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Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer Batterie mit einem solchen Batteriegehäuse. Ferner betrifft die Erfindung auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Batterie, welche ein solches Batteriegehäuse umfasst.
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Batterien, insbesondere sogenannte Hochvoltbatterien oder Traktionsbatterien für Fahrzeuge, werden in der Praxis aus Batterieeinzelzellen aufgebaut. Häufig werden diese miteinander verspannt und dann in ein Batteriegehäuse eingebracht. Hochvolt im Sinne der Batterietechnik bzw. im Sinne allgemeiner Fahrzeuganwendungen bedeutet dabei, dass die Spannung oberhalb von 60 V für Gleichspannung oder mehr als 30 V für Wechselspannung liegt.
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Neben dieser Möglichkeit beschreibt die
DE 10 2017 207 911 A1 ein Batteriemodulgehäuse, bei welchem einzelne Batteriemodule nachträglich in dieses Gehäuse eingesetzt werden können. Das Gehäuse umfasst dafür mehrere Aufnahmekammern, welche an drei Seiten offen und an drei Seiten durch das Material des Gehäuses verschlossen sind. Zwei Gehäuseelemente, eines aus Metall und eines aus Kunststoff, werden anschließend zusammengefügt, um die zuvor eingelegten Batteriemodule in den Aufnahmekammern zu halten. Der Aufbau ist dabei vergleichsweise komplex und durch den Einsatz der verschiedenen Materialien schwer zur recyceln. Darüber hinaus wird die mechanische Stabilität durch die Fügestellen der beiden Gehäuseteile bestimmt und liegt damit prinzipbedingt relativ niedrig, was bei Fahrzeuganwendungen hinsichtlich der Crashsicherheit als Nachteil zu sehen ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Batteriegehäuse sowie ein Verfahren zur Montage einer Batterie in einem solchen Batteriegehäuse anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Batteriegehäuses ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine verfahrensgemäße Lösung ist im Anspruch 5 angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Letztlich löst auch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 9 die Aufgabe. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon gibt Anspruch 10 an.
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Das Batteriegehäuse gemäß der Erfindung umfasst eine Vielzahl von Aufnahmekammern für jeweils wenigstens eine Batterieeinzelzelle. Die einzelnen Aufnahmekammern sind dabei an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten offen und an den verbleibenden Seiten geschlossen ausgebildet. Sie sind also im Wesentlichen in der Art von runden, rechteckigen oder in ihrem Querschnitt andersartig geformten Rohren ausgebildet. Das Batteriegehäuse ist dabei einteilig ausgeführt. Ein solches einteiliges Batteriegehäuse hat entscheidende Vorteile sowohl bei der Fertigung als auch beim späteren Einsatz. Auf zusätzliche Fügeschritte von Gehäuseelementen kann gänzlich verzichtet werden. Die einteilige Ausbildung des Batteriegehäuses stellt außerdem eine hohe Festigkeit des Batteriegehäuses sicher, was insbesondere im Hinblick auf Fahrzeuganwendungen und die dabei erforderliche Crashsicherheit ein ganz entscheidender Vorteil ist.
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Dabei ist ein einteiliges Batteriegehäuse außerdem in der Lage, innerhalb der Batterieeinzelzellen auftretende Kräfte, welche beim sogenannten Atmen der Zellen, also einem sich veränderten Zellendickenwachstum während des Ladens und Entladens auftreten, als auch durch ein Zelldickenwachstum, welches über die Lebensdauer der Batterie hin auftritt, sicher aufzunehmen und die Batterieeinzelzellen innerhalb des Gehäuses zuverlässig zu verspannen.
