-
Die Erfindung betrifft elektrische Energiespeicher für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung die Kosten- und Bauraum-effektive Anordnung von elektrischen Energiespeichern in einem mehrspurigen (insbesondere zweispurigen) Straßenkraftfahrzeug.
-
Elektrische Traktionsspeicher (z. B. Hochvolt (HV) oder Niedervolt (NV) Energiespeicher) für Fahrzeuge bestehen typischerweise aus standardisierten Speichermodulen mit einer bestimmten Anzahl von Speicherzellen (z. B. 12 Speicherzellen). Diese Speichermodule können in vielfältiger Weise miteinander verschaltet werden (z. B. können intern in einem Speichermodul 1, 2, 3, 4, oder 6 Speicherzellen parallel geschaltet werden; desweiteren kann eine beliebige Anzahl von Speichermodulen parallel geschaltet werden). Jedes Modul umfasst typischerweise eine eigene Kühleinheit, die mit dem Speichermodul verklebt sein kann. Alternativ kann für eine Vielzahl von Speichermodulen eine gemeinsame Kühleinheit bereitgestellt werden, die mittels einer separaten Druckfeder an die Speichermodule gedrückt wird, um das Kühlmodul mit den Speichermodulen zu kontaktieren.
-
Die Verwendung von einer Vielzahl von separaten, standardisierten Speichermodulen in einem Fahrzeug führt zu einem relativ hohen Bedarf an Bauraum. Desweiteren führt die Verwendung von einer Vielzahl von Speichermodulen zu einem relativ hohen Aufwand für die Anbindung an eine Tragstruktur des Fahrzeugs und für die Kühlung.
-
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, den Aufwand und den Bauraum für den Verbau von elektrischen Energiespeichern in einem Fahrzeug, insbesondere in einem mehrspurigen Straßenfahrzeug, zu reduzieren.
-
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem Aspekt wird ein Speichermodul für ein Fahrzeug beschrieben. Das Speichermodul ist eingerichtet, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu speichern. Das Speichermodul umfasst eine Vielzahl von plattenförmigen, elektrischen Speicherzellen, die in eine Längsrichtung des Speichermoduls hochkant nebeneinander angeordnet sind. Dabei kann eine Speicherzelle z. B. ein oder mehrere Lilonen-Zellen umfassen. Die Speicherzelle kann eine Leerlaufspannung aufweisen, die von der Zellentechnologie abhängt. Typische Leerlaufspannungen liegen im Bereich von 3–4 V. Die Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen kann auch als Stapel von Speicherzellen bezeichnet werden. Die Speicherzellen können dabei ähnlich wie Bücher in einem Bücherregal nebeneinander angeordnet sein.
-
Das Speichermodul umfasst weiter ein Gehäuse, das die Vielzahl von plattenförmigen Speicherzellen in Längsrichtung an zumindest zwei, einander gegenüberliegenden, Seiten umschließt. Insbesondere kann das Gehäuse zumindest zwei Gehäusewände umfassen, die an zwei Seiten der Vielzahl von plattenförmigen Speicherzellen in Längsrichtung angeordnet sind. Das Gehäuse ist dabei derart ausgebildet, dass es Zugkräfte in Längsrichtung aufnehmen kann. So kann mittels Druckplatten ein Druck auf die Vielzahl von Speicherzellen ausgeübt werden, um die Speicherzellen zusammenzupressen, und um so ein kompaktes Speichermodul bereitzustellen. Desweiteren ist das Gehäuse derart ausgebildet, dass das Gehäuse das Speichermodul gegen Durchbiegen quer zu der Längsrichtung (d. h. in vertikaler Richtung bzw. Z-Richtung in Bezug auf das Fahrzeug, in das das Speichermodul eingebaut werden soll) versteift. Somit kann das Speichermodul auch bei Verwendung einer relativ hohen Anzahl von Speicherzellen selbstragend ausgebildet sein. Insbesondere kann so ein vertikales Durchbiegen des Speichermoduls (durch vertikal wirkende Kräfte) im eingebauten Zustand im Fahrzeug vermieden werden.
