ist hier eine NCM- Zelle oder LFP-Zelle zu nennen.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Zellen um Lithium-Nickel-Mangan- Kobalt-Oxid-Zellen (NCM). NCM ist neben Lithium durch die Hauptbestandteile Nickel, Kobalt und Mangan und charakterisiert, während LFP neben Lithium die Hauptbestandteile Eisen und Phosphat aufweist.
NCM-Batterien sind aufgrund ihrer gleichmäßig hohen Qualität und ihrer hohen Energiedichte die am weitesten verbreitete Li-Technologie in der Batterieindustrie. Innerhalb des Weltbatteriemarktes wächst der Anteil der NCM-Batterie- Produktionskapazität stetig.
Die NCM-Batterie weist im Vergleich zur LFP-Batterie in der Regel eine höhere Nennleistung und Energiedichte auf, da sie üblicherweise eine höhere Lithiumdiffusionsrate und Elektronenmobilität aufweist.
Während sich Lithiumionen von üblichen NCM-Zellen in zwei verschiedene Richtungen bewegen können, können sich die Lithiumionen in üblichen LFP- Zellen nur in eine Richtung bewegen. Infolgedessen ist ein Lithium- Diffusionskoeffizient von NCM, um ein Vielfaches schneller als der von LFP. Im Falle der Elektronenmobilität ist NCM um circa 1000-mal schneller als LFP. Da also sowohl die Mobilität von Lithium als auch die der Elektronen höher ist, kann eine solche NCM-Zelle eine höhere Nennleistung und Energiedichte erzielen.
Die Lade-Entlade-Kurve von NCM- und die Lade-Entlade-Kurve von LFP-Zellen unterscheidet sich in der Regel stark: Der Ladezustand (State-of-Charge, SOC) von NCM-Zellen weist üblicherweise eine deutlich lineare Abhängigkeit von der Zellspannung auf. Auf den Ladezustand der LFP-Batterie kann aufgrund einer sehr flachen Lade-Entlade-Kurve oft nicht aus der Zellspannung geschlossen werden. Infolgedessen ist für NCM-Zellen eine in der Regel einfachere SOC- Bestimmung durch eine Spannungsmessung möglich, während die genaue Bestimmung des SOC für LFP-Zellen komplexer ist.
Üblicherweise liegt die Genauigkeit der SOC-Bestimmung für die NCM-Zellen bei 1 bis 2 %, während dies bei der LFP-Zelle um bis zu 10 % abweichen kann. Wenn eine genaue SOC-Berechnung nicht möglich ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zelle und/oder die Batterie außerhalb des gewünschten Bereichs betrieben wird höher, was zu einer deutlich höheren Leistungsverschlechterung führen kann. Die Zellen weisen bevorzugt eine 4S1 P Konfiguration auf.
Zur Erläuterung: Die Nennspannung beispielsweise einer Lithium-Polymer-Zelle beträgt 3,7 V. Wenn die Spannung 7,4 V betragen soll, müssen zwei Zelle in Reihe geschaltet sein (so dass, dass die Spannung addiert wird). Eine 2S Konfiguration bedeutet, dass zwei Zellen in Reihe geschaltet sind. Eine 4S Konfiguration bedeutet, dass vier Zellen in Reihe geschaltet sind. Ein vierzelliges (4S) Paket ist also 14,8V. Die Voltzahl wird in der Regel in der Mitte zwischen vollgeladen und vollentladen basierend auf einer 0,2C Entladung gemessen (wobei C die Nennkapazität der Zelle in mAh ist). Eine einzelne Lithiumzellen-Nennspannung wird normalerweise entweder als 3,6 V, 3,7 V oder 3,8 V angegeben.
Ein Lithiumzellenpack besteht in der Regel aus zwei oder mehr Zellen, die in Reihe für eine erhöhte Spannung von 7,4 V (2S1 P), 11 ,1 V (3S1 P), 14,8 V (4S1 P), 18,5 V (5S1 P) oder mehr geschaltet sind parallel, um eine erhöhte Batteriekapazität zu erreichen. Eine Pack-Konfiguration von Zellen wird also durch die Anzahl der Zellen in Reihe und die Anzahl der Zellen in parallel angezeigt. Eine 4S2P- Konfiguration würde entsprechend vier Zellen in Reihe und zwei Zellen parallel haben, wobei insgesamt 8 Zellen verwendet würden.
Die Batteriekapazität ist in der Regel die Menge an elektrischer Ladung, die eine Batterie bei der theoretischen Nennspannung liefern kann. Mit anderen Worten, es ist ein Maß dafür, wie viel Energie die Batterie halten kann. Die Einheit ist Amperestunden, üblicherweise Milliamperestunden (mAh oder mA h).
Zur Definition: Die elektrische Ladung Q (Ah) in Amperestunden ist gleich der elektrischen Ladung Q (mAh) in Milliampere, dividiert durch 1000:
Q (Ah) = Q (mAh) / 1000
Die Amperestunde entspricht also einer Milliampere-Stunde geteilt durch 1000:
Amperestunden = Milliamperestunden / 1000 oder Ah = mAh / 1000.
Die Kapazität deiner Batterie wird in der Regel also dadurch bestimmt, wie lange sie elektrische Energie abgeben kann, bevor sie wieder geladen werden sollte. Je höher die Zahl, desto länger die Laufzeit. Bevorzugt weist ein Batteriemodul eine Kapazität von 100 bis 350 Amperstunden auf. Insbesondere bevorzugt weist ein Batteriemodul bei einer 4S1 P-Konfiguration eine rechnerische Kapazität von 177Ah auf. Bei dieser Kapazität entspricht eine nominale Modulspannung bevorzugt zwischen 14,4 V bis 15,2 V und einer nominalen Energie von rund 2,60 kWh.
Im Gegensatz zur Batterie speichern Kondensatorzellen elektrische Energie in einem elektrischen Feld, wodurch sie wesentlich schneller aufgeladen und entladen werden können. Meistens sind Kondensatorzellen nicht in der Lage, die Spannung während der Entladung konstant zu halten. Bevorzugt kann dieser Effekt durch das BMS in oben beschriebener Weise kompensiert werden.
Bei den Kondensatorzellen kann es sich auch um Hybrid- bzw. Superkondensatorenzellen handeln. Die Hybrid- bzw. Superkondensatorzellen können die elektrische Energie sowohl statisch wie auch auf chemische Weise im Rahmen einer reversiblen Redoxreaktion speichern.
Die Kondensatorzellen können durch Zusammenschalten (in Reihe und/oder parallel) von mehreren Kondensatorzellen die Batterie bilden. Ducht das Zusammenschalten wird eine höhere Betriebsspannung erreicht. Es kann auch eine Kombination aus Reihe- und Parallelschaltung der Kondensatorzellen vorliegen.
In einer Ausgestaltung bildet das Modulgehäuse einen der elektrischen Anschlusspole.
Durch eine Ausgestaltung, bei der das Modulgehäuse einer der elektrischen Anschlusspole bildet, kann eine elektrische Verbindung zwischen mehreren Modulgehäusen vereinfacht werden. Eine derartige Gestaltung ist insbesondere bevorzugt bei parallel zusammengeschalteten Zellen.
