DE102019122257A1

DE102019122257A1 - Ausgestaltungen für batterieanordnungsrahmen mit abstandshaltermerkmalen zum reduzieren der wärmeleitmaterialnutzung

Info

Publication number: DE102019122257A1
Application number: DE102019122257.5A
Authority: DE
Inventors: Micah Smith
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-02-20
Also published as: US11108099B2; CN110854464A; US20200058971A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt Ausgestaltungen für Batterieanordnungsrahmen mit Abstandshaltermerkmalen zum Reduzieren der Wärmeleitmaterialnutzung bereit. Diese Offenbarung legt ausführlich beispielhafte Batteriepackausgestaltungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen dar. Ein beispielhafter Batteriepack kann eine Wärmetauscherplatte und eine Batterieanordnung, die gegen die Wärmetauscherplatte positioniert ist, beinhalten. Die Batterieanordnung kann einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe beinhalten. Der Anordnungsrahmen kann zusätzlich einen Abstandshalter zum Steuern einer Größe einer Lücke, die sich zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte erstreckt, beinhalten. Indem diese Lücke gesteuert wird, kann die Menge des Wärmeleitmaterials (thermal interface material - TIM), das zum Füllen der Lücke verwendet werden muss, reduziert werden.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Batteriepacks für elektrifizierte Fahrzeuge. Beispielhafte Batteriepacks können einen Abstandshalter für einen Anordnungsrahmen beinhalten, um eine Lücke zwischen einer Thermorippe des Anordnungsrahmens und einer benachbarten Wärmetauscherplatte zu steuern, wodurch eine Menge eines Wärmeleitmaterials (thermal interface material - TIM), das zum Füllen der Lücke erforderlich ist, reduziert wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Wunsch nach einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes von Kraftfahrzeugen ist hinlänglich dokumentiert. Deshalb werden Fahrzeuge entwickelt, die die Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen reduzieren oder vollständig beseitigen. Derzeit werden zu diesem Zweck elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt. Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge dadurch von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, dass sie selektiv durch eine oder mehrere batteriebetriebene elektrische Maschinen angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind im Gegensatz dazu vollständig darauf angewiesen, dass die Brennkraftmaschine das Fahrzeug antreibt.
Ein Hochspannungstraktionsbatteriepack versorgt die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs typischerweise mit Leistung. Der Batteriepack beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen, die Energie zum Versorgen dieser elektrischen Verbraucher mit Leistung speichern. Die Batteriezellen erzeugen während der Lade- und Entladevorgänge Wärme. Diese Wärme muss abgeleitet werden, um ein gewünschtes Leistungsniveau der Batterie zu erreichen. Wärmetauscherplatten, die häufig als „Kälteplatten“ bezeichnet werden, können zum Ableiten der Wärme verwendet werden. Ein Wärmeleitmaterial (TIM) kann ebenfalls verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Batteriezellen und der Wärmetauscherplatte zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Wärmetauscherplatte und eine Batterieanordnung, die gegen die Wärmetauscherplatte positioniert ist. Die Batterieanordnung beinhaltet einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe. Ein Abstandshalter des Anordnungsrahmens legt eine Lücke zwischen der Wärmetauscherplatte und der Thermorippe fest.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Batteriepacks ist ein zweiter Anordnungsrahmen mit dem Anordnungsrahmen verbunden.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorhergehenden Batteriepacks beinhaltet die Batterieanordnung eine Vielzahl von Batteriezellen und wird mindestens eine Batteriezelle der Vielzahl von Batteriezellen innerhalb des Anordnungsrahmens gehalten.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks steht der Abstandshalter von dem Anordnungsrahmen in einer Richtung auf die Wärmetauscherplatte zu hervor.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks steht der Abstandshalter von einer unteren Wand des Anordnungsrahmens hervor.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist der Abstandshalter keilförmig.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist der Abstandshalter rechteckförmig.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks umfasst der Anordnungsrahmen einen zweiten Abstandshalter, der von dem Abstandshalter beabstandet ist. Die Lücke erstreckt sich zwischen dem Abstandshalter und dem zweiten Abstandshalter und zwischen der Thermorippe und der W ärmetauscherplatte.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist der Anordnungsrahmen eine Kunststoffstruktur und sind die Thermorippe und die Wärmetauscherplatte metallische Strukturen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks beinhaltet die Thermorippe einen Schenkel, der sich außerhalb des Anordnungsrahmens erstreckt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks erstreckt sich die Lücke zwischen dem Schenkel und der W ärmetauscherplatte.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks beinhaltet der Anordnungsrahmen eine obere Wand, eine untere Wand und Rahmenarme, die sich zwischen der oberen Wand und der unteren Wand erstrecken.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist ein Wärmeleitmaterial innerhalb der Lücke angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist eine strukturelle Komponente zwischen der Wärmetauscherplatte und einer Wanne positioniert.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist die strukturelle Komponente ein Schaumstoffblock oder ein Federelement, der bzw. das dazu konfiguriert ist, die Wärmetauscherplatte in Berührung mit dem Abstandshalter zu bewegen.