-
Das Speichermodul umfasst weiter zwei Druckplatten, die an, in Längsrichtung entgegengesetzten, Enden bzw. Stirnflächen des Speichermodules angeordnet sind, und die eingerichtet sind, in Zusammenwirken mit dem Gehäuse die Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen zusammenzudrücken. Insbesondere kann der Stapel von Speicherzellen mittels der Druckplatten zusammengedrückt werden, um die Speicherzellen zu kompaktieren. Desweiteren kann durch die Druckplatten verhindert werden, dass die Speicherzellen ausbauchen, was sich negativ auf die Lebensdauer der Speicherzellen auswirken könnte. Die Druckplatten können dann (im zusammengedrückten Zustand) an dem Gehäuse befestigt werden (z. B. können die Druckplatten mit dem Gehäuse verschweißt werden), so dass die Speicherzellen in dem kompaktierten Zustand verbleiben.
-
Es kann somit ein selbstragendes Speichermodul mit einer relativ hohen Anzahl von Speicherzellen bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Speichermodul 40 oder mehr plattenförmige Speicherzellen umfassen, die hochkant nebeneinander angeordnet sind. So können relativ lange Speichermodule bereitgestellt werden (in diesem Dokument auch als Langmodule bezeichnet), die in Bauraum- und Kosteneffizienter Weise in einem Fahrzeug verbaut werden können.
-
Das Gehäuse kann insbesondere einen ersten Zuganker und einen zweiten Zuganker umfassen, die an einander gegenüberliegenden Seiten in Längsrichtung entlang der Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen angeordnet sind. Der erste Zuganker und der zweite Zuganker weisen dabei ein abgewinkeltes Profil auf, das das Speichermodul gegen Durchbiegen quer zu der Längsrichtung (d. h. in vertikaler Richtung bzw. Z-Richtung in Bezug auf das Fahrzeug, in das das Speichermodul eingebaut werden soll) versteift. Der erste Zuganker und der zweite Zuganker können zu diesem Zweck ein an den Kanten abgewinkeltes Profil aufweisen, wobei die Kanten in Längsrichtung entlang der Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen verlaufen. Insbesondere können der erste Zuganker und der zweite Zuganker ein U-Profil oder ein Doppel-T-Profil aufweisen.
-
Desweiteren können der erste Zuganker und der zweite Zuganker ggf. durch ein einziges Bauteil bereitgestellt werden. Beispielsweise können der erste Zuganker und der zweite Zuganker über einen Steg miteinander verbunden sein. So kann der Aufwand für die Bereitstellung eines Speichermoduls reduziert werden.
-
Desweiteren können die Zuganker Flächen aufweisen, die jeweils eine Seite des Stapels von Speicherzellen abdecken. Ausgehend von diesen Flächen kann jeweils ein U-Profil oder ein Doppel-T-Profil die Kanten des Stapels von Speicherzellen in Längsrichtung umschließen. Mittels der Zuganker kann so ein selbsttragendes Speichermodul bereitgestellt werden.
-
Das Fahrzeug, in das das Speichermodul eingebaut werden soll, kann eine maximale verfügbare Einbaulänge zum Einbau von Speichermodulen aufweisen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, über die gesamte Breite des Fahrzeugs (quer zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs) Speichermodule einzubauen, so dass die maximal verfügbare Einbaulänge der gesamten Breite des Fahrzeugs entspricht. Alternativ oder ergänzend kann es vorgesehen sein, über eine bestimmte Länge des Fahrzeugs (in Fahrtrichtung) Speichermodule einzubauen, so dass diese Länge der maximal verfügbaren Einbaulänge entspricht. Aufgrund der selbsttragenden Eigenschaft des Speichermoduls und insbesondere aufgrund der Verwendung von Zugankern mit einem Doppel-T Profil bzw. mit einem U-Profil wird es ermöglicht, dass die Länge des Speichermoduls in Längsrichtung der maximal verfügbaren Einbaulänge im Fahrzeug entspricht. Beispielsweise kann sich das Speichermodul über die gesamte verfügbare Breite bzw. Länge eines Fahrzeugs erstrecken. Es wird somit ermöglicht, das Speichermodul in Bauraum- und Kosten-effizienter Weise am Fahrzeug zu befestigen (z. B. direkt an den Längs- und/oder Querträgern des Fahrzeugs).