In einer Ausgestaltung weisen die Batteriemodule untereinander einen identischen Grundaufbau auf.
Bei Batteriemodulen, welche untereinander einen identischen Grundaufbau aufweisen, ist eine Vormontage der Batteriemodule besonders einfach. Durch eine derartige identische Aufbauweise müssen Batteriemodule nicht an ihre jeweilige Einbauposition, ihren Einbauort oder unterschiedliche Batterien angepasst werden. Die untereinander identisch aufgebauten Batteriemodule können also unabhängig eines spezifischen Aufbaus der Batterie hergestellt werden. Auf diese Art und Weise ist eine besonders kostengünstige Produktion einer Batterie mit mehreren Batteriemodulen möglich.
In einer Ausgestaltung sind die Zellen in dem Modulgehäuse untereinander identisch aufgebaut.
Es ist also bevorzugt, dass die jeweiligen Zellen innerhalb eines Modulgehäuses untereinander einen gleichen Grundaufbau aufweisen. Kleinere Abweichungen, beispielsweise Leistungsabweichungen, zwischen einzelnen Zellen können beispielsweise durch die bereits beschriebene Schutzeinrichtung und/oder der Überwachungsschaltung ausgeglichen werden.
In einer Ausgestaltung sind jeweils zwei Batteriemodule zu einer Batterieeinheit zusammengefasst. Eine solche Batterieeinheit ist bevorzugt in das Batteriegehäuse einsetzbar.
Eine Batterieeinheit umfasst also bevorzugt jeweils zwei Batteriemodule. Dadurch kann sich beispielsweise der Einbau in das beschriebene Batteriegehäuse leichter gestalten, da weniger Handgriffe notwendig sind, um die Batterie zusammenzusetzen. Bevorzugt sind die beiden Batteriemodule einer Batterieeinheit untereinander elektrisch verbunden, so dass beim Aufbau einer oben beschriebenen Batterie lediglich die Batterieeinheiten untereinander und/oder mit einem zentralen Stromsammler verbunden werden müssen.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung verfügt die Batterieeinheit über eine Trägerstruktur, auf der zwei Batteriemodule angeordnet sind.
Die Batterieeinheit und/oder die Batteriemodule sind bevorzugt stapelbar ausgebildet.
Eine stapelbare Ausgestaltung der Batterieeinheit und/oder der einzelnen Batteriemodule ermöglicht, dass mehrere Batterieeinheit und/oder der einzelnen Batteriemodule übereinander innerhalb des Batteriegehäuses positioniert werden können.
Es kann bevorzugt sein kann man das bei einer stapelbaren Ausgestaltung durch eine gewisse Beanstandung ein Zwischenraum verbleibt, sodass Anschlüsse für eine Kühlung und oder eine Elektrik funktional kontaktierbar bleiben.
Die Trägerstruktur kann über elektrische Anschlüsse verfügen, mittels derer sie mit weiteren Batterieeinheiten und/oder einem elektrischen Ableiter aus dem Batteriegehäuse elektrisch gekoppelt werden kann. Die Trägerstruktur kann einen elektrischen Anschluss der Batterieeinheit bilden.
Vorteilhafterweise ist die Batterieeinheit zum Einbau in das Batteriegehäuse vorgesehen.
In einer Ausgestaltung ist die Trägerstruktur als Kühlplatte ausgebildet bildet.
Bei dieser Ausgestaltung, in der die Trägerstruktur als Kühlplatte ausgebildet ist, kann auf besonders einfache Weise Wärme, welche beispielsweise beim Be- und/oder entladen der Zellen freigegeben wird, von den Zellen beziehungsweise den Batteriemodulen abtransportiert werden.
Mittels der Kühlplatte kann jedoch auch Wärme in die Zellen eingebracht werden, um beispielsweise die Zellen auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu bringen.
Besonders bevorzugt steht die Trägerstruktur an mindestens einer Seite über die Batteriemodule über, so dass an dieser Position Anschlüsse für die Kühlung und/oder die Elektrik positioniert sein können.
Insbesondere bei einer stapelbaren Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass Anschlüsse für die Kühlung und oder die Elektrik von der Batterieeinheit über einen Anschlusssegment nach oben geführt werden kann, so dass die Anschlüsse nach einem Positionieren innerhalb des Batteriegehäuses verbunden werden können.
Es ist bevorzugt, dass die Batterieeinheit und/oder der einzelnen Batteriemodule derart ausgebildet sind, dass sie zunächst einzeln in das Batteriegehäuse eingebracht werden können. Diese Gestaltung ist besonders bevorzugt kombiniert mit der Möglichkeit, dass die Batterieeinheit und/oder der einzelnen Batteriemodule erst nach einem Einsetzten in das Batteriegehäuse mit elektrischen Anschlüssen und/oder Kühlanschlüssen funktional koppelbar ausgebildet sind. Durch eine derartige Gestaltung elektrischen Anschlüssen und/oder Kühlanschlüssen, die erst nach einem Verbringen in das Gehäuse koppelbar sind, kann ein Hantieren mit hochvoltigen Batterieeinheiten und/oder der einzelnen Batteriemodulen vermieden werden.
Die Batterieeinheiten und/oder die einzelnen Batteriemodule weisen bevorzugt eine Nominalspannung von kleiner gleich 60 Volt auf.
Bei einer geringen Nominalspannung können die einzelnen Batterieeinheiten und/oder der einzelnen Batteriemodule geringere Sicherheitsmaßnahmen beim Handling erfordern, da die einzelnen Batterieeinheiten und/oder die einzelnen Batteriemodule im unverbundenen Zustand.
Vorzugsweise sind die Zellen innerhalb des Batteriemoduls derart angeordnet, dass potenziell entstehende Wärme beim Be- und/oder Entladen der Zellen unmittelbar in dem Bereich der Kühlplatte freigegeben wird. Es kann also vorgesehen sein, dass elektrische Ableiter der jeweiligen Zellen an einer Unterseite der Zellen angeordnet sind, um mit der Kühlplatte speziell in diesem Bereich Wärme ableiten zu können.
In einer Ausgestaltung weist die Trägerstruktur mindestens einen Flüssigkeitskanal auf, welcher von einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Flüssigkeitskanal Wärme, welche im Bereich der Trägerstruktur auftritt über die Trägerstruktur verteilt kann, so dass einzelne wärmere oder kältere Bereiche ausgeglichen werden.
Vorzugsweise ist die Batterie mit einem externen Kühlsystem koppelbar ist, mittels welchem das Kühlmedium durch den Flüssigkeitskanal durchströmt werden kann.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn das Batteriegehäuse Verstrebungen aufweist, um dem Batteriegehäuse eine erhöhte Festigkeit zu verleihen. Die Trägerstruktur kann insbesondere an einem Boden des Batteriegehäuses angeordnet sein, um in diesem Bereich die Festigkeit des Batteriegehäuses zu erhöhen. Diese Verstrebungen können auch dem Schutz der Batteriemodule dienen. Diese Verstrebungen können vor mechanischen äußeren Einwirkungen schützen, die das Batteriegehäuse verformen könnten und somit auch den Batteriemodulen Schaden zufügen könnten.