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Die einteilige Ausführung des Batteriegehäuses erlaubt es außerdem, dieses sehr einfach und effizient zu recyceln, da lediglich ein einziges Material bei dem einteiligen Gehäuse vorhanden ist, sodass auf ein aufwändiges Auftrennen des Gehäuses und ein Demontieren von Einzelteilen des Gehäuses verzichtet werden kann.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses ist dieses als Strangpressprofil ausgebildet. Ein solches Strangpressprofil aus einem geeigneten Material, typischerweise einem metallischen Material, wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erlaubt es, das Batteriegehäuse sehr einfach zu designen und in großen Stückzahlen effizient zu produzieren. Dabei bieten die eingesetzten Materialien wie beispielsweise Aluminium oder auf Aluminium und/oder Magnesium basierende Legierungen den Vorteil, dass das Batteriegehäuse bei vergleichsweise hohen Festigkeiten ein entsprechend geringes Gewicht aufweist. Damit lassen sich Leichtbauanforderungen effizient erfüllen, wobei das metallische Strangpressprofil den Vorteil eines einfachen und effizienten Recycelns, insbesondere im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen faserverstärkten Kunststoffen, ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt ein metallisches Strangpressprofil eine sehr gute Wärmeableitung von den Einzelzellen, sodass eine Kühlung beispielsweise im Außenbereich des Strangpressprofils ausreicht, um die Batterieeinzelzellen effizient zu temperieren.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriegehäuses kann es ferner vorgesehen sein, dass Zwischenwände zwischen zwei benachbarten Aufnahmekammern eine geringere Wandstärke als Außenwände zwischen einer Aufnahmekammer und einer Gehäuseaußenseite aufweisen. Hierdurch lässt sich zusätzliches Material und zusätzlicher Bauraum einsparen, wobei die äußeren Kräfte um die Batterieeinzelzellen zusammenzuhalten und im Falle eines Crashs abzusichern, von den Außenwänden aufgebracht werden und die Zwischenwände lediglich zur Stabilisierung und Wärmeableitung dienen, wofür eine geringere Wandstärke und damit einhergehend ein geringeres Gewicht und ein reduzierter Materialeinsatz ausreichen. Hierdurch lassen sich Vorteile bezüglich der Herstellungskosten und der erzielbaren Energiedichte der Batterie erreichen.
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Ein Verfahren zur Montage einer Batterie in einem solchen Batteriegehäuse sieht es nun vor, dass Batterieeinzelzellen und/oder Zellmodule in die Aufnahmekammern eingeschoben werden, wobei im Bereich einer der offenen Stirnseiten die Zellableiter der Batterieeinzelzellen liegen und entsprechend der gewünschten Verschaltung umgebogen und miteinander gefügt werden. Dies kann beispielsweise mittels Laserschweißen erfolgen.
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Gemäß einer weiteren außerordentlich günstigen Ausgestaltung des Verfahrens zur Montage kann es dabei vorgesehen sein, dass jeweils wenigstens zwei elektrisch zu kontaktierende Batterieeinzelzellen in die jeweilige Aufnahmekammer eingeschoben und im oben beschriebenen Sinn elektrisch miteinander kontaktiert werden. Diese Anzahl von wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Batterieeinzelzellen stellt sicher, dass jede der Batterieeinzelzellen an wenigstens drei ihrer Seiten mit dem Material des Batteriegehäuses in Kontakt steht, sodass dieses idealerweise die Abwärme zuverlässig abführen kann. Die benachbarten Batterieeinzelzellen in jeder der Aufnahmekammern können dann sehr einfach in der oben beschriebenen Art und Weise miteinander elektrisch kontaktiert werden, ohne dass eine elektrische Isolierung gegenüber dem Gehäuse notwendig ist, wie es der Fall ist, wenn Batterieeinzelzellen in benachbarten Aufnahmekammern miteinander kontaktiert werden.