-
Das Speichermodul kann eine Zwischendruckplatte zwischen zwei (oder mehr) Teilgruppen von Speicherzellen der Vielzahl von Speicherzellen umfassen. Insbesondere kann das Speichermodul eine Vielzahl von Teilgruppen von Speicherzellen umfassen, wobei zwischen jeder der Vielzahl von Teilgruppen jeweils mindestens eine Zwischendruckplatte angeordnet ist. Die Zwischendruckplatte ist dabei (im kompaktierten Zustand) an dem Gehäuse fixiert (z. B. verschweißt). Die Zwischendruckplatte kann ein T-Profil aufweisen, um zumindest eine Speicherzelle an einer Seite zu stützen. Durch eine Zwischendruckplatte können die Speicherzellen innerhalb des Speichermoduls besser fixiert werden, gegen Aufwölbung geschützt werden und/oder in vertikaler Richtung gestützt werden. So können die selbsttragenden Eigenschaften des Speichermoduls weiter verbessert werden.
-
Die Vielzahl von Speicherzellen kann in mindestens zwei Teilgruppen aufgeteilt sein. Dabei können die Speicherzellen der Teilgruppen jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sein, wobei eine (verschaltete) Teilgruppe von Speicherzellen eine elektrische Spannung aufweist, die kleiner als oder gleich wie 60 V ist. Die mindestens zwei Teilgruppen können derart ausgebildet sein, dass die mindestens zwei Teilgruppen über eine trennbare Steckverbindung, insbesondere über einen Jumper, elektrisch in Reihe geschaltet werden können. Es wird somit ermöglicht, das Speichermodul (bei getrennter Steckverbindung) in sicherer Weise zu verbauen. Erst bei Inbetriebnahme innerhalb des Fahrzeugs können dann über die Steckverbindung Spannungen im HV-Bereich aktiviert werden.
-
Das Speichermodul umfasst typischerweise eine Kühleinheit, die eingerichtet ist, die Vielzahl von Speicherzellen zu kühlen (mittels eines Kühlmediums). Dabei kann die Kühleinheit bereits vor Einbau des Speichermoduls in ein Fahrzeug in das Speichermodul verbaut werden. Insbesondere kann die Kühleinheit fest mit dem Speichermodul verbunden (z. B. verklebt) werden. Die Kühleinheit umfasst eine Kühlplatte, die sich in Längsrichtung entlang einer (als gekühlte Seite bezeichneten) Seite der Vielzahl von Speicherzellen erstreckt. Desweiteren umfasst die Kühleinheit zumindest einen Zulauf- und/oder Ablaufflansch, über den ein Kühlmedium zu der Kühlplatte hin und/oder von der Kühlplatte weg befördert werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein mehrspuriges (insbesondere zweispuriges) Straßenkraftfahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das eine elektrische Maschine zum Antrieb des Straßenkraftfahrzeugs umfasst. Desweiteren umfasst das Straßenkraftfahrzeug ein in diesem Dokument beschriebenes Speichermodul, das eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine bereitzustellen.
-
Das Straßenfahrzeug kann einen Längsträger und/oder einen Querträger umfassen. Das Speichermodul (insbesondere das Gehäuse des Speichermoduls) kann dabei direkt an dem Längsträger und/oder dem Querträger befestigt sein.
-
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1a eine beispielhafte Anordnung von Speichermodulen in einem Fahrzeug;
-
1b ein beispielhaftes Langmodul für ein Fahrzeug;
-
1c eine beispielhafte Anbindung eines Langmoduls an einen Träger eines Fahrzeugs;
-
2a einen beispielhaften Zuganker für ein Langmodul;
-
2b eine beispielhafte Anordnung von Speicherzellen in einem Langmodul; und
-
3a, 3b, 3c zeigen weitere Ansichten eines beispielhaften Langmoduls.
-
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bauraum- und Kosten-effizienten Anordnung von elektrischen Energiespeichern in einem Fahrzeug. Die elektrischen Energiespeicher werden dabei zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb eines Antriebsmotors des Fahrzeugs verwendet.
-
Typischerweise werden in einem Fahrzeug mehrere, gleich aufgebaute, Speichermodule 100 verbaut (wie in 1a dargestellt). Die Speichermodule 100 weisen dabei typischerweise Außenabmessungen von weniger als 50 cm bzw. 70 cm in allen Richtungen auf. Die Speichermodule 100 umfassen eine Vielzahl von Speicherzellen (z. B. 12 Speicherzellen). Die Speicherzellen werden durch Zuganker 102 und Druckplatten 101 zusammengepresst, um ein kompaktiertes Speichermodul 100 zu bilden. Die einzelnen Speicherzellen können über elektrische Kontakte 103 an eine elektrische Antriebsmaschine bzw. an Leistungselektronik des Fahrzeugs angeschlossen werden.
