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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrifiziert werden kann und insbesondere ein Hybrid- oder Batterieelektro-Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
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Aus
DE 10 2011 015 152 A1 ist eine aus mehreren flachen Taschen-Batteriezellen zusammengesetzte Kraftfahrzeugbatterie bekannt. Die einzelnen Taschenbatteriezellen liegen an ihren Flachseiten über ein stoßdämpfendes Dämpfungselement aneinander an, wobei das Dämpfungselement aus einem Kunststoff mit wärmeleitfähigen Füllmaterialen hergestellt sein kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis eine Kraftfahrzeugbatterie zu kühlen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Kühlung einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Kraftfahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einem Batterieboden zur Wärmeabfuhr, einem mit dem Batterieboden verbundenen Batterierahmen, mindestens einem auf dem Batterieboden abgestellten und in den Batterierahmen eingesetzten Batteriemodul und einer thermischen Kontakteinrichtung zur thermischen Kontaktierung sowohl einer seitlichen Stirnseite des Batteriemoduls als auch einer seitlichen Längsseite des Batteriemoduls mit dem Batterierahmen.
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Die Kontakteinrichtung ermöglicht es in dem Batteriemodul durch das Laden und Entladen von Batteriezellen entstehende Wärme über die Seitenwände des Batteriemoduls an den Batterierahmen abzuleiten. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass der, insbesondere aus einem metallischen Material hergestellte, Batterierahmen selber ebenfalls gut wärmeleitend ist und mit Hilfe der Kontakteinrichtung zumindest als passiver Kühler für das Batteriemodul verwendet werden kann. Das Batteriemodul kann dadurch nicht nur mit Hilfe des Batteriebodens über den Boden sondern auch mit Hilfe der Kontakteinrichtung und den Batterierahmen über die Seitenflächen gekühlt werden. Gegebenenfalls kann das Batteriemodul mit Hilfe eines aktiv und/oder passiv gekühlten Batteriedeckels abgedeckt sein, so dass das Batteriemodul mit Hilfe des Batteriedeckels auch über die Decke gekühlt werden kann. Durch die Kontakteinrichtung kann ein thermisch isolierender Luftspalt zwischen dem Batteriemodul und dem Batterierahmen vermieden werden und eine verbesserte Wärmeabfuhr über den Batterierahmen erreicht werden. Mit Hilfe der Kontakteinrichtung kann das Batteriemodul auch über seine Seitenflächen gekühlt werden, so dass eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer guten Kühlung ermöglicht ist.
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Das Batteriemodul weist insbesondere mehrere Batteriezellen auf, die insbesondere als flache Taschenbatteriezellen ausgestaltet sind. Das Batteriemodul ist vorzugsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet. Vorzugsweise sind mehrere Taschenbatteriezellen hintereinander angeordnet, so dass die mehreren nebeneinander positionierten kleineren Schmalseiten der Taschenbatteriezellen mit einer seitlichen Längsseite des im Wesentlichen quaderförmigen Batteriemoduls und die hintereinander angeordneten größeren Stirnseiten mit einer seitlichen schmalen Stirnseite des im Wesentlichen quaderförmigen Batteriemoduls korrespondieren. Mit Hilfe der Kontakteinrichtung kann über die Längsseite des Batteriemoduls eine thermische Kontaktierung der Schmalseiten der Taschenbatteriezellen erreicht werden, so dass auch innere Taschenbatteriezellen unmittelbarer gekühlt werden können, ohne dass es erforderlich ist, dass die innere Taschenbatteriezellen ihre Wärme an die Stapelenden der hintereinander gestapelten Taschenbatteriezellen leiten müssen. Eine Temperaturverteilung innerhalb des Batteriemoduls kann dadurch vergleichmäßigt werden, so dass den Wirkungsgrad beeinträchtigende Temperaturspitzen vermieden werden können. Vorzugsweise ist die Kontakteinrichtung mit sämtlichen Seitenflächen des Batteriemoduls thermisch kontaktiert. Beispielsweise kann die Kontakteinrichtung das Batteriemodul rahmenförmig umgreifen und hierbei beide seitlichen Stirnseiten und beide seitlichen Längsseiten des Batteriemoduls thermisch kontaktieren. Die Kontakteinrichtung kann einzelne Kontaktelemente aufweisen, deren Größe vorzugsweise mit der jeweiligen zugeordneten Seitenfläche des Batteriemoduls korrespondiert. Die Kontaktelemente können über den Batterierahmen thermisch miteinander gekoppelt sein, so dass sich lokale Temperaturunterschiede ausgleichen können. Vorzugweise sind die Kontaktelemente direkt miteinander thermisch gekoppelt. Besonders bevorzugt sind Kontaktelemente, die verschiedene Seitenflächen des Batteriemoduls thermisch anbinden, einstückig ausgeführt. Die Kontakteinrichtung kann beispielsweise winkelig ausgeführte Kontaktelemente aufweisen.