Ein Verfahren gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Positionieren einer Batterieanordnung gegen eine Wärmetauscherplatte eines Batteriepacks. Die Batterieanordnung beinhaltet einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe. Das Verfahren kann ferner Beabstanden der Wärmetauscherplatte in einem festen Abstand von der Thermorippe mit einem Abstandshalter des Anordnungsrahmens und Füllen einer Lücke zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte mit einem Wärmeleitmaterial beinhalten.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens ist die Thermorippe innerhalb des Anordnungsrahmens eingespritzt und ist der Abstandshalter einstückig mit einer Fläche des Anordnungsrahmens ausgebildet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Drängen der Wärmetauscherplatte in Berührung mit der Thermorippe mit einer strukturellen Komponente.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren ist die strukturelle Komponente ein Schaumstoffblock oder ein Federelement.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet Drängen der Wärmetauscherplatte Ablenken der Wärmetauscherplatte in einer Richtung auf den Anordnungsrahmen zu.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, einschließlich beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination miteinander betrachtet werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, gelten für alle Ausführungsformen, sofern derartige Merkmale nicht inkompatibel sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen können kurz wie folgt beschrieben werden.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 veranschaulicht einen Batteriepack für ein elektrifiziertes Fahrzeug.
3 veranschaulicht einen Anordnungsrahmen des Batteriepacks aus 2.
4 ist eine Querschnittsansicht durch den Schnitt 4-4 des Anordnungsrahmens aus 3.
5 ist eine Baugruppenansicht im Querschnitt eines Abschnitts des Batteriepacks aus 2.
6 veranschaulicht schematisch Abschnitte eines anderen beispielhaften Batteriepacks.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 6.
8 veranschaulicht Abschnitte noch eines anderen beispielhaften Batteriepacks.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung legt ausführlich beispielhafte Batteriepackausgestaltungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen dar. Ein beispielhafter Batteriepack kann eine Wärmetauscherplatte und eine Batterieanordnung, die gegen die Wärmetauscherplatte positioniert ist, beinhalten. Die Batterieanordnung kann einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe beinhalten. Der Anordnungsrahmen kann zusätzlich einen Abstandshalter zum Steuern einer Größe einer Lücke zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte beinhalten, wodurch eine Menge eines Wärmeleitmaterials (TIM), das zum Füllen der Lücke verwendet werden muss, reduziert wird. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12. Obwohl dieses als Hybridelektrofahrzeug (hybrid electric vehicle - HEV) dargestellt ist, versteht es sich, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge ausdehnen könnten, die unter anderem Plug-in-Hybridfahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten.
In einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, das ein erstes und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem kann eine Kombination aus einem Motor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten elektrischen Maschine) beinhalten. Das zweite Antriebssystem kann mindestens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und einen Batteriepack 24 beinhalten. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 angesehen. Das erste und das zweite Antriebssystem sind jeweils dazu in der Lage, Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu erzeugen. Obwohl in 1 eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung dargestellt ist, erstreckt sich diese Offenbarung auf ein beliebiges Hybrid- oder Elektrofahrzeug, zu denen Vollhybride, Parallelhybride, Serienhybride, Mildhybride oder Mikrohybride gehören.
Der Motor 14, der eine Brennkraftmaschine sein kann, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30, wie etwa einen Planetenradsatz, miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können andere Arten von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Motor 14 mit dem Generator 18 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform handelt es sich bei der Leistungsübertragungseinheit 30 um einen Planetenradsatz, der ein Hohlrad 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 beinhaltet.
Der Generator 18 kann durch den Motor 14 durch die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als Elektromotor zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie fungieren, wodurch Drehmoment an eine Welle 38 ausgegeben wird, die mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbunden ist. Da der Generator 18 mit dem Motor 14 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl des Motors 14 durch den Generator 18 gesteuert werden.