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Bei dieser Variante, bei welcher wenigstens zwei Batterieeinzelzellen innerhalb einer der Aufnahmekammern elektrisch kontaktiert werden, kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die innerhalb der Aufnahmekammer über die Zellableiter elektrisch verbundenen Batterieeinzelzellen über aufgelegte und gefügte, insbesondere über Laserschweißen angeschweißte Zellverbinder untereinander kontaktiert werden. Diese Zellverbinder können beispielsweise über eine gebogene Form einen Abstand zu den Zwischenwänden des Batteriegehäuses sicherstellen, um diese elektrisch nicht zu kontaktieren oder können über eine entsprechende Beschichtung entweder im Bereich der Zwischenwände und/oder der Zellverbinder elektrisch gegenüber diesen isoliert werden.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage sieht es ferner vor, dass Kühlelemente in wärmeleitendem Kontakt zu dem Batteriegehäuse montiert werden. Solche Kühlelemente können beispielsweise von Flüssigkeit durchströmte Wärmetauscher sein, welche einfach mit dem Batteriegehäuse kontaktiert werden. Prinzipiell ließen sich in dem Strangpressprofil auch Kühlkanäle mit vorsehen, welche dann lediglich durch abschließende Kühlmediensammler oder Verteiler untereinander verbunden und an ein Kühlmediensystem angeschlossen werden müssen. Alternativ dazu kann auch Kühlluft durch solche Kanäle oder einen montierten Wärmetauscher geleitet werden. Selbstverständlich sind alternativ oder ergänzend hierzu auch andere Möglichkeiten zur Temperierung denkbar, welche bei Batterieeinzelzellen prinzipiell bekannt sind. Diese können beispielsweise den Einsatz von Peltier-Elementen und/oder Latentwärmespeichern umfassen, welche insbesondere über ein Phasenwechselmaterial große Mengen an Wärme aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben können.
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Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse lässt sich nun für verschiedene Anwendungen nutzen. Seine besonderen Vorteile spielt es insbesondere bei einer Fahrzeuganwendung aus, wie es oben bereits durch den Hinweis auf die Crashsicherheit entsprechend beschrieben worden ist. Damit löst auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Batterie, welche ein derartiges Batteriegehäuse umfasst, die Aufgabe. Das zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug kann beispielsweise ein batterieelektrisches Fahrzeug oder ein Brennstoffzellen-Batterie-Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einer Batterie und einem Verbrennungsmotor sein.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieses Fahrzeugs ist es dabei vorgesehen, dass das Batteriegehäuse als tragender Teil des Fahrzeugs ausgebildet ist. Damit lässt sich im Bereich des Fahrzeugs zusätzlich Gewicht und Bauraum einsparen, was ein ganz entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Batteriegehäuses sowie des Verfahrens zur Montage ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses in einer dreidimensionalen Ansicht während der Montage; und
- 2 eine dreidimensionale Ansicht des Batteriegehäuses gemäß 1 in einem abschließenden Montageschritt, bei welchem Kühlelemente angebracht werden.
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In der Darstellung der 1 ist in einer dreidimensionalen Ansicht ein Batteriegehäuse 1 zu erkennen, welches beispielsweise aus einem aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Strangpressprofil besteht. Es umfasst Außenwände 2 und im Vergleich dazu dünner ausgebildete Zwischenwände 3, welche einzelne Aufnahmekammern 4 ausbilden. Jede der Aufnahmekammern 4 ist dabei in der Form eines Rohres mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Sie ist also an der ersten Stirnseite, auf welche hier der Blick gerichtet ist, ebenso offen wie an der zweiten Stirnseite, welche hier nicht erkennbar ist. An den verbleibenden vier Seiten ist die Aufnahmekammer 4 durch die Außenwände 2 bzw. die Zwischenwände 3 verschlossen.
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Das Batteriegehäuse 1 insgesamt kann als Strangpressprofil einfach und effizient hergestellt werden und ist beispielsweise beim Einsatz einer Aluminiumlegierung als Ausgangsmaterial leicht, steif und gewährleistet eine gute Wärmeleitung.
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In die einzelnen Aufnahmekammern 4 werden nun in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Batterieeinzelzellen 5 eingeschoben, wie es durch den mit 6 bezeichneten Pfeil im Bereich der ganz links in der Darstellung liegenden Aufnahmekammer 4 angedeutet ist. Die Batterieeinzelzellen 5, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, weisen dabei jeweils Ableiterfahnen 7 auf, die lediglich an einigen der Batterieeinzelzellen 5 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Ableiterfahnen 7 kontaktieren die im Inneren der Batterieeinzelzellen 5 liegenden Stapel von Kathoden und Anoden mit dem Äußeren der Batterieeinzelzellen in an sich bekannter Art und Weise. Die hier dargestellten Batterieeinzelzellen 5 können dabei beispielsweise als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet sein, bei welchen die Anoden, die Kathoden und der Elektrolyt innerhalb eines Folienbeutels eingeschweißt angeordnet sind.