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Der Batterierahmen ist beispielsweise dazu ausgestaltet, dass ein Batteriedeckel oder ein Rückhalteansatz zum verliersicheren Zurückhalten des Batteriemoduls in dem Batterierahmen mit dem Batterierahmen vorzugsweise lösbar befestigt, beispielsweise verschraubt, sein kann. Der Batterierahmen kann hierzu eine entsprechend große Wanddicke aufweisen, wodurch der Batterierahmen gleichzeitig eine entsprechend große Wärmemenge aufnehmen kann und das Kühlen des Batteriemoduls verbessert ist.
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Insbesondere ist die Kontakteinrichtung aus einen wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial ausgebildet. Das Kunststoffmaterial ist insbesondere elektrisch nicht-leitend, so dass ein elektrischer Kurzschluss der einzelnen Batteriezellen über die Kontakteinrichtung vermieden werden kann. Gleichzeitig kann das Kunststoffmaterial eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die es ermöglicht die Wärme der Batteriezellen des Batteriemoduls abzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere höher als bei Luft. Geeignete Materialien und Materialeigenschaften des Kunststoffmaterials sind insbesondere im Absatz 0020 von
DE 10 2011 015 152 A1 beschrieben, auf dessen Inhalt hiermit als Teil der Erfindung Bezug genommen wird.
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Vorzugsweise weist das Kunststoffmaterial wärmeleitende und elektrisch nicht-leitende Füllstoffe auf, insbesondere hexagonales Bornitrid. Zusätzlich oder alternativ können als Füllstoff ein- und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen oder ähnliche Füllstoffe verwendet werden, die eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 3000 W/mK und theoretisch bis ca. 6600 W/mK aufweisen können. Durch derartige Füllstoffe kann die Wärmeleitfähigkeit signifikant erhöht werden, vorzugsweise ohne durch die Füllstoffe die Kontakteinrichtung elektrisch leitend zu machen.
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Besonders bevorzugt ist das Kunststoffmaterial als aufgeschäumter Schaum ausgestaltet. Das Kunststoffmaterial kann dadurch leicht komprimiert werden und eine flächige Anlage an dem Batteriemodul und/oder an dem Batterierahmen ermöglichen, die durch den flächigen Kontakt einen guten Wärmeübergang ermöglicht. Insbesondere ist es möglich zunächst das Batteriemodul in den Rahmen einzusetzen und auf dem Batterieboden abzusetzen und erst nachfolgend einen Zwischenraum zwischen dem Batteriemodul und dem Batterierahmen mit dem Kunststoffmaterial auszuschäumen.