-
Die Verwendung von einer Vielzahl von Speichermodulen 100 erfordert einen relativ hohen Bedarf an Bauraum. Insbesondere werden für jedes Speichermodul 100 jeweils 2 Druckplatten 101 benötigt. Desweiteren werden für die einzelnen Speichermodule 100 separate Kühleinheiten benötigt. Alternativ kann anhand von Federn eine gemeinsame Kühlschiene an die separaten Speichermodule 100 angepresst werden, was jedoch zusätzlichen Bauraum und zusätzliche Komponenten erfordert. Es ergibt sich somit ein relativ hoher Aufwand für die Kühlung der Speichermodule 100. Desweiteren erfordert die Anbindung der Speichermodule 100 an das Fahrzeug typischerweise eine dedizierte Tragstruktur, was ebenfalls mit einem relativ hohen Aufwand verbunden ist.
-
1b zeigt ein modifiziertes Speichermodul 110 (in diesem Dokument als Langmodul bezeichnet), das eine erhöhte Anzahl von Speicherzellen umfasst, und das speziell an die Dimensionen eines bestimmten Fahrzeugs angepasst werden kann. Das Langmodul 110 kann z. B. eine Länge (senkrecht zu den gestapelten Speicherzellen) von 1 m bis 1,2 m bzw. 1,5 m aufweisen. Das Langmodul 110 umfasst z. B. 48 Speicherzellen oder mehr. Dabei kann das Langmodul 110 derart ausgebildet sein, dass es bei einer Queranordnung (d. h. quer zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs) substantiell die gesamte Fahrzeugbreite einnimmt. Alternativ kann das Langmodul 110 bei einer Längsanordnung (in Fahrtrichtung) den maximal möglichen Bauraum in Längsrichtung einnehmen.
-
Die Speicherzellen des Langmoduls 110 können in einem Gehäuse 112 angeordnet sein, wobei das Gehäuse Zuganker umfasst. Die Speicherzellen können durch Druckplatten 111 innerhalb des Gehäuses 112 zusammengepresst werden, um eine Einheit zu bilden. Ggf. kann das Langmodul 110 zwischen Teilgruppen von Speicherzellen Zwischendruckplatten 114 umfassen, um eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung innerhalb des Langmoduls 110 zu erreichen und um das Langmodul 110 zu stabilisieren. Durch Zwischendruckplatten 114 können Vertikalkräfte eines Zellstapels (d. h. einer Gruppe von Speicherzellen) an tragenden Zugankern des Gehäuses 112 abgestützt werden.
-
Das Langmodul 110 kann selbsttragend ausgeführt werden. Es wird so ermöglicht, dass das Langmodul 110 z. B. ausschließlich über die Druckplatten 111 am Fahrzeug (z. B. an einem Längsträger) des Fahrzeugs befestigt wird. So kann der Aufwand für den Einbau eines elektrischen Energiespeichers im Fahrzeug reduziert werden.
-
Ein Langmodul 110 kann zusammen mit einer einzigen Kühleinheit in einem Stück vormontiert werden. Insbesondere kann dabei die Kühleinheit mit dem Langmodul verklebt werden, wodurch eine Bauraum-effiziente Anordnung im Fahrzeug ermöglicht wird.
-
Die einzelnen Speicherzellen des Langmoduls 110 können über Kontakte 113 mit einer elektrischen Maschine bzw. Leistungselektronik des Fahrzeugs verbunden werden. Die Kontakte 113 eines Langmoduls 110 können ggf. für den Einbau in das Fahrzeug nur teilweise miteinander verbunden sein. Insbesondere können nur Teilgruppen der Speicherzellen eines Langmoduls 110 miteinander in Reihe geschaltet sein, so dass die Spannung an einer Teilgruppe von Speicherzellen im NV-Bereich (z. B. bei 60 V oder weniger) liegt (ggf. können darüber hinaus zumindest einige Speicherzellen innerhalb eines Langmoduls 110 parallel geschaltet sein). Desweiteren können Jumper vorgesehen werden, durch die zwei Teilgruppen von Speicherzellen miteinander in Reihe geschaltet werden können. So kann das Handling eines Langmoduls 110 bei Montage, Lagerhaltung und Service vereinfacht werden, da erst durch das Stecken der Jumper ein HV-Energiespeicher entsteht.