In einer Ausgestaltung verfügt das Batteriegehäuse über Montagebereiche, um die Batterieeinheiten fest mit dem Batteriegehäuse zu verbinden.
Diese Montagebereiche können beispielsweise als Schienen ausgebildet sein, welche die Batterieeinheiten in dem Batteriegehäuse aufnehmen können. Wenn das Batteriegehäuse dazu vorgesehen ist, dass die einzelnen Batterieeinheiten und oder Batteriemodule von oben in das Batteriegehäuse eingesetzt werden, ist es bevorzugt, dass diese Schienen vertikal angeordnet sind. Bei einer Gestaltung, bei der das Batteriegehäuse dazu vorgesehen ist, dass die einzelnen Batterieeinheiten und oder die Batteriemodule seitlich in das Batteriegehäuse eingesetzt werden, ist es bevorzugt, dass die Schienen horizontal angeordnet sind.
In einer Ausgestaltung ist das Batteriegehäuse modular aufgebaut, um an unterschiedliche Aufnahmeräume verschiedener Elektrofahrzeuge und/oder an verschiedene Einbaupositionen anpassbar zu sein.
Die modulare Ausgestaltung des Batteriegehäuses kann beispielsweise einen länglichen Grundkörper aufweisen. Der längliche Grundkörper ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er in eine Vielzahl von Aufnahmeräumen verschiedener Elektrofahrzeuge aufgenommen werden kann. Oberhalb des länglichen Grundkörpers können mehrere Aufbaukörper positioniert sein. Die Aufbaukörper können an unterschiedlichen Positionen des länglichen Grundkörpers angeordnet werden, so dass beispielsweise strukturelle Elemente des Elektrofahrzeugs, für welches die Batterie vorgesehen ist, zwischen den Aufbaukörpern verlaufen können.
Die Batterie verfügt in einer Ausführungsform über voneinander beabstandet Aufbaukörper an unterschiedlichen Positionen des länglichen Grundkörpers. Dadurch können beispielsweise Aussparungen für Strukturelle Bauteile eines Elektrofahrzeugs geschaffen werden.
Durch die modulare Ausgestaltung kann ein Innenvolumen der Batterie maximiert werden, da das Batteriegehäuse besonders einfach an externe Begebenheiten anpassbar ist.
Eine Integration kann weiter verbessert werden, wenn die Batterie über Aussparungen für strukturelle Bauteile des Elektrofahrzeugs verfügt.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn die Batterieeinheit und /oder das Batteriemodul stapelbar ausgebildet ist bzw. sind, sodass mehrere Batterieeinheiten und/oder Batteriemodule übereinander innerhalb des Batteriegehäuses positioniert werden können.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das modulare Batteriegehäuse und/oder die Batterie sich noch durch mindestens eines der folgenden zusätzlichen Merkmale auszeichnet, nämlich dass das Batteriegehäuse zur Aufnahme von 20 bis 60 Batteriemodulen vorgesehen ist, das Batteriegehäuse zur Aufnahme von 10 bis 30 Batterieeinheiten vorgesehen ist und dass die Batteriemodule eine Nominalspannung von kleiner gleich 60 Volt aufweisen.
Nach einem zweiten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Elektrofahrzeug zum Transport von Personen und/oder Gütern, insbesondere Lastkraftwagen, vorgeschlagen, welches über einen Tragrahmen als tragendes Chassis verfügt. Bei derartigen Tragrahmen wird teilweise auch von Leiterrahmen gesprochen, diese Begriffe sollen im Kontext dieser Anmeldung als Synonyme verstanden werden.
Der Tragrahmen verfügt über mindestens zwei Rahmenlängsträger, welche quer zur Fahrzeuglängsachse voneinander beabstandet sind, so dass zwischen den Rahmenlängsträgern entlang der Fahrzeuglängsachse ein Aufnahmeraum verbleibt. Diese Rahmenlängsträger werden auch als Längsholme oder Längsstreben bezeichnet. Der Tragrahmen dient der Stabilisierung des Elektrofahrzeugs. Der Tragrahmen verfügt weiterhin über eine Rahmenquerträger, welche die Rahmenlängsträger untereinander verbinden. Diese Rahmenquerträger werden auch als Querholme oder Querstreben bezeichnet.
Ein solcher Tragrahmen ist zur Aufnahme von weiteren Fahrzeugkomponenten vorgesehen. Solche Fahrzeugkomponenten können Teile einer Karosserie und/oder andere Anbauteile sein. Bei den Fahrzeugkomponenten kann es sich auch zumindest um Teile einer Nutzlast handeln. Das Elektrofahrzeug verfügt über eine Antriebseinheit mit mindestens einer Achse mit einem Differenzial, welche mit dem Tragrahmen verbunden ist. Die Antriebseinheit verfügt über einen Elektromotor zum Antreiben der Achse. Es können auch mehrere Elektromotoren zum Antreiben einer Achse vorgesehen sein. Alternativ hierzu können mehrere Elektromotoren für jeweils eine Achse vorgesehen sein.
Das Elektrofahrzeug verfügt über eine Batterie zum Speichern von elektrischer Energie für den Elektromotor.
Es wird vorgeschlagen, dass das Elektrofahrzeug die Batterie des Elektrofahrzeugs in dem Aufnahmeraum zwischen den Rahmenlängsträgern im parallel zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Batterie nach der oben beschriebenen Art ausgebildet.
Als parallel soll vorliegend verstanden werden, dass die Orientierung der Haupterstreckungsachse der Brennstoffbehälter nicht mehr als 12 Grad von der Haupterstreckungsachse der Rahmenlängsträger abweicht.
In einer Ausgestaltung verfügt das Elektrofahrzeug neben der Batterie als Quelle elektrischer Energie für den Elektromotor zusätzlich über eine Brennstoffzelle.
Die Brennstoffzelle wandelt eine chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um.
Üblicherweise ist ein Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzelle mit einem Brennstoffspeicher zum Vorhalten eines Brennstoffes für die Brennstoffzelle ausgerüstet. Die Brennstoffzellentechnologie in der Verkehrsindustrie erzeugt elektrische Energie für den Antrieb von Elektrofahrzeugen oder Elektrofahrzeugen. Diese Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie hat einen Wirkungsgrad von etwa 40-50 %. Brennstoffzellen können mit beispielsweise Wasserstoff, niedermolekularen Alkoholen (Methanol, Ethanol) oder Ammoniak betrieben werden. Beispielsweise bei der Bildung von Wasser durch die Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoffmolekülen wird elektrische Energie frei. Ein solches Elektrofahrzeug ist dazu eingerichtet, einen Tank mitzuführen, in welchem der Brennstoff vorgehalten wird.