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Insbesondere ist in das Kunststoffmaterial eine, insbesondere metallische, Stützstruktur zur Formgebung der Kontakteinrichtung eingebracht, wobei insbesondere die Stützstruktur vollständig von dem Kunststoffmaterial eingehüllt ist. Die Stützstruktur kann dem Kunststoffmaterial eine zusätzliche Formfestigkeit geben, die beispielsweise ein versehentliches Wegknicken der Kontakteinrichtung bei der Montage des Batteriemoduls vermeiden kann. Zudem kann die Stützstruktur durch ihre eigene Wärmeleitfähigkeit die aufgenommene Wärme leicht über die gesamte Erstreckung der Kontakteinrichtung verteilen, wodurch die Wärmeabfuhr begünstigt wird. Die Stützstruktur ist insbesondere als ein Gitter, beispielsweise mit in vertikaler und in horizontaler Richtung verlaufenden sich kontaktierend kreuzenden Streben, ausgestaltet. Insbesondere ist die Stützstruktur von dem Kunststoffmaterial umspritzt und/oder umschäumt.
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Vorzugsweise weist die Kontakteinrichtung in den Batterierahmen eingreifende, insbesondere metallische, Befestigungsstücke zur lagegenauen Positionierung in dem Batterierahmen auf. Die Befestigungsstücke können beispielsweise als abstehende Ansätze ausgestaltet sein, die in korrespondierende Nuten des Batterierahmens eingesetzt werden können. Die Befestigungsstücke können insbesondere teilweise in ein Kunststoffmaterial der Kontakteinrichtung hineinragen und mit dem hineinragenden Teil vorzugsweise verliersicher umspritzt und/oder umschäumt sein.
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Besonders bevorzugt weist die Kontakteinrichtung ein Bodenstück zur thermischen Kontaktierung des Batteriemoduls mit dem Batterieboden auf. Die Kontakteinrichtung kann dadurch zusätzlich zum Batterierahmen auch an dem, vorzugsweise aktiv gekühlten, Batterieboden thermisch angekoppelt sein. Beispielweise kann die Kontakteinrichtung hierzu mit einer nach vertikal unten weisenden Bodenseite flächig an dem Batterieboden anliegen. Die Kühlung des Batteriemoduls ist dadurch verbessert.
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Insbesondere ist die Kontakteinrichtung zwischen dem Batteriemodul und dem Batterierahmen verpresst. Die Kontakteinrichtung ist vorzugsweise elastisch verformbar, beispielsweise als Schaum, ausgestaltet. Ein Luftspalt zwischen dem Batteriemodul und dem Batterierahmen kann insbesondere eine Presspassung für die Kontakteinrichtung ausbilden. Durch die verpresste Aufnahme der Kontakteinrichtung kann ein guter Wärmekontakt mit einem geringen Wärmeübergangswiderstand erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der Batterierahmen zur Wärmeabfuhr thermisch an dem Batterieboden angekoppelt. Dadurch kann der von der Kontakteinrichtung an den Batterierahmen übertragene Wärmeanteil des Wärmestroms an den, insbesondere aktiv gekühlten, Batterieboden weitergeleitet werden. Der Batterierahmen und die Kontakteinrichtung können dadurch über den Batterieboden gekühlt werden, wodurch die Kühlleistung steigen kann.
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Besonders bevorzugt weist der Batterieboden einen Kühlkanal zur Kühlung des Batteriemoduls auf, wobei insbesondere der Kühlkanal einen Zulauf zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit und einen Ablauf zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweist. Der Batterieboden kann dadurch aktiv, beispielsweise mit Kühlwasser oder Kühlöl, temperiert, insbesondere gekühlt, werden. Das Batteriemodul kann dadurch auf einen Temperaturbereich in der Nähe der optimalen Betriebstemperatur temperiert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Kraftfahrzeugbatterie,
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2: eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Kraftfahrzeugbatterie und
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3: eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Kraftfahrzeugbatterie.
