DE102007021293A1

DE102007021293A1 - Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs

Info

Publication number: DE102007021293A1
Application number: DE200710021293
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13
Also published as: ATE553509T1; EP1990849A1; EP1990849B1

Abstract

Eine Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs zum Transport von Personen und/oder Waren hat mehrere nach außen durch jeweils eigene Zellengehäuse (18) geschlossene, vorgefertigte und zu einem Zellenpaket zusammengefaßte Batteriezellen (16) und ein die Baugruppe nach außen abschließendes Außengehäuse (10) aus Kunststoff.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs, das zum Transport von Personen und/oder Waren dient, mit mehreren nach außen durch jeweils eigene Zellengehäuse geschlossenen, vorgefertigten und zu einem Zellenpaket zusammengefaßten Batteriezellen. Die Erfindung ist bei Kraftfahrzeugen ebenso wie bei Lastkraftwagen oder anderen Fahrzeugen angewendbar.
Aufgrund der geforderten CO₂ Reduktion wird die Anzahl der zumindest hilfsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen in Zukunft steigen. Als Energiequelle werden, wie es die vorliegende Erfindung bevorzugt vorsieht, Hochleistungsbatterien mit NiMH oder Li-Ionen Batteriezellen verwendet. Diese vorgefertigten Zellen werden zu einem Zellenpaket zusammengefaßt und in Reihe geschaltet, so daß sich aus zahlreichen einzelnen Batteriezellen mit üblicherweise einer Spannung von 3,6 V Hochleistungsbatterien, genauer gesagt Hochleistungsakkus, von bis zu 360 V ergeben. Das Batteriepaket ist in einem stabilen Metallgehäuse untergebracht. Aufgrund der enormen Baugröße von derartigen Batteriebaugruppen müssen diese an bislang noch nicht für die Energiespeicherung angedachten Stellen im Fahrzeug untergebracht werden, beispielsweise unterhalb der Fahrzeugkarosserie hinter der Hinterachse. Die Stabilität des Gehäuses sowie die Positionierung der einzelnen Batteriezellen muß auch in einem Crashfall sichergestellt werden, damit es zu keinen Kurzschlüssen oder sogar Bränden kommen kann. Auch aus diesem Grund ist es wichtig, stabile Gehäuse zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsbatteriebaugruppe zu schaffen, die leichter im Fahrzeug untergebracht werden kann als bisherige und deren Konzept es erlaubt, die Baugruppe an unterschiedliche Umgebungsstörkonturen anzupassen.
Die Erfindung sieht hierzu bei einer Baugruppe der eingangs genannten Art ein die Baugruppe nach außen abschließendes Außengehäuse aus Kunststoff vor. Kunststoff war bislang bei den verwendeten Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppen als Außengehäusematerial nicht angedacht. Durch das Kunststoffgehäuse läßt sich jedoch die äußere Geometrie des Gehäuses an Störkonturen und an die optimale Geometrie des Batteriepakets einfach anpassen. Die Integration der Batteriezellen, deren Halterung, die Halterung einer aktiven Kühlung innerhalb des Außengehäuses und die Kompensation der Batteriezellentoleranzen lassen sich mittels eines Kunststoffaußengehäuses leichter realisieren. Auch die Befestigung der elektrischen Leitungsführung oder Steuerung sowie die Anbringungen von Elementen wie Befestigungsteile auf der Außenseite des Gehäuses sind einfacher und leichter.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind an das Außengehäuse innenseitig Positioniervorsprünge angeformt, die an den Batteriezellen angreifen und sie lagesichern. Die vorzugsweise einstückige Anformung der Positioniervorsprünge sorgt für einen sicheren und einfach realisierbaren Halt der einzelnen Batteriezellen sowie für eine sichere Beabstandung der Batteriezellen.
Vorzugsweise sind die Positioniervorsprünge dazu geeignet und angeordnet, die Batteriezellen in allen Richtung, d. h. in Längsrichtung sowie in Querrichtung zu sichern.
Üblicherweise sind die Batteriezellen zylindrische, insbesondere quaderförmig oder kreiszylindrische Körper. Die Positioniervorsprünge erstrecken sich in Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen.