Mach einem weiteren Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Anordnung aus einem Elektrofahrzeug mit einem Tragrahmen aufweisend wenigstens zwei Rahmenlängsträger und wenigstens einen Rahmenquerträger und aus einem modularen Batteriegehäuse mit einer Vielzahl an Batteriemodulen, wobei der wenigstens eine Rahmenquerträger zumindest teilweise innerhalb des modularen Batteriegehäuses angeordnet ist.
Hierdurch kann das Batteriegehäuse besonders tief zwischen den zwei Rahmenlängsträger integriert werden.
Ein Montageraum zwischen zwei Rahmenlängsträgern kann besonders gut ausgenutzt werden, wenn Rahmenquerträger quer durch das modulare Batteriegehäuse hindurchlaufen angeordnet ist, insbesondere von einem ersten Rahmenlängsträger zu einem dem ersten Rahmenlängsträger gegenüberliegend angeordneten zweiten Rahmenlängsträger.
Ein vorhandener Rahmenquerträger kann vorteilhaft in das Batteriegehäuse bzw. der Batterie integriert werden, wenn der wenigstens eine Rahmenquerträger zwischen zwei Batteriemodulen angeordnet ist.
Eine Batterie kann besonders gut gegen äußere mechanische Einflüsse geschützt werden, insbesondere wenn diese äußeren mechanischen Einflüsse seitlich auf das Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug einwirken, wenn alle Batteriemodule des modularen Batteriegehäuses innen zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängs- trägem angeordnet sind und dass das Batteriegehäuse bzw. Halterungen hiervon außen an den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern befestigt sind.
Insbesondere durch außen an den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern befestigten Halterungen kann das modulare Batteriegehäuse vorteilhafter montiert und demontiert werden.
Das Batteriegehäuse kann trotz der vorgeschlagenen Integration besonders beigesteif ausgestaltet werden, wenn eine obere Moduletage des Batteriegehäuses bis zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern angeordnet ist, und eine untere Moduletage des Batteriegehäuses bis unterhalb der wenigstens zwei Rahmenlängsträger angeordnet ist, insbesondere vollständig unterhalb der wenigstens zwei Rahmenlängsträger.
Jedenfalls kann eine Batterie an einem Fahrzeug, insbesondere an einem Elektrofahrzeug, trotz vorhandener Rahmenquerträger mithilfe des vorliegenden mobilen Batteriegehäuses vorteilhaft in einem Tragrahmen integriert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe von einem Verfahren zum Anordnen eines modularen Batteriegehäuses an einem Elektrofahrzeug gelöst, bei welchem das modulare Batteriegehäuse mit fertig vormontierten Batteriemodulen als Einheit von unten zwischen wenigstens zwei Rahmenlängs- trägern des Elektrofahrzeugs eingebracht wird, wobei während des Einbringens des modularen Batteriegehäuses zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängsträger wenigstens ein Rahmenquerträger des Elektrofahrzeugs zwischen fertig vormontierten Batteriemodulen verbracht wird.
Eine vorteilhaft Verfahrensvariante sieht vor, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger zumindest teilweise in das modulare Batteriegehäuse hinein versenkt wird.
Hierbei wird der der wenigstens eine Rahmenquerträger von oben in einen hierfür vorgesehenen Aufnahmeraum eingeführt.
Dies kann durch ein entsprechendes Anheben des Batteriegehäuses und/oder durch ein Absenken des Fahrzeugs erfolgen. Das modulare Batteriegehäuse kann mit dem Tragrahmen besonders innig verbunden werden, wenn der wenigstens eine Rahmenquerträger bis unterhalb einer Oberseite des modularen Batteriegehäuses angeordnet wird.
Das modulare Batteriegehäuse kann tief in den Tragrahmen des Elektrofahrzeugs integriert werden, wenn der wenigstens eine Rahmenquerträger bis oberhalb einer Oberseite einer unteren Moduletage des modularen Batteriegehäuses und bis unterhalb einer Oberseite einer oberen Moduletage des modularen Batteriegehäuses angeordnet wird. Dennoch kann eine hohe Biegesteifigkeit an dem modularen Batteriegehäuse erzielt werden.
Eine das modulare Batteriegehäuse aufweisende Batterie kann besonders unfallsicher an dem Tragrahmen des Elektrofahrzeugs angeordnet werden, wenn das modulare Batteriegehäusemit fertig vormontierten Batteriemodulen ausschließlich innen zwischen wenigstens zwei Rahmenlängsträgern des Elektrofahrzeugs angeordnet wird.
Die Aufgabe löst nach einem weiteren Aspekt der Erfindung zudem eine Verwendung von Batteriemodulen eines modularen Batteriegehäuses zum Ausbilden eines Aufnahmeraums für einen Rahmenquerträger eines Elektrofahrzeugs, insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.
Durch die Verwendung der Batteriemodule kann ein derartiger Aufnahmeraum ohne weitere Bauteile zur Verfügung gestellt werden.
Es versteht sich, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die vorliegend erzielbaren Vorteile und Effekte entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen Fig. 1 schematisch Perspektive Aussicht von schräg hinten eines Elektrofahrzeugs, welches als Nutzfahrzeug ausgebildet ist, mit einem modularen Batteriegehäuse bzw. mit einer Batterie;
Fig. 2 schematisch eine perspektivische Schnittansicht des modularen Batteriegehäuses bzw. der Batterie aus Figur 1 im Detail; und
Fig. 3 schematisch eine längsgeschnittene Seitenansicht der linken Seite des modularen Batteriegehäuses bzw. der Batterie aus den Figuren 1 und 2.
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Elektrofahrzeug 100, welches als Nutzfahrzeug (nicht nochmals beziffert) ausgebildet ist, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Nutzfahrzeug als eine Sattelzugmaschine ausgebildet ist.
Insbesondere ist nach der Darstellung nach der Figur 1 die Sattelzugmaschine ohne Sattelauflieger dargestellt.
Das Elektrofahrzeug 100 verfügt über strukturelle Bauteile, wie ein Chassis 102 mit einem Tragrahmen 10, welcher auch als Leiterrahmen bekannt ist.
Das Chassis 102 ist als tragendes Chassis 102 ausgebildet.
Das Chassis 102 dient neben der Aufnahme von Fahrzeugkomponenten wie beispielsweise einer Karosserie (nicht nochmals beziffert) und einer Nutzlast ebenfalls der Aufnahme von weiteren Anbauteilen.
Das Chassis 102 ist derart ausgebildet, dass es neben den bereits genannten Funktionen auch der Stabilisierung des Elektrofahrzeugs 100 dient.
In diesem Ausführungsbeispiel verfügt der Tragrahmen 10 über zwei Rahmen- längsträger 12, 14, auch Längsholme genannt, welche zumindest abschnittsweise parallel zu einer Fahrzeuglängsachse 2 verlaufen.
Insbesondere im vorderen Bereich des Elektrofahrzeugs 100 kann es von Vorteil sein, dass die Rahmenlängsträger 12, 14 nicht parallel zueinander verlaufen, sondern in einem Winkel aufeinander zulaufen. Eine derartige Gestaltung ermög- licht beispielsweise im Bereich von lenkbaren Rädern eine einfache Positionierung dieser.