Das Hohlrad 32 der Leistungsübertragungseinheit 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die durch eine zweite Leistungsübertragungseinheit 44 mit Fahrzeugantriebsrädern 28 verbunden ist. Die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 kann einen Zahnradsatz beinhalten, der eine Vielzahl von Zahnrädern 46 aufweist. Andere Leistungsübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen Drehmoment von dem Motor 14 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 28 Traktion bereitzustellen. Das Differential 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern beinhalten, die die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 ermöglichen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 durch das Differential 48 mechanisch an eine Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann ebenfalls dazu eingesetzt werden, die Fahrzeugantriebsräder 28 anzutreiben, indem er Drehmoment an eine Welle 52 ausgibt, die ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teil eines Nutzbremssystems zusammen, bei dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren zum Ausgeben von Drehmoment eingesetzt werden können. Zum Beispiel können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils elektrische Leistung an den Batteriepack 24 ausgeben.
Der Batteriepack 24 ist eine beispielhafte Traktionsbatterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Der Batteriepack 24 kann eine Hochspannungstraktionsbatterie sein, die eine Vielzahl von Batterieanordnungen 25 beinhaltet (d. h. Batteriebaugruppen oder Gruppierungen von Batteriezellen), die dazu in der Lage sind, elektrische Leistung abzugeben, um den Elektromotor 22 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben, und dazu in der Lage sind, Leistung von dem Generator 18 aufzunehmen. Es könnten auch andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder -ausgabevorrichtungen verwendet werden, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 mit elektrischer Leistung zu versorgen, einschließlich Niederspannungsbatterien.
In einer Ausführungsform weist das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi auf. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeugmodus (Electric Vehicle mode - EV-Modus) betrieben werden, in dem der Elektromotor 22 zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird (im Allgemeinen ohne Unterstützung von dem Motor 14), wodurch der Ladezustand des Batteriepacks 24 bei bestimmten Fahrmustern/-zyklen bis zur maximal zulässigen Entladerate entladen wird. Der EV-Modus ist ein Beispiel für einen Ladungsentleerungsbetriebsmodus für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Während des EV-Modus kann sich der Ladezustand des Batteriepacks 24 unter einigen Umständen erhöhen, zum Beispiel aufgrund eines Zeitraums von Nutzbremsung. Der Motor 14 ist in einem standardmäßigen EV-Modus im Allgemeinen AUS, könnte jedoch nach Bedarf auf Grundlage eines Fahrzeugsystemzustands oder nach Vorgabe des Fahrzeugführers betrieben werden.
Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann zusätzlich in einem Hybridmodus (HEV-Modus) betrieben werden, in dem sowohl der Motor 14 als auch der Elektromotor 22 zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Der HEV-Modus ist ein Beispiel für einen Ladungserhaltungsbetriebsmodus für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Während des HEV-Modus kann das elektrifizierte Fahrzeug 12 die Verwendung des Elektromotors 22 für den Antrieb reduzieren, um den Ladezustand des Batteriepacks 24 konstant oder ungefähr konstant zu halten, indem der Antrieb durch den Motor 14 gesteigert wird. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung zusätzlich zum EV- und zum HEV-Modus in anderen Betriebsmodi betrieben werden.
2 veranschaulicht schematisch einen Batteriepack 24, der innerhalb eines elektrifizierten Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Zum Beispiel könnte der Batteriepack 24 Teil des Antriebsstrangs 10 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aus 1 oder eines beliebigen anderen elektrifizierten Antriebsstrangs sein. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Batteriepacks 24 und einige äußere Komponenten (z. B. eine Gehäusebaugruppe 58) sind als Strichlinien gezeigt, um die inneren Komponenten des Batteriepacks 24 besser darzustellen.
In dem Batteriepack 24 ist eine Vielzahl von Batteriezellen 56 untergebracht, die Energie zum Versorgen verschiedener elektrischer Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 mit Leistung speichert. Zwei beispielhafte Batteriezellen 56 sind in 2 und 4 als Strichlinien gezeigt. Innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung könnte in dem Batteriepack 24 jedoch eine beliebige Anzahl an Batteriezellen eingesetzt sein und diese Offenbarung ist nicht auf die in 2 gezeigte genaue Konfiguration beschränkt.
Die Batteriezellen 56 können in einer Reihe angeordnet sein, um eine Gruppierung von Batteriezellen 56 zu erstellen, die mitunter als ein „Zellenstapel“ bezeichnet wird. In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 Lithium-Ionen-Pouch-Zellen. Allerdings könnten Batteriezellen mit anderen Geometrien (zylindrisch, prismatisch usw.), anderen chemischen Zusammensetzungen (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) oder beidem alternativ dazu innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
Die Batteriezellen 56 können gemeinsam mit beliebigen Stützstrukturen (z. B. Anordnungsrahmen, Abstandsstücken, Schienen, Wänden, Platten, Bindungen usw.) zusammenfassend als Batterieanordnung 25 bezeichnet werden. Obwohl in 2 dargestellt ist, dass der Batteriepack 24 eine einzelne Batterieanordnung 25 aufweist, könnte der Batteriepack 24 innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine größere Anzahl an Batterieanordnungen beinhalten.