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Die Batterieeinzelzellen 5 werden nun also in die Aufnahmekammern 4 eingeschoben. Dies ist bei der Montage relativ einfach und effizient. Außerdem erlaubt es auch eine einfache Demontage, da zum Austausch einzelner eventuell defekter Batterieeinzelzellen 5 diese einfach aus den Aufnahmekammern 4 herausgezogen werden können, nachdem sie elektrisch vom Rest der Batterieeinzelzellen 5 getrennt wurden.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll nun eine sogenannte 2P-Verschaltung realisiert werden, bei welcher die jeweils zwei Batterieeinzelzellen 5 in der jeweiligen Aufnahmekammer 4 parallel elektrisch miteinander verschaltet werden. Wie es in der vierten bis sechsten Aufnahmekammer 4 von der linken Seite des Batteriegehäuses 1 aus zu erkennen ist, werden die einzelnen Ableiterfahnen 7 dabei umgebogen und kommen so übereinander zu liegen. Sie werden dann miteinander gefügt, beispielsweise über Laserschweißnähte 8, welche im Bereich rechts neben diesen angesprochenen Batterieeinzelzellen 5 zu erkennen sind. Die bereits über die Laserschweißnähte 8 miteinander gefügten Ableiter 7 werden dann, wie es noch weiter rechts in der Darstellung der 1 zu erkennen ist, über einen Zellverbinder 9 untereinander verschaltet, wobei dieser Zellverbinder 9 in benachbarten Aufnahmekammern 4 angeordnete Batterieeinzelzellen 5 miteinander verbindet. Auch dieser Zellverbinder 9 kann über Laserschweißnähte 10 auf die jeweiligen bereits miteinander verbundenen Ableiterfahnen 7 der Batterieeinzelzellen 5 innerhalb der jeweiligen Aufnahmekammer 4 elektrisch kontaktiert werden. Daneben sind aber auch andere Fügetechniken und andere elektrische Verschaltungen der Batterieeinzelzellen 5 innerhalb des angesprochenen Batteriegehäuses 1 denkbar.
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In der Darstellung der 2 ist nun der Aufbau des Batteriegehäuses 1 zusammen mit allen Batterieeinzelzellen 5, welche elektrisch in der oben beschriebenen Art und Weise kontaktiert worden sind, nochmals zu erkennen. Zusätzlich ist in der Darstellung der 2 erkennbar, dass Kühlelemente 11 im Bereich des Batteriegehäuses 1 montiert werden. Diese Kühlelemente 11 können beispielsweise aus von einer Flüssigkeit und/oder einem Gas durchströmten Wärmetauschern bestehen. Sie werden in wärmeleitendem Kontakt mit dem Batteriegehäuse 1 montiert, beispielsweise mit diesem verspannt, verklebt, verschweißt oder dergleichen. Sie erlauben dann mittelbar über das gut wärmeleitende Material des Batteriegehäuses 1 die Temperierung der Batterieeinzelzellen 5 in einer sehr einfachen und effizienten Art und Weise.
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Eine Batterie mit einem solchen Batteriegehäuse 1 kann nun insbesondere in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug zum Einsatz kommen, um dort eine Batterie für das zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug auszubilden, in welcher elektrische Antriebsenergie zwischengespeichert werden kann.
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Das Batteriegehäuse 1, welches einerseits leicht und andererseits relativ steif und damit mit guter Crashsicherheit realisiert werden kann, kann in dem Fahrzeug die Aufgabe von einem tragenden konstruktiven Bauteil übernehmen, sodass beispielsweise Querträger oder dergleichen durch das Batteriegehäuse 1 ersetzt werden können, was Bauraum, Kosten und Gewicht spart.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207911 A1 [0003]