Die Rahmenlängsträger 12, 14 sind quer zur Fahrzeuglängsachse 2 voneinander beabstandet angeordnet, so dass zwischen den Rahmenlängsträgern 12, 14 entlang der Fahrzeuglängsachse 2 einen Montageraum 4 verbleibt.
Der Tragrahmen 10 verfügt auch über eine Vielzahl von Rahmenquerträgem 16, 18, welche auch Querstreben genannt werden, welche die Rahmenlängsträger 12, 14 untereinander verbinden.
Diese Rahmenquerträger 16, 18 verlaufen quer zur Fahrzeuglängsachse 2.
Das Elektrofahrzeug 100 verfügt über eine Antriebseinheit mit einer angetriebenen hinteren Achse 22, welche über ein Differenzial 24 verfügt, und welche mit dem Tragrahmen 10 verbunden ist. Die Antriebseinheit ist in den Figuren nicht weiter dargestellt.
Die Antriebseinheit verfügt über einen Elektromotor (nicht gezeigt) zum Antreiben der Achse 22 und über eine Brennstoffzelle (nicht gezeigt), welche als eine Energiequelle für den Elektromotor vorgesehen ist.
Das Elektrofahrzeug 100 verfügt außerdem über einen Brennstoffspeicher 199, welcher zum Vorhalten eines Brennstoffes vorgesehen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Brennstoff Wasserstoff, welcher für die Brennstoffzelle vorgesehen ist.
Der Brennstoffspeicher 199 ist in Figur 1 nur teilweise sichtbar, da dieser von Seitenteilen und anderen Verkleidungsteilen verdeckt ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel einer Batterie 200 mit einem modularen Batteriegehäuse 202.
Das modulare Batteriegehäuse 202 weist eine Längsachse 210 auf, welche bei ordnungsnacher Montage des modularen Batteriegehäuses 202 bzw. der Batterie 200 an dem Tragrahmen 10 mit der Fahrzeuglängsachse 2 des Elektrofahrzeugs 100 in die gleiche Richtung verlaufen, nämlich in Fahrtrichtung 6 des Elektrofahrzeugs 100.
Das modulare Batteriegehäuse 202 weist zwei Kopfseiten 220 auf.
Das modulare Batteriegehäuse 202 weist ferner eine Vielzahl an Batteriemodulen 300 (hier nur exemplarisch beziffert) auf, wobei jedes Batteriemodul 300 ein eigenes Modulgehäuse 302 (ebenfalls nur exemplarisch beziffert) aufweist.
Das modulare Batteriegehäuse 202 weist darüber hinaus mindestens zwei Moduletagen 212 und 214, auf, nämlich eine untere Moduletage 212 und eine obere Moduletage 214, wobei die zwei Moduletagen 212 und 214 vertikal übereinander angeordnet sein.
Hierbei sind obere Batteriemodule 300 der oberen Moduletage 214 von einem einzigen unteren Batteriemodul 300 der unteren Moduletage 212 getragen.
Des Weiteren weist das modulare Batteriegehäuse 202 zwei Aufnahmeräume 203 zur Aufnahme der Rahmenquerträger 16 und 18 des Tragrahmens 10 des Elektrofahrzeugs 100 aus der Figur 1 in die Batterie 200 auf, wobei der jeweilige Aufnahmeraum 203 jeweils eine Aussparung in dem modularen Batteriegehäuse 202 ist, genauer gesagt an der oberen Moduletage 214.
Hierbei ist der vordere Aufnahmeraum 203 zwischen zwei Batteriemodule 300, nämlich dem vorderen Batteriemodul 300 und dem mittleren Batteriemodul 300, und der hintere Aufnahmeraum 203 zwischen dem mittleren Batteriemodule 300 und einem weiteren hinteren Funktionsmodul 306 angeordnet sind.
In dem hinteren Kopfbereich 220 (siehe weiteres Funktionsmodul 306) baut das modulare Batteriegehäuse 302 schmaler als in seinem vorderen Kopfbereich 220, zumindest in Bezug auf die oberen Moduletage 214.
Zur Realisierung der Aufnahmeräume 203 sind die Batteriemodule 300 und das weitere Funktionsmodul 306 jeweils mit einem Abstand 310 (nur hinsichtlich Figur 3 exemplarisch beziffert) voneinander beanstandet angeordnet. Hierbei ist der Abstand 310 zwischen dem mittleren Batteriemodule 300 und dem Funktionsmodul 306 größer, gewählt als der Abstand 310 zwischen den zwei Batteriemodulen 300, da der hintere Rahmenquerträger 16 breiter ausgebildet ist als der vordere Rahmenquerträger 18.
Die beiden oberen Batteriemodule 300 sowie das weitere Funktionsmodul 306 der oberen Moduletage 214 sind hierbei derart auf dem unteren Batteriemodul 300 der unteren Moduletage 212 lösbar, aber fest befestigbar, dass die oberen Module 300 und 306 verlagerbar auf der unteren Moduletage 212 angeordnet sind, dass die Aufnahmeräume 203 jeweils eine variabel einstellbare Breite 310A (vgl. Bezugszeichen 310) besitzen.
Es hat sich im Rahmen vorliegender Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, dass die Positionen der oberen Module 300 bzw. 306 insbesondere in Abhängigkeit von elektrischen Anschlüssen oder dergleichen des unteren Moduls 300 gewählt werden können. So können Module 300 bzw. 306 der oberen Moduletage 214 mit dem Modul 300 der unteren Moduletage 212 konstruktiv sehr einfach und somit vorteilhaft wechselwirken, sei es elektrisch, fluidisch oder dergleichen.
Ferner weisen die Aufnahmeräume 203 eine Höhe 311 (nur exemplarisch in Figur 2 gezeigt) auf, so dass die Rahmenquerträger 16 bzw. 18 hinsichtlich ihrer Höhe (nicht eingezeichnet) vorzugsweise vollständig in dem jeweiligen Aufnahmeraum 203 verbracht werden können.
Das unterer Batteriemodul 300 weist einen länglichen Grundkörper 222 auf, welcher sich entlang der Längsachse 210 des modularen Batteriegehäuses 202 erstreckt, so dass die untere Moduletage 212 äußerst biegesteif ausgebildet ist.
Entsprechend sind an der oberen Moduletage 214 Aufbaukörper 224 auf die untere Moduletage 212 und damit auf den Grundkörper 222 aufgebaut angeordnet, wobei die Aufbaukörper 224 in diesem Ausführungsbeispiel die oberen Batteriemodule 300 und das weiterer Funktionsmodul 306 umfassen.
Derartige Batterieelemente 400A können bedarfsweise auch zu Batterieeinheiten 400 zusammengefasst werden. Hier weist das jeweilige Modulgehäuse 302 wenigstens zwei horizontal orientierte Aufnahmezeilen 314 (nur exemplarisch in Figur 2 beziffert) zum vertikalen Übereinanderanordnen von wenigstens zwei Batterieelementen 400A innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls 300 auf.