In einer Gehäusebaugruppe 58 ist jede Batterieanordnung 25 des Batteriepacks 24 untergebracht. In einer Ausführungsform ist die Gehäusebaugruppe 58 ein abgedichtetes Gehäuse, das eine Wanne 60 und eine Abdeckung 62 beinhaltet, die an der Wanne 60 befestigt ist, um die Batterieanordnung 25 des Batteriepacks 24 einzuhausen und abzudichten. In einer anderen Ausführungsform ist die Batterieanordnung 25 innerhalb der Wanne 60 der Gehäusebaugruppe 58 positioniert und die Abdeckung 62 kann dann über den Batterieanordnungen 25 aufgenommen werden. Die Gehäusebaugruppe 58 kann innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine beliebige Größe, Form und Konfiguration beinhalten.
In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 der Batterieanordnung 25 durch eine Stützstruktur 64, die um einen Außenumfang des Zellenstapels angeordnet ist, abgestützt, festgehalten und/oder zusammengehalten. Die Stützstruktur 64 kann eine Vielzahl von miteinander verbundenen Anordnungsrahmen 66, gegenüberliegenden Endplatten 68 und gegenüberliegenden Seitenplatten 70 beinhalten. Die Anordnungsrahmen 66 sind nebeneinander gestapelt, aneinander montiert und zwischen den gegenüberliegenden Endplatten 68, die an den Längsenden der Batterieanordnung 25 positioniert sind, und zwischen den gegenüberliegenden Seitenplatten 70, die eine Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Endplatten 68 darstellen, positioniert. Damit erstreckt sich in einer Ausführungsform die Batterieanordnung 25 entlang einer Längsachse A1 zwischen den gegenüberliegenden Endplatten 68 und die Anordnungsrahmen 66 erstrecken sich jeweils entlang einer Längsachse A2, die im Allgemeinen quer zu der Längsachse A1 ist.
Die Batterieanordnung 25 kann gegen eine Wärmetauscherplatte 72 (z. B. auf dieser) positioniert sein, die mitunter als Kälteplatte bezeichnet wird, sodass die Batteriezellen 56 sich in relativ großer Nähe zu der Wärmetauscherplatte 72 befinden. Der Batteriepack 24 könnte innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine oder mehrere Wärmetauscherplatten einsetzen.
Die Wärmetauscherplatte 72 kann Teil eines Flüssigkeitskühlsystems sein, das dem Batteriepack 24 zugeordnet ist und dazu konfiguriert ist, Thermomanagement für die Batteriezellen 56 der Batterieanordnung 25 auszuführen. Zum Beispiel kann Wärme während Ladevorgängen, Entladevorgängen, extremen Umgebungsbedingungen oder anderen Bedingungen durch die Batteriezellen 56 erzeugt und freigegeben werden. Es kann wünschenswert sein, die Wärme von dem Batteriepack 24 abzuleiten, um die Kapazität, die Lebensdauer und die Leistung der Batteriezellen 56 zu verbessern. Die Wärmetauscherplatte 72 kann dazu konfiguriert sein, die Wärme aus den Batteriezellen 56 heraus zu leiten. Zum Beispiel kann die Wärmetauscherplatte 72 als Wärmesenke zum Ableiten von Wärme von den Wärmequellen (d. h. den Batteriezellen 56) fungieren. Die Wärmetauscherplatte 72 könnte alternativ dazu eingesetzt werden, die Batteriezellen 56 zu erwärmen, wie zum Beispiel während extrem kalter Umgebungsbedingungen. Obwohl sie nicht als von der Wanne 60 separate Komponente gezeigt ist, könnte die Wärmetauscherplatte 72 alternativ als einzelne Komponente mit der Wanne 60 integriert sein.
Die Wärmetauscherplatte 72 kann einen Plattenkörper 74 und einen Kühlmittelkreislauf 75 beinhalten, der im Inneren des Plattenkörpers 74 gebildet ist. Der Kühlmittelkreislauf 75 kann einen oder mehrere Durchlässe beinhalten, die sich im Inneren des Plattenkörpers 74 erstrecken. In einer Ausführungsform legt der Kühlmittelkreislauf 75 einen gewundenen Verlauf von Durchlässen im Inneren des Plattenkörpers 74 fest.