-
Wie in 2a dargestellt, kann ein selbstragendes Langmodul 110 durch die Verwendung von Zugankern 201 bereitgestellt werden, die ein Doppel-T-Profil oder (wie in 2a dargestellt) ein U-Profil aufweisen. Das heißt, durch die Verwendung von Zugankern 201 mit einem, an den Kanten in Längsrichtung, abgewinkelten Profil, kann ein selbstragendes Langmodul 110 bereitgestellt werden. Die Speicherzellen 155 können von zwei Zugankern 201 an zwei gegenüberliegenden Seiten eingeschlossen sein. Dabei können die Zuganker 201 derart angeordnet sein, dass die Zuganker 201 im eingebauten Zustand im Fahrzeug in vertikaler Richtung verlaufen (wie in 2a dargestellt). An der Unterseite bzw. Oberseite können die Speicherzellen 155 dann direkt durch eine Kühleinheit (insbesondere durch eine Kühlplatte) kontaktiert sein. Desweiteren können die elektrischen Kontakte 113 der Speicherzellen an der Oberseite bzw. Unterseite angeordnet sein. Durch das T-Profil bzw. das U-Profil der Zuganker 201 wird das Langmodul 110 selbsttragend. Mit anderen Worten, die Zuganker 201 können verstärkt ausgeführt werden, um nicht nur Zugkräfte aufzunehmen, sondern um zusätzlich das Langmodul 110 gegen Durchbiegen (in vertikaler Richtung vom Fahrzeug zu einer Fahrbahn, auf der das Fahrzeug fährt) zu versteifen.
-
2b zeigt ein Langmodul 110 in einer Draufsicht (von Oben bzw. Unten). Zur Stabilisierung des Langmoduls 110 können zwischen Teilgruppen von Speicherzellen 155 Zwischendruckplatten 114 eingefügt werden, die an den Zugankern 201 befestigt werden, um die Speicherzellen 155 abzustützen. Die Zwischendruckplatten 114 können dabei ein Doppel-T-Profil aufweisen, um die an eine Zwischendruckplatte 114 angrenzende Speicherzelle 155 in vertikaler Richtung zu stützen.
-
Ein Langmodul 110 kann derart ausgebildet sein, dass das Langmodul 110 direkt an einen Träger 160 (insbesondere an Längsträger und/oder Querträger) des Fahrzeugs befestigt werden kann (siehe 1c). Durch die Verwendung von Zugankern 201, die abgewinkelte Profile entlang der Kanten zwischen zwei Druckplatten 111 aufweisen, kann das Langmodul 110 selbsttragend ausgestaltet sein, so dass neben einer Anbindung (z. B. Verschraubung) an einen Träger 160 des Fahrzeugs keine weiteren tragenden Elemente erforderlich sind.
-
3a, 3b und 3c zeigen weitere Ansichten eines beispielhaften Langmoduls 110. Insbesondere ist aus den 3a, 3b und 3c deutlich das abgewinkelte Profil (insbesondere ein U-Profil) der Zuganker 201 zur Bereitstellung eines selbsttragenden Speichermoduls ersichtlich.
-
Die Bereitstellung eines, an die Struktur eines Fahrzeugs angepassten, Langmoduls 110 ermöglicht eine erhöhte Energiedichte, da die Anzahl von Druckplatten 111 der Speichermodule 110 in einem Fahrzeug reduziert werden kann. Desweitern können weitere Passivteile für die Anbindung der Speichermodule 110 an das Fahrzeug eingespart werden. Außerdem können die Kosten und der Bauraum für die Kühlung von Speichermodulen 110 reduziert werden. Insbesondere kann eine Kühleinheit an dem Langmodul 110 vormontiert (z. B. geklebt) werden, so dass Bauraum (insbesondere die Bauhöhe) und Aufwand für Federn entfallen. Die Verwendung eines Langmoduls 110 führt darüber hinaus zu einem Gewichtsgewinn im Fahrzeug, da eine direkte Befestigung an Trägern 160 des Fahrzeugs ermöglicht wird, und da eine dedizierte Tragstruktur für einzelne Speichermodule 100 entfällt.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