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Die in 1 dargestellte Kraftfahrzeugbatterie 10, die insbesondere eine Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Batterieelektro-Kraftfahrzeugs ist, weist einen Batterieboden 12 mit einem Kühlkanal 14 auf, durch den eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, um den Batterieboden 12 zu temperieren, insbesondere aktiv zu kühlen. Der Batterieboden 12 kann an seiner Unterseite mit einem massiv ausgeführten Unterbodenschutz 16 versehen sein, der als Schlagschutz dienen kann, so dass der Batterieboden 12 auch als Unterboden des Kraftfahrzeugs dienen kann.
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Auf den Batterieboden 12 ist ein Batterierahmen 18 aufgesetzt, in den ein Batteriemodul 20 eingesetzt und auf den Batterieboden 12 abgesetzt werden kann. Mit dem Batterierahmen 18 können Rückhalteansätze 22 und/oder ein Batteriedeckel verschraubt sein, um das Batteriemodul 20 verliersicher zwischen dem Batterieboden 12 und den Rückhalteansätze 22 in dem Batterierahmen 18 zurückzuhalten.
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Das im Wesentlichen quaderförmige Batteriemodul 20 ist in eine Kontakteinrichtung 24 eingesetzt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere elastisch komprimierbare und zu einem Großteil aus einem gut wärmeleitenden Kunststoffmaterial hergestellte Kontaktelemente 26 aufweist. Die Kontaktelemente 26 der Kontakteinrichtung 24 können jeweils flächig an den langen und kurzen Seitenflächen des im Wesentlichen quaderförmigen Batteriemoduls und des jeweils gegenüberliegenden Teils des Batterierahmens flächig anliegen. Zusätzlich liegt ein Kontaktelement 26 der Kontakteinrichtung 24 an einer Unterseite des Batteriemoduls und dem Batterieboden 12 flächig an. Die Kontaktelemente 26 der Kontakteinrichtung 26 können als Seitenstücke zwischen dem Batteriemodul und dem Batterierahmen beziehungsweise als Bodenstück zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Batterieboden mit Presspassung verpresst sein, so dass sich über die Kontakteinrichtung 24 ein gute Wärmeabfuhr von dem Batteriemodul 20 an den Batterierahmen 18 und den Batterieboden 12 ergeben kann. Der flächig auf dem Batterieboden 12 aufliegende Batterierahmen 18 kann ebenfalls von dem aktiv gekühlten Batterieboden 12 gekühlt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 26 der Kontakteinrichtung 24 zueinander beabstandet und nur mittelbar über den Batterierahmen 18 und/oder den Batterieboden 12 miteinander thermisch gekoppelt.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Kraftfahrzeugbatterie 10 ist im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform der Kraftfahrzeugbatterie 10 die Kontakteinrichtung 24 einstückig ausgestaltet. Die Kontakteinrichtung 24 kann eine zur Außenkontur des Batteriemoduls 20 korrespondierende Aufnahmeschale ausbilden, in die das Batteriemodul 20 von oben in Schwerkraftrichtung eingesetzt werden kann. Zusätzlich ragen in das beispielsweise aufgeschäumte Kunststoffmaterial der Kontakteinrichtung 24 metallische längliche Befestigungsstücke 28 etwas hinein, die von dem Batteriemodul 20 weg nach außen abstehen und in eine korrespondierende Nut des Batterierahmens 18 eingreifen können. Dadurch kann die Kontakteinrichtung 24 lagegenau in dem Batterierahmen 18 verankert werden und beim Einsetzen des Batteriemoduls 20 in die Kontakteinrichtung 24 nicht versehentlich wegknicken.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform der Kraftfahrzeugbatterie 10 ist im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform der Kraftfahrzeugbatterie 10 eine gitterförmige Stützstruktur 30 von dem Kunststoffmaterial der Kontakteinrichtung 24 umspritzt. Die mechanische Stabilität der Kontakteinrichtung 24 ist dadurch verbessert. Gleichzeitig kann durch die insbesondere metallische Stützstruktur 30 die Wärme innerhalb der Kontakteinrichtung 24 besser verteilt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011015152 A1 [0002, 0010]