Ein Kühlmittel C aus einer Kühlmittelquelle (nicht gezeigt) kann selektiv durch den Kühlmittelkreislauf 75 umgewälzt werden, um die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 thermisch zu konditionieren. Die Kühlmittelquelle könnte Teil eines Hauptkühlsystems des elektrifizierten Fahrzeugs 12 sein oder könnte eine dedizierte Kühlmittelquelle des Batteriepacks 24 sein. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann das Kühlmittel C einen Wärmetauscher durchströmen, bevor es in die Wärmetauscherplatte 72 eintritt.
In einer Ausführungsform ist das Kühlmittel C eine herkömmliche Art von Kühlmittelgemisch, wie etwa Wasser, das mit Ethylenglycol gemischt ist. Es sind jedoch auch andere Kühlmittel, die Gase beinhalten, innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung vorgesehen.
In Verwendung wird Wärme von den Batteriezellen 56 in den Plattenkörper 74 der Wärmetauscherplatte 72 und dann in das Kühlmittel C geleitet, wenn das Kühlmittel C durch den Kühlmittelkreislauf 75 befördert wird. Die Wärme kann daher durch das Kühlmittel C von den Batteriezellen 56 weggeführt werden.
In einer Ausführungsform ist die Wärmetauscherplatte 72 ein stranggepresstes Teil. In einer anderen Ausführungsform ist die Wärmetauscherplatte 72 aus einem metallischen Material wie etwa Aluminium hergestellt. Es sind jedoch auch andere Fertigungstechniken und -materialien innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung vorgesehen.
3 und 4 veranschaulichen unter weiterer Bezugnahme auf 2 einen beispielhaften Anordnungsrahmen 66 der Batterieanordnung 25. Der Anordnungsrahmen 66 kann einen Rahmenkörper 76 beinhalten, der sich entlang der Längsachse A2 erstreckt. Der Rahmenkörper 76 kann rechteckförmig (d. h. vierseitig) sein und kann eine obere Wand 78, eine untere Wand 80 und Rahmenarme 82, die eine Verbindung zwischen der oberen Wand 78 und der unteren Wand 80 darstellen, beinhalten. In einer Ausführungsform sind die Rahmenarme 82 nahe gegenüberliegenden Enden (d. h. nahe den Längsenden) der oberen Wand 78 und der unteren Wand 80 angeordnet. Die obere Wand 78, die untere Wand 80 und die Rahmenarme 82 legen einen Umfang um eine Öffnung 84 fest, die durch den Rahmenkörper 76 gebildet ist. In einer Ausführungsform erstrecken sich die obere Wand 78 und die untere Wand 80 horizontal und parallel zu der Längsachse A2 des Rahmenkörpers 76 und die Rahmenarme 82 erstrecken sich vertikal und quer zu der Längsachse A2. Wenn sie innerhalb des Batteriepacks 24 montiert sind (siehe 2), kann die unter Wand 80 der Wanne 60 näher sein und sie legt somit einen Abschnitt einer Basis der Batterieanordnung 25 fest und kann die obere Wand 78 der Abdeckung 62 näher sein und sie legt somit einen Abschnitt einer oberen Fläche der Batterieanordnung 25 fest.
Der Rahmenkörper 76 des Anordnungsrahmens 66 kann eine einheitliche Kunststoffstruktur sein. In einer Ausführungsform sind die obere Wand 78, die untere Wand 80 und die Rahmenarme 82 gespritzt, gegossen, maschinell bearbeitet oder anderweitig hergestellt, um eine einheitliche, monolithische Struktur zu bilden.
Jede gegenüberliegende Seite des Rahmenkörpers 76 kann eine Aussparung 85 festlegen, die dazu bemessen und geformt ist, eine Batteriezelle 56 aufzunehmen. In jedem Anordnungsrahmen 66 können entweder eine oder zwei Batteriezellen 56 untergebracht sein, wobei jede Aussparung 85 dazu in der Lage ist, eine einzelne Batteriezelle 56 aufzunehmen.
Eine Thermorippe 86 kann innerhalb des Anordnungsrahmen 66 gehalten sein, um benachbarte Batteriezellen 56 voneinander zu trennen. In einer Ausführungsform ist die Thermorippe 86 eine metallisch (z. B. aus Aluminium gefertigte) Komponente, die innerhalb des Anordnungsrahmens 66 eingespritzt ist und daher mindestens teilweise innerhalb des Anordnungsrahmens 66 eingebettet ist. Die Thermorippe 86 kann jedoch auf beliebige bekannte Art und Weise innerhalb des Anordnungsrahmens 66 montiert sein und könnte aus verschiedenen Materialien hergestellt sein.