Eine besonders vorteilhafte Variante besteht darin, Abschnitte der Positioniervorsprünge mit unterschiedlicher Elastizität auszuführen. Vorzugsweise ist der unmittelbar an den Batteriezellen angreifende Abschnitt weicher und elastischer, so daß Toleranzen der Außenabmaße der Batteriezellen aufgefangen werden können und diese spielfrei und sicher gelagert sind.
Zur Realisierung der unterschiedlichen Elastizitäten können die Positioniervorsprünge Abschnitte unterschiedlichen Kunststoffs aufweisen.
Üblicherweise besteht der sich zwischen benachbarten Batteriezellen erstreckende Abschnitt der Positioniervorsprünge aus einem elastischeren Kunststoff als ein angrenzender Abschnitt, der als Träger dient.
Durch ein Mehrkomponenten-Spritzgießen lassen sich die Abschnitte aus unterschiedlichen Kunststoffen sehr leicht herstellen.
Die Positioniervorsprünge greifen insbesondere an den Stirnseiten der üblicherweise langgestreckten, zylindrischen Körper an sowie an den Rändern der Umfangsseiten.
Da die Umfangsseiten normalerweise nicht zu stark in Kunststoff eingebettet werden sollten, um einen Wärmeabtransport der sich beim Laden und Entladen stark erwärmenden Batteriezellen zu erlauben, ist vorgesehen, daß sich die Positioniervorsprünge in Längsrichtung seitlich der zugeordneten Batteriezellen nur auf einer Teillänge erstrecken. Diese entspricht vorzugsweise zwischen 2 und 20% der Gesamtlänge der zugeordneten Batteriezellen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Batteriebaugruppe mit einer aktiven Kühlung in Form eines Kühlkreislaufs versehen. Das bedeutet, daß sich wenigstens ein, ein Kühlfluid führendes Rohr zum Abtransport von Wärmeenergie der Batteriezellen durch das Außengehäuse erstreckt.
Vorteilhaft ist es, wenn auch das Rohr durch Positioniervorsprünge im Außengehäuse lagegesichert ist, so daß die Positioniervorsprünge eine Doppelfunktion innehaben.
Da es ein erhebliches Bauvolumenproblem geben würde, wenn sich das Kühlfluid führende Rohr oder mehrere Rohre entlang jeder Batteriezelle erstrecken würden, ist der Einsatz von einer oder mehreren Kühllamellen vorteilhaft. Dies erstrecken sich von ihrem zugeordneten Rohr bzw. Rohrabschnitt zu einer oder mehreren Batteriezellen, um sich flächig an deren Außenseite anzulegen. Diese Positioniervorsprünge dienen in diesem Zusammenhang auch der Lagesicherung der Lamellen, welche nur eine Dicke von 0,1 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm haben.
Ein Positioniervorsprung kann an mehreren Lamellen angreifen, um diese lagezusichern.
Die Batteriezellen lassen sich seitlich zwischen mehreren Positioniervorsprüngen klemmen oder nur durch einen einzelnen Positioniervorsprung, der beispielsweise die entsprechende Batteriezelle ringförmig zumindest teilweise umgibt.
Eine besonders einfache Ausgestaltung des Außengehäuses sieht vor, dieses aus einem einseitig offenen Grundkörper und einem den Grundkörper schließenden Deckel auszubilden, wobei am Grundkörper und/oder dem Deckel Positioniervorsprünge angeformt sind.
Auch Rippen zur Erhöhung der Stabilität des Außengehäuses lassen sich durch Verwendung von Kunststoff leicht anformen.
Elektrisches, ebenso wie thermisches Isoliermaterial kann einfach in das Gehäuse integriert werden, beispielsweise durch Einspritzen oder Schäumen zwischen Rippen.
Als Material für das Außengehäuse ist PP, PA, PPS oder PPA besonders geeignet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen nicht nur in der leichteren Adaption der Außenkontur des Gehäuses an den Bauraum, sondern natürlich auch in einer Gewichtsreduzierung der gesamten Batteriebaugruppe. Im Crashfall oder beim Vibrationstest werden die in das Gehäuse eingeleiteten Kräfte gleichmäßig verteilt. Aufgrund der separaten Befestigung der Batteriezellen und der separaten Befestigung der Kühleinrichtung übersteht die erfindungsgemäße Baugruppe Crashtests. Ferner kann das Batteriegehäuse auch als Montagewerkzeug für die Zellen dienen, indem nämlich die einzelnen Zellen direkt in das Gehäuse gesteckt werden. Anschließend können die zusätzlichen Einrichtungen wie Kühlrohre oder Lamellen zwischen die bereits vorpositionierten Zellen automatisch geschoben werden.