Darüber hinaus besitzt das jeweilige Modulgehäuse 302 des jeweiligen oberen Batteriemoduls 300 an der oberen Moduletage 214 eine einzige vertikal orientierte Aufnahmereihe 316 (nur exemplarisch in Figur 2 beziffert).
Im Gegensatz hierzu besitzt die das Modulgehäuse 302 des einzigen unteren Batteriemoduls 300 der unteren Moduletage 212 wenigstens zwei Aufnahmereihe 316.
Für ein vorteilhaft erhöhtes Tragvermögen weist die untere Moduletage 212 eine verstärkte Trägerstruktur 402 auf, insbesondere der längliche Grundkörper 222 hiervon.
Eine derartige verstärkte Trägerstruktur 402 weist etwa partiell vorgesehene Verstärkungsbereiche, Verstärkungselemente oder ähnliches auf, wie beispielsweise aufgedickte Wandbereiche, zusätzliche Verstrebungen oder dergleichen.
Mittels des modularen Batteriegehäuses 202 kann auch die Batterie 200 modular ausgelegt werden.
Die Batterie 200 ist insofern auch als modulare Batterie 200 ausgebildet und verfügt über einen länglichen Grundkörper 222 an ihrer Unterseite (untere Moduletage 212).
Oberhalb des länglichen Grundkörpers 222 sind in diesem Ausführungsbeispiel die drei Aufbaukörper 224 positioniert.
Zwei von diesen Aufbaukörpern 224 sind ebenfalls für die Aufnahme von Batterieelementen 400A ausgebildet.
Ein dritter kleinerer Aufbaukörper 224 ist zur Aufnahme einer Schutzeinrichtung und einer Überwachungsschaltung vorgesehen. Die Batterie 200 verfügt an längst ihrer Haupterstreckungsachse (vgl. Längsachse 210) an jeder Seite jeweils drei Montageelemente 208 (siehe Figur 1 ), mit welchen sie an den Tragrahmen 10 (rechter und linker Rahmenlängsträger 14, 16) von dem Elektrofahrzeug 100 fixiert werden kann.
Die Montageelemente 208 (vgl. Figur 1 ) sind zum Verschrauben mit den Rahmen- längsträgern 12, 14 des Elektrofahrzeugs 100 vorgesehen.
Zwischen den Aufbaukörpern 224 sind die zwei Aussparungen 203 angeordnet, wobei diese Aussparungen 203 derart positioniert sind, dass in diesem hierdurch jeweils bereitgestellten Bereich die Rahmenquerträger 16, 18 des Elektrofahrzeugs 100 verlaufen können.
Nach der Darstellung nach der Figur 2 ist die Batterie 200 aus Figur 1 noch ohne Batterieelemente 400A in einer Schnittdarstellung gezeigt. Am Boden der Batterie 200 bzw. des länglichen Grundkörpers 222 sind Verstrebungen 204 angeordnet, welche die Festigkeit des Batteriegehäuses 202 erhöhen.
In dem länglichen Grundkörper 222 sind seitlich Montagebereiche 206 angeordnet, welche zum Verbinden von Batterieeinheiten 400 mit dem Batteriegehäuse 202 vorgesehen sind.
Die Montagebereiche 206 sind als Schienenelemente (nicht nochmals beziffert) ausgebildet, welche von oben mit den Batterieelementen und/oder Batteriemodulen 300 bestückt werden können.
In den Aufbaukörpern 224 sind ebenfalls Montagebereiche 206 angeordnet. Die Montagebereiche 206 in den Aufbaukörpern 224 sind gegenüber den Montagebereichen 206 des länglichen Grundkörpers 222 um 90 Grad gedreht, also an den jeweiligen Stirnseiten angeordnet.
Insofern weisen der längliche Grundkörper 222 und die Aufbaukörper 224 entsprechend zueinander gedrehte Einschubrichtungen zum Einschieben von Batterieelementen 400A auf. Nach der Darstellung nach der Figur 3 ist die Batterie 200 aus den Figuren 1 und 2 von der Seite gezeigt. Zu sehen sind die Vielzahl von Batteriemodulen 300, welche mit Batterieelementen 400A bestückt sind.
In dieser Darstellung sind jeweils zwei bzw. drei Batterieelemente 400A in jeweils einem Batteriemodule 300 in einer Schnittdarstellung dargestellt sind.
Die Batteriemodule 300 weisen untereinander teilweise einen identischen Grundaufbau auf.
Es sind jeweils zwei bzw. drei Batterieelemente 400A zu jeweils einer Batterieeinheit 400 zusammengefasst.
Die Batterieelemente 400A stehen jeweils auf einer Trägerstruktur 402, welche als Kühlplatte 404 ausgebildet ist.
Die Kühlplatten 404 haben jeweils einen Flüssigkeitskanal 406, welcher von einem Kühlmedium, in diesem Fall einer Kühlflüssigkeit, durchströmt werden kann.
Jede der Trägerstrukturen 402 weist einen hier nicht explizit gezeigten Kühlmediumseingang und einen hier ebenfalls nicht explizit gezeigten Kühlmediumsausgang auf.
Die jeweils übereinander gestapelten Trägerstrukturen 402 sind in Serie an das Kühlmedium angekoppelt.
Das heißt, der Ablauf der untersten Trägerstruktur 402 ist an den Zulauf der darüber angeordneten Trägerstruktur 402 fluidisch angeschlossen bzw. mit diesem fluid wirkverbunden.
Die Flüssigkeitskanäle 406 sind außerhalb der Batterie 200 an ein hier nicht dargestelltes externes Kühlsystem des Elektrofahrzeugs 100 gekoppelt.
Durch dieses externe Kühlsystem wird von der der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme der Batterie 200 aufgenommen und kann beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden. Zu sehen sind elektrische Verbindungselemente 320 (siehe nur Figur 2), welche die jeweils übereinander gestapelten Batterieelemente 400A an ihren elektrischen Anschlusspolen 304 elektrisch kontaktieren.
Mit den elektrischen Verbindungselementen 320 sind die übereinander gestapelten Batterieelemente 400A in Serie miteinander verbunden.
In dem kleinen Aufbaukörper 224 (vgl. weiteres Funktionsmodul 306) sind keine Batterieeinheit 400 oder Batterieelemente 400A angeordnet.
Dieser kleine Aufbaukörper 224 ist für die Unterbringung der Schutzeinrichtung bzw. der Überwachungsschaltung vorgesehen, welche nach der Darstellung der Figur 3 jedoch noch eingebaut sind.
Jedenfalls ist nach der Darstellung nach der Figur 1 eine Anordnung aus dem Elektrofahrzeug 100 mit seinem Tragrahmen 10 aufweisend die zwei Rahmen- längsträger 12 und 14 und die zwei Rahmenquerträger 16 und 18, und aus dem modular aufgebauten Batteriegehäuse 202 mit seiner Vielzahl an Batteriemodulen 300, wobei sich die Anordnung insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Rahmenquerträger 16 und 18 zumindest teilweise innerhalb des modularen Batteriegehäuses 202 angeordnet sind.