Die Thermorippe 86 kann einen Körper 88 und einen Schenkel 90, der sich von dem Körper 88 erstreckt, beinhalten. In einer Ausführungsform ist die Thermorippe 86 L-förmig. Der Körper 88 kann in den Rahmenkörper 76 eingebettet oder gespritzt sein und der Schenkel 90 kann sich außerhalb des Rahmenkörpers 76 erstrecken. Der Schenkel 90 der Thermorippe 86 kann quer zu dem Körper 88 ausgerichtet sein, sodass er sich unter der unteren Wand 80 zu einer Position seitlich auswärts von dem Rahmenkörper 76 erstreckt. Wie nachstehend ausführlicher erörtert, kann der Schenkel 90 ein Wärmeleitmaterial berühren, um durch die Thermorippe 86 von der Batteriezelle 56 absorbierte Wärme abzuleiten.
Aufgrund der Anforderungen an die elektrische Isolierung, die dem Hochspannungsbatteriepack 24 zugeordnet sind, ist es im Allgemeinen unerwünscht, dass die Thermorippen 86 der Anordnungsrahmen 66 die Wärmetauscherplatte 72 des Batteriepacks 24 direkt berühren. Eine Lücke (d. h. ein offener Raum) kann daher zwischen der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72 beibehalten werden, wenn der Batteriepack 24 zusammengebaut wird. Die Lücke kann mit einem Wärmeleitmaterial gefüllt sein, das dazu ausgestaltet ist, die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72 zu erhöhen, um die Batteriezellen 56 angemessen zu kühlen. Wärmeleitmaterialien sind jedoch relativ kostspielig und es ist daher wünschenswert, die Menge von Wärmeleitmaterialien zu reduzieren, die verwendet werden, indem die Lücke zwischen der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72 gesteuert wird. Zu diesem Zweck kann der Anordnungsrahmen 66 einen oder mehrere Abstandshalter 92 beinhalten, die zum Steuern der Lücke konfiguriert sind.
In einer Ausführungsform, die in 3-4 gezeigt ist, kann der Anordnungsrahmen 66 eine Vielzahl von Abstandshaltern 92 beinhalten. Die Abstandshalter 92 sind voneinander beabstandet und können von einer Fläche des Anordnungsrahmens 66 hervorstehen. In der veranschaulichten Ausführungsform stehen die Abstandshalter 92 von der unteren Wand 80 des Rahmenkörpers 76 nach außen hervor (z. B. in einer Richtung weg von der oberen Wand 78). Die Abstandshalter 92 können jedoch an einer beliebigen Fläche des Anordnungsrahmens 66 bereitgestellt sein, die eine Grenzfläche mit einem Wärmetauscher bilden soll, einschließlich der oberen Wand 78 oder der Rahmenarme 82. Die Gesamtanzahl der Abstandshalter 92, die an dem Anordnungsrahmen 66 bereitgestellt sind, hängt von der Ausgestaltung ab und soll daher diese Offenbarung nicht einschränken.
Die Abstandshalter 92 können vielfältige Größen und Formen annehmen. In einer Ausführungsform sind die Abstandshalter 92 keilförmig (siehe z. B. 4-5). In einer anderen Ausführungsform sind die Abstandshalter 92 rechteckförmig (siehe z. B. 6 und 7).
Die Abstandshalter 92 können als einstückige Komponente des Anordnungsrahmens 66 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform sind die Abstandshalter 92 ein gespritztes Merkmal des Rahmenkörpers 76 des Anordnungsrahmens 66.
Unter Bezugnahme auf 5 kann der Anordnungsrahmen 66 (oder eine Vielzahl von Anordnungsrahmen 66) auf der Wärmetauscherplatte 72 positioniert sein, wenn der Batteriepack 24 zusammengebaut ist. Jeder Abstandshalter 92 dient als Festanschlagsmerkmal zum Begrenzen der Strecke, um die die Wärmetauscherplatte 72 abgelenkt oder anderweitig auf den Schenkel 90 der Thermorippe 86 zubewegt werden kann. Die Abstandshalter 92 können daher eine oder mehrere Lücken G zwischen der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72 festlegen. Anders ausgedrückt, beabstanden die Abstandshalter 92 die Wärmetauscherplatte 72 in einem festen Abstand von der Thermorippe 86. In einer Ausführungsform erstreckt sich jede Lücke G zwischen benachbarten Abstandshaltern 92 und zwischen dem Schenkel 90 der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72.
Die Lücke(n) G kann bzw. können mit einem Wärmeleitmaterial (TIM) 94 gefüllt sein. Das TIM 94 erhält den Thermokontakt zwischen der Thermorippe 86 und der Wärmetauscherplatte 72 aufrecht, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten erhöht wird, um Wärme aus Batteriezellen 56 zu ziehen. In einer Ausführungsform beinhaltet das TIM 94 ein Epoxidharz. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das TIM 94 ein Material auf Siliconbasis. Andere Materialien einschließlich Wärmeleitpasten können alternativ oder zusätzlich das TIM 94 bilden.