Eine besondere Problematik ergibt sich bei der Verwendung von sog. zeotropen Kühlmitteln. Das sind Gemische von unterschiedlichen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Sättigungstemperaturen. Während des Siedens oder Verdampfens ändert sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit, so daß sich die Gesamtsättigungstemperatur der verbleibenden Flüssigkeit verändert.
Die vorliegende Erfindung sieht auch Möglichkeiten vor, zeotrope Kühlmittel zur Kühlung von Antriebsbatterien einzusetzen. Zuvor wurde ja bereits erläutert, daß alle Batteriezellen möglichst auf gleiche Temperatur gehalten werden müssen. Der Einsatz eines zeotropen Kühlmittels steht diesem Ziel entgegen, da das Kühlmittel auf dem Weg durch die Batteriebaugruppe seine Sättigungstemperatur verändert und damit eine zunehmend schlechtere Kühlwirkung hätte.
Die Erfindung sieht hierzu eine Antriebsbatteriebaugruppe vor, mit mehreren nach außen durch jeweils eigene Zellengehäuse geschlossenen, zu einem Zellenpaket zusammengefaßten Batteriezellen und wenigstens einem ein zeotropes Kühlmittel führenden Rohr zum Abtransport von Wärmeenergie der Batteriezellen. Der innerhalb der Batteriebaugruppe liegende Rohrabschnitt ist so ausgebildet, daß das Kühlmittel einem solchen Druckabfall unterliegt, daß die Sättigungstemperatur des Kühlmittels im Rohrabschnitt im wesentlichen konstant bleibt. Die Erfindung kompensiert die an und für sich auftretende Änderung der Sättigungstemperatur durch einen gezielten Druckabfall innerhalb des Rohrabschnittes.
Leichte Temperaturschwankungen um ± 1 K sind dabei tolerierbar und im Bereich der Fertigungsschwankungen.
Der im Rohrabschnitt vorgesehene Druckabfall liegt gemäß der bevorzugten Ausführungsform zwischen 0,25 bis 0,75 bar.
Möglichkeiten, den Druckabfall zu erzielen, sind zum Beispiel eine Verengung, insbesondere kontinuierliche Verengung des Rohrquerschnitts zum Auslaß hin mittels z. B. einer Durchmesserverringerung oder einer Abflachung des Rohrs. Bei einer Serienschaltung von Rohrabschnitten kann auch durch die Anzahl der Rohrabschnitte ein Druckabfall verwirklicht werden.
Eine andere Lösung der Erfindung zum Einsatz von zeotropen Kühlmitteln sieht mehrere zeotrope Kühlmittel führende Rohrabschnitte vor, die innerhalb der Batterie in unmittelbarem thermischen Kontakt stehen und gegenläufig durchströmt werden. Durch dieses gegenläufig Durchströmen mitteln sich die in den Rohrabschnitten vorliegenden Temperaturen, so daß insgesamt eine gleichmäßige Kühlwirkung erzielt wird.
Die Rohrabschnitte sollten vorzugsweise innerhalb der Batterie parallel zueinander verlaufen und möglichst nahe aneinander angeordnet sein.
Eine besonders gute Kompensation der Temperaturen ergibt sich dann, wenn eine oder mehrere Lamellen von beiden Rohrabschnitten gemeinsam ausgehen, da sich sozusagen in der Lamelle selbst die Temperatur vergleichmäßigt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Antriebsbatteriebaugruppe,
2 eine vergrößerte Ansicht des Bodenbereichs des Außengehäuses der Baugruppe nach 1,
3 eine vergrößerte Ansicht einer etwas modifizierten Baugruppe im Bodenbereich,
4 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Baugruppe bei abgenommenem Gehäusedeckel,
5 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Baugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform,
6 eine vergrößerte Ansicht des mit X in 5 gekennzeichneten, mit unterbrochenen Linien umrahmten Bereichs,
7 bis 9 verschiedene Detailansichten von Möglichkeiten, die Lamellen im Gehäuse zu positionieren,
10 eine schematische Draufsicht auf ein bei der Erfindung eingesetztes Zellenpaket mit integrierter Kühlleitung,
11 eine schematische Draufsicht auf ein bei der Erfindung eingesetztes, weiteres Batteriezellenpaket mit integrierter Kühleinrichtung,
12 bis 16 weitere Varianten von Batteriezellenpaketen in Draufsicht it integrierter Kühleinrichtung,
17 eine vergrößerte Detailansicht einer Variante zur Koppelung von Lamellen mit dem zugeordneten, Kühlfluid führenden Rohr,
18 und 19 vergrößerte Detailansichten zweier aufeinanderfolgender Herstellungsschritte zur Schaffung einer weiteren Variante der Koppelung von Lamellen mit dem zugeordneten Rohr.