Die hier gezeigte Ausführungsform stellt nur ein mögliches Beispiel für die vorliegende Erfindung dar und darf daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste
2 Fahrzeuglängsachse
4 Montageraum
10 Tragrahmen
12 rechter Rahmenlängsträger
14 linker Rahmenlängsträger
16 hinterer Rahmenquerträger
18 vorderer Rahmenquerträger
100 Elektrofahrzeug
102 Chassis bzw. tragendes Chassis
199 Brennstoffspeicher
200 Batterie
202 modulares Batteriegehäuse
203 Aussparungen bzw. Aufnahmeräume
204 Verstrebung
206 Montagebereich
208 Montageelement
210 Längsachse des modularen Batteriegehäuses
212 untere Moduletage
214 obere Moduletage
220 Kopfseiten
222 länglicher Grundkörper
224 Aufbaukörper
300 Batteriemodule
302 Modulgehäuse
304 elektrische Anschlusspole
306 weiteres Funktionsmodul
310 Abstand
310A variable Breite
311 Höhe
314 Aufnahmezeilen
316 Aufnahmereihen
320 elektrisch Verbindungselemente 400 Batterieeinheiten
400A Batterieelemente
402 Trägerstruktur 404 Kühlplatte
406 Flüssigkeitskanal

Claims

Patentansprüche
1 . Modulares Batteriegehäuse (202) für eine Batterie (200), insbesondere für eine Traktionsbatterie (199), für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, mit einer Längsachse (210), und mit einer Vielzahl an Batteriemodulen (300) mit jeweils einem Modulgehäuse (302), bei welcher Batteriemodule (300) in mindestens zwei Moduletagen (212, 214) vertikal übereinander angeordnet sind, wobei obere Batteriemodule (300) der oberen Moduletage (214) von einem unteren Batteriemodul (300) der unteren Moduletage (212) getragen werden, und wobei obere Batteriemodule (300) der oberen Moduletage (214) zur Aufnahme wenigstens eines Rahmenquerträgers (16, 18) eines Tragrahmens (10) des Elektrofahrzeugs (100) entlang der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) mit einem Abstand (310) voneinander beabstandet auf dem unteren Batteriemodul (300) der unteren Moduletage (212) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Aufnahmeraum (203) zur Aufnahme des wenigstens einen Rahmenquerträgers (16, 18) zwischen oberen Batteriemodulen (300) angeordnet ist. . Modulares Batteriegehäuse (202) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das modulare Batteriegehäuse (202) ein einziges unteres Batteriemodul (300) aufweist, auf welchem wenigstens zwei obere Batteriemodule (300) angeordnet sind.
3. Modulares Batteriegehäuse (202) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das modulare Batteriegehäuse (202) in Richtung seiner Längsachse (210) zwischen zwei Rahmenlängsträger (12, 14) des Tragrahmens (10) des Elektrofahrzeugs (100) anordenbar ist und dass andererseits wenigstens ein Rahmenquerträger (16, 18) des Tragrahmens (10) des Elektrofahrzeugs (100) in dem modularen Batteriegehäuse (202) anordenbar ist.
4. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum (203) in Richtung der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) verlagerbar an der oberen Moduletage (214) angeordnet ist.
5. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum (203) in Richtung der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) eine variabel einstellbare Breite (310A) aufweist.
6. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum (203) eine Höhe (311 ) aufweist, welche mindestens der Höhe (311 ) eines oberen Batteriemoduls (300) entspricht.
7. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum (203) unten von dem unteren Batteriemodul (300), insbesondere von dessen Modulgehäuse (302), und seitlich in Richtung der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) von oberen Batteriemodulen (300), insbesondere von Modulgehäusen (302) hiervon, begrenzt ist.
8. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum (203) oben und quer zur Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) offen ausgebildet ist.
9. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (310) zwischen zwei oberen Batteriemodulen (300) in Richtung der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (20) variabel einstellbar ist.
10. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das unterer Batteriemodul (300) einen länglichen Grundkörper (222) des modularen Batteriegehäuses (202) aufweist, welcher sich entlang der Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) erstreckt.
11. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Batteriemodule (300) jeweils einen Aufbaukörper (224) aufweisen, welche auf einem länglichen Grundkörper (222) des modularen Batteriegehäuses (202) angeordnet sind.
12. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (300) jeweils ein Modulgehäuse (300) zur Aufnahme von wenigstens einem Batterieelement (400), vorzugsweise von mehreren Batterieelementen (400), aufweisen.
13. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Modulgehäuse (300) eine Einschubrichtung zum Einschieben des wenigstens einen Batterieelements (400A) aufweist, wobei die Einschubrichtung quer zur Längsachse (210) des modularen Batteriegehäuses (202) angeordnet ist.
14. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Modulgehäuse (302) wenigstens zwei Aufnahmezeilen (314) zum vertikalen Übereinanderanordnen von wenigstens zwei Batterieelementen (400A) aufweist.
15. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Modulgehäuse (302) des jeweiligen oberen Batteriemoduls (300) der oberen Moduletage (214) eine einzige Aufnahmereihe (316) aufweist.
16. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (302) des unteren Batteriemoduls (300) der unteren Moduletage (212) wenigstens zwei Aufnahmereihe (316) aufweist, welche in Längsrichtung (210) des modularen Batteriegehäuse (202) horizontal nebeneinander angeordnet sind.
17. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (302) des unteren Batteriemoduls (300) eine Trägerstruktur (402) aufweist, mittels welcher die oberen Batteriemodule (300) getragen sind.
18. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Moduletage (214) in einem ersten Kopfbereich (220) des modulares Batteriegehäuses (202) schmaler baut als in einem dem ersten Kopfbereich (220) gegenüberliegenden zweiten Kopfbereich (220) des modulares Batteriegehäuses (202).
19. Batterie (200), insbesondere Traktionsbatterie (200), für ein Elektrofahrzeug (100), insbesondere für ein Elektrofahrzeug zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, wobei a. die Batterie (200) in einen Montageraum (4) des Elektrofahrzeugs (100) einsetzbar ist, und wobei b. die Batterie (200) über ein modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verfügt, und wobei c. die Batterie (200) über eine Vielzahl von Batteriemodulen (300) verfügt, und wobei d. die Batteriemodule (300) jeweils über ein Modulgehäuse (302) verfügen.
20. Modulares Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und/oder Batterie (200) nach Anspruch 19, wobei a. innerhalb des Modulgehäuses (302) jeweils n Zellen mit jeweils mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode angeordnet sind, und b. n größer gleich zwei ist.
21. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n Zellen Batterie- und/oder Kondensatorzellen sind.
22. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n im Bereich zwischen 100 und 400 ist, vorzugsweise zwischen 150 und 300, insbesondere bevorzugt zwischen 160 und 200.
23. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in Serie miteinander verbunden sind.
24. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (302) einen der elektrischen Anschlusspole (304) bildet.
25. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (300) untereinander einen identischen Grundaufbau aufweisen.
26. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in dem Modulgehäuse (302) untereinander identisch sind. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Batteriemodule (300) zu einer Batterieeinheit (400) zusammengefasst sind. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (400) über eine Trägerstruktur (402), auf der zwei Batteriemodule (300) angeordnet sind, verfügt. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (400) zum Einbau in das Batteriegehäuse (202) vorgesehen ist. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerstruktur (402) als Kühlplatte (404) ausgebildet ist. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerstruktur (402) mindestens einen Flüssigkeitskanal (406) aufweist, welcher von einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (200) mit einem externen Kühlsystem koppelbar ist, mittels welchem das Kühlmedium durch den Flüssigkeitskanal (406) durchströmt werden kann. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (202) zur Erhöhung der Festigkeit Verstrebungen (204) aufweist.
34. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (202) über Montagebereiche (206) verfügt, mittels welcher die Batterieeinheiten (400) und /oder die Batteriemodule (300) fest mit dem Batteriegehäuse (202) verbinden zu können.
35. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (202) zum Anpassen an unterschiedliche Montageräume (4) verschiedener Elektrofahrzeuge (100) und/oder an verschiedene Einbaupositionen modular aufgebaut ist.
36. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (200) über Aussparungen (203) für strukturelle Bauteile des Elektrofahrzeugs (100) verfügt.
37. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (400) und/oder das Batteriemodul (300) stapelbar ausgebildet ist bzw. sind, sodass mehrere Batterieeinheiten (400) und/oder Batteriemodule (300) übereinander an dem Batteriegehäuse (202) positioniert werden können.
38. Modulares Batteriegehäuse (202) und/oder Batterie (200) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. das Batteriegehäuse (202) ist zur Aufnahme von 20 bis 60 Batteriemodulen (300) vorgesehen b. das Batteriegehäuse (202) ist zur Aufnahme von 10 bis 30 Batterieeinheiten (400) vorgesehen c. die Batteriemodule (300) eine Nominalspannung von kleiner gleich
60 Volt aufweisen. Elektrofahrzeug (100), zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, zum Transport von Personen und/oder Gütern, insbesondere Lastkraftwagen, wobei: das Elektrofahrzeug (100) über einen Tragrahmen (10) als tragendes Chassis (102) verfügt, und wobei der Tragrahmen (10) über mindestens zwei Rahmenlängsträger (12, 14) verfügt, welche zumindest abschnittsweise parallel zu einer Fahrzeuglängsachse (2) verlaufen und quer zur Fahrzeuglängsachse (2) voneinander beabstandet sind, so dass zwischen den Rahmenlängsträgern (12, 14) entlang der Fahrzeuglängsachse (2) ein Montageraum (4) verbleibt, und wobei der Tragrahmen (10) über eine Vielzahl von Rahmenquerträgem (16, 18) verfügt, welche die Rahmenlängsträger (12, 14) untereinander verbinden und welche quer zur Fahrzeuglängsachse (2) verlaufen, und wobei das Elektrofahrzeug (100) über eine Antriebseinheit mit mindestens eine Achse (22) mit einem Differenzial (24) verfügt, welche mit dem Tragrahmen (10) verbunden ist, und wobei die Antriebseinheit über einen Elektromotor zum Antreiben der Achse (22) verfügt, und wobei das Elektrofahrzeug (100) über eine Batterie (200) zum Speichern von elektrischer Energie für den Elektromotor verfügt, wobei die Batterie (200) und/oder ein modulares Batteriegehäuse (202) hiervon in dem Montageraum (4) zwischen den Rahmenlängsträgern (12, 14) im parallel zur Fahrzeuglängsachse (2) angeordnet ist, und die Batterie (200) und/oder das modulare Batteriegehäuse (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 38 ausgebildet sind. Elektrofahrzeug (100) nach Anspruch 39, wobei das Elektrofahrzeug (100) über eine Brennstoffzelle als Energiequelle für den Elektromotor verfügt. Anordnung aus einem Elektrofahrzeug (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 39 oder 40, mit einem Tragrahmen (10) aufweisend wenigstens zwei Rahmenlängsträger (12, 14) und wenigstens einen Rahmenquerträger (16, 18) und aus einem modularen Batteriegehäuse (202), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 39, mit einer Vielzahl an Batteriemodulen (300), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger (16, 18) zumindest teilweise innerhalb des modularen Batteriegehäuses (202) angeordnet ist. Anordnung nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenquerträger (16, 18) quer durch das modulare Batteriegehäuse hindurchlaufend angeordnet ist, insbesondere von einem ersten Rahmenlängsträger (12, 14) zu einem dem ersten Rahmenlängsträger (12, 14) gegenüberliegend angeordneten zweiten Rahmenlängsträger (12, 14). Anordnung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger (16, 18) zwischen zwei Batteriemodulen (300) angeordnet ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass alle Batteriemodule (300) des modularen Batteriegehäuses (202) innen zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern (12, 14) angeordnet sind und dass das Batteriegehäuse (202) bzw. Halterungen hiervon außen an den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern (12, 14) befestigt sind.
45. Anordnung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Moduletage des Batteriegehäuses (202) bis zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängsträgern (12, 14) angeordnet ist, und eine untere Moduletage des Batteriegehäuses (202) bis unterhalb der wenigstens zwei Rahmenlängsträger (12, 14) angeordnet ist, insbesondere vollständig unterhalb der wenigstens zwei Rahmenlängsträger (12, 14).
46. Verfahren zum Anordnen eines modularen Batteriegehäuses (202) an einem Elektrofahrzeug (100), bei welchem das modulare Batteriegehäuse (202) mit fertig vormontierten Batteriemodulen (300) als Einheit von unten zwischen wenigstens zwei Rahmenlängsträgern (12, 14) des Elektrofahrzeugs (100) eingebracht wird, wobei während des Einbringens des modularen Batteriegehäuses (202) zwischen den wenigstens zwei Rahmenlängsträger (12, 14) wenigstens ein Rahmenquerträger (16, 18) des Elektrofahrzeugs (100) zwischen fertig vormontierten Batteriemodulen (300) verbracht wird.
47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger (16, 18) zumindest teilweise in das modulare Batteriegehäuse (202) hinein versenkt wird.
48. Verfahren nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger (16, 18) bis unterhalb einer Oberseite des modularen Batteriegehäuses (202) angeordnet wird.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rahmenquerträger (16, 18) bis oberhalb einer Oberseite einer unteren Moduletage des modularen Batteriegehäuses (202) und bis unterhalb einer Oberseite einer oberen Moduletage des modularen Batteriegehäuses (202) angeordnet wird.
50. Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass das modulare Batteriegehäuse (202) mit fertig vormontierten Batteriemodulen (300) ausschließlich innen zwischen wenigstens zwei Rahmen- längsträgern (12, 14) des Elektrofahrzeugs (100) angeordnet wird. Verwendung von Batteriemodulen (300) eines modularen Batteriegehäuses (202) zum Ausbilden eines Aufnahmeraums (203) für einen Rahmenquerträger (16, 18) eines Elektrofahrzeugs (100), insbesondere für ein Elektrofahrzeug (100) zugehörig der Gruppe mit Nutzfahrzeugen, Sonderfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.
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