Eine strukturelle Komponente 96 kann zwischen der Wanne 60 und der Wärmetauscherplatte 72 positioniert sein. In einer Ausführungsform ist die strukturelle Komponente 96 ein Schaumstoffblock, wie etwa ein Schaumstoffblock auf Polymerschaumstoffbasis. In einer anderen Ausführungsform ist die strukturelle Komponente 96 ein Federelement. Die strukturelle Komponente 96 kann dazu konfiguriert sein, eine Kraft F gegen die Wärmetauscherplatte 72 auszuüben. Die Kraft F kann die Wärmetauscherplatte 72 in direkte Berührung mit den Abstandshaltern 92 bewegen, ablenken oder vorspannen, wodurch jede Lücke G auf ihre zulässige Mindestgröße verschmälert wird und die Notwendigkeit von übermäßigen Mengen des TIM 94 beseitigt wird.
6 und 7 veranschaulichen Abschnitte eines anderen beispielhaften Batteriepacks 124. Es versteht sich, dass 6 und 7 nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Viele Merkmale des Batteriepacks 124 sind schematisch gezeigt und sind vergrößert worden, um die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung besser zu veranschaulichen.
Der Batteriepack 124 kann einen Anordnungsrahmen 166, eine Wärmetauscherplatte 172, eine strukturelle Komponente 196 und eine Wanne 160 beinhalten. Die strukturelle Komponente 196 kann gegen die Wanne 160 positioniert sein, die Wärmetauscherplatte 172 kann gegen die strukturelle Komponente 196 positioniert sein und der Anordnungsrahmen 166 kann gegen die Wärmetauscherplatte 172 positioniert sein.
In einer Ausführungsform sind Außenflansche 191 der Wärmetauscherplatte 172 zwischen Montagefüßen 193 des Anordnungsrahmen 166 und einem Montageflansch 195 der Wanne 160 angeordnet. Eine untere Wand 180 des Anordnungsrahmens 166 kann von den Montagefüßen 193 in einer Richtung auf eine obere Wand 178 des Anordnungsrahmens 166 zu eingelassen sein.
Eine Vielzahl von Abstandshaltern 192 kann von der unteren Wand 180 in einer Richtung auf die Wärmetauscherplatte 172 zu hervorstehen. Die Abstandshalter 192 dienen als Festanschlagsmerkmale zum Begrenzen der Strecke, um die sich die Wärmetauscherplatte 172 auf eine Thermorippe 186 des Anordnungsrahmens zubewegen kann. Die Abstandshalter 192 legen daher eine Lücke G zwischen der Thermorippe 186 und der Wärmetauscherplatte 172 fest. Die Lücke G kann mit einem Wärmeleitmaterial (TIM) 194 gefüllt sein. Die strukturelle Komponente 196 kann dazu konfiguriert sein, eine Kraft F gegen die Wärmetauscherplatte 172 auszuüben. Die Kraft F kann die Wärmetauscherplatte 172 in direkte Berührung mit den Abstandshaltern 192 ablenken, wodurch die Lücke G auf ihre zulässige Mindestgröße verschmälert wird und die Notwendigkeit von übermäßigen Mengen des TIM 94 beseitigt wird.
Wie am besten in 7 gezeigt, können die Abstandshalter 192 eine erste Strecke D1 von einer Außenfläche 198 der unteren Wand 180 des Anordnungsrahmens 166 hervorstehen und kann sich die Thermorippe 186 eine zweite Strecke D2 über die Außenfläche 198 hinaus erstrecken. In einer Ausführungsform ist die erste Strecke D1 eine größere Strecke als die zweite Strecke D2. Die Differenz zwischen der ersten Strecke D1 und der zweiten Strecke D2 legt die Größe der Lücke G fest.
8 veranschaulicht Abschnitte eines anderen beispielhaften Batteriepacks 224. Der Batteriepack 224 ist dem Batteriepack 24 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die strukturelle Komponente 96 in dieser Ausgestaltung nicht verwendet wird. Der Batteriepack 224 kann daher einen Anordnungsrahmen 266, eine Wärmetauscherplatte 272 und eine Wanne 160 beinhalten.
In dieser Ausführungsform ist die Wärmetauscherplatte 272 gegen die strukturelle Komponente 260 positioniert und der Anordnungsrahmen 266 gegen die Wärmetauscherplatte 272 positioniert. Abstandshalter 292 des Anordnungsrahmens 266 legen eine feste Lücke G zwischen einer Thermorippe 286 des Anordnungsrahmens 266 und der Wärmetauscherplatte 272 fest. Die Lücke G kann mit einem Wärmeleitmaterial (TIM) 294 gefüllt sein.
Die Batteriepackausgestaltungen dieser Offenbarung verwenden Abstandshaltermerkmale für Batterieanordnungsrahmen, die als Festanschläge zum Steuern einer Lücke zwischen einer Thermorippe jedes Anordnungsrahmens und einer benachbart positionierten Wärmetauscherplatte dienen. Indem die Lücke zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte gesteuert wird, kann die Menge von Wärmeleitmaterial, das zum Füllen der Lücke erforderlich ist, genau gesteuert werden. Die vorgeschlagenen Anordnungsrahmenausgestaltungen reduzieren daher die Komplexität und Kosten der Baugruppe.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen der Veranschaulichung nach konkrete Komponenten oder Schritte aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese bestimmten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einer beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus einer beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen in den mehreren Zeichnungen entsprechende oder ähnliche Elemente kennzeichnen. Es versteht sich, dass in diesen beispielhaften Ausführungsformen zwar eine bestimmte Anordnung von Komponenten offenbart und veranschaulicht ist, jedoch andere Anordnungen ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorstehende Beschreibung ist als veranschaulichend und nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne auszulegen. Der Durchschnittsfachmann würde verstehen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Offenbarung fallen könnten. Deshalb sollten die folgenden Patentansprüche aufmerksam gelesen werden, um den eigentlichen Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Batteriepack, umfassend: eine Wärmetauscherplatte; eine Batterieanordnung, die gegen die Wärmetauscherplatte positioniert ist, wobei die Batterieanordnung einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe beinhaltet; und einen Abstandshalter des Anordnungsrahmens, der eine Lücke zwischen der Wärmetauscherplatte und der Thermorippe festlegt.
Batteriepack nach Anspruch 1, umfassend einen zweiten Anordnungsrahmen, der mit dem Anordnungsrahmen verbunden ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieanordnung eine Vielzahl von Batteriezellen beinhaltet und mindestens eine Batteriezelle der Vielzahl von Batteriezellen innerhalb des Anordnungsrahmens gehalten wird.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstandshalter von dem Anordnungsrahmen in einer Richtung auf die Wärmetauscherplatte zu hervorsteht und optional wobei der Abstandshalter von einer unteren Wand des Anordnungsrahmens hervorsteht.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstandshalter keilförmig ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstandshalter rechteckförmig ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen einen zweiten Abstandshalter umfasst, der von dem Abstandshalter beabstandet ist, wobei sich die Lücke zwischen dem Abstandshalter und dem zweiten Abstandshalter und zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte erstreckt.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen eine Kunststoffstruktur ist und die Thermorippe und die Wärmetauscherplatte metallische Strukturen sind.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Thermorippe einen Schenkel beinhaltet, der sich außerhalb des Anordnungsrahmens erstreckt, und optional wobei sich die Lücke zwischen dem Schenkel und der Wärmetauscherplatte erstreckt.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen eine obere Wand, eine untere Wand und Rahmenarme, die sich zwischen der oberen Wand und der unteren Wand erstrecken, beinhaltet.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Wärmeleitmaterial, das innerhalb der Lücke angeordnet ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine strukturelle Komponente, die zwischen der Wärmetauscherplatte und einer Wanne positioniert ist, und optional wobei die strukturelle Komponente ein Schaumstoffblock oder ein Federelement ist, der bzw. das dazu konfiguriert ist, die Wärmetauscherplatte in Berührung mit dem Abstandshalter zu bewegen.
Verfahren, umfassend: Positionieren einer Batterieanordnung gegen eine Wärmetauscherplatte eines Batteriepacks, wobei die Batterieanordnung einen Anordnungsrahmen und eine innerhalb des Anordnungsrahmens gehaltene Thermorippe beinhaltet; Beabstanden der Wärmetauscherplatte in einem festen Abstand von der Thermorippe mit einem Abstandshalter des Anordnungsrahmens; und Füllen einer Lücke zwischen der Thermorippe und der Wärmetauscherplatte mit einem Wärmeleitmaterial.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Thermorippe innerhalb des Anordnungsrahmens eingespritzt ist und der Abstandshalter einstückig mit einer Fläche des Anordnungsrahmens ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend: Drängen der Wärmetauscherplatte in Berührung mit der Thermorippe mit einer strukturellen Komponente, die ein Schaumstoffblock oder ein Federelement ist; und optional wobei Drängen der Wärmetauscherplatte Ablenken der Wärmetauscherplatte in einer Richtung auf den Anordnungsrahmen zu beinhaltet.