20 eine Detailansicht eines Kühlfluid führenden Rohres mit angebrachten Lamellen,
21 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsbatteriebaugruppe,
22 eine Draufsicht auf die Batteriebaugruppe von 21 bei abgenommenem Deckel,
23 eine schematische Draufsicht auf eine Kühleinrichtung, die bei der erfindungsgemäßen Baugruppe eingesetzt wird,
24 bis 26 vergrößerte Ansichten im Bereich der Kontaktierung der Lamellen mit den Batteriezellen gemäß verschiedener Ausführungsformen,
27 eine Draufsicht auf eine von einer Lamelle umschlossene Batteriezelle gemäß einer weiteren Variante,
28 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung eines beschichteten Bleches, aus dem bei der erfindungsgemäßen Baugruppe eingesetzte Lamellen hergestellt werden,
29 eine Draufsicht auf die Anlage nach 28,
30 eine schematische Ansicht eines ein zeotropes Kühlmittel führenden Rohres im Bereich der Baugruppe, wobei die Lamellen zur Vereinfachung weggelassen sind,
31 eine Schnittansicht durch die Baugruppe längs des Schnittes A-A in 30,
32 eine Schnittansicht durch die Baugruppe längs des Schnittes B-B in 30,
33 eine schematische Ansicht eines ein zeotropes Kühlmittel führenden Rohres im Bereich der Batteriebaugruppe gemäß einer weiteren Erfindungsvariante, wobei die Lamellen zur Vereinfachung weggelassen sind, und
34 eine Querschnittsansicht durch die Baugruppe im Bereich des Rohres längs der Schnittlinie C-C in 33.
In 1 ist eine Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffszellen- oder Hybridfahrzeugs gezeigt, das mit einer aktiven Kühlung versehen ist. Das Außengehäuse 10 besteht aus einem einseitige offenen, behälterförmigen Grundkörper 12 und einem den Grundkörper 12 schließenden Deckel, die beide aus Kunststoff (PP, PA, PPS oder PPA) durch Spritzgießen gefertigt sind. Im Außengehäuse 10 sind zahlreiche Batteriezellen 16 untergebracht und in Reihe geschaltet, so daß eine Hochvolt-Batterie, genauer ein Hochvolt-Akku, geschaffen wird. Die einzelnen Batteriezellen 16 sind NiMH oder Li-Ionen Batterien und in sich geschlossene Einheiten, die nach außen durch ein eigenes Zellengehäuse 18 abgeschlossen sind. Die Batteriezellen 16 werden entweder vor der Montage in das Außengehäuse 10 zu einem Paket zusammengefaßt oder erst durch das Einsetzen in das Außengehäuse 10 zum Paket.
Die Batteriezellen 16 werden im Außengehäuse 10 dadurch positioniert, daß das Außengehäuse 10 innenseitig Positioniervorsprünge 20 einstückig angeformt hat, die vorzugsweise beim Spritzgießen hergestellt werden. Die Zellen 16 haben eine zylindrische, insbesondere kreiszylindrische Außengeometrie, wobei die Positioniervorsprünge 20 in Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen 16 ragen, wie in den 1 bis 3 zu sehen ist. Über die Positioniervorsprünge, die vorzugsweise hauptsächlich am Boden 22 und am Deckel 14 angeformt sind, werden die Batteriezellen 16 in allen Richtungen, in Richtung der Längsachse A der Batteriezellen 16 und in radialer Richtung exakt positioniert. Hierzu greifen die Positioniervorsprünge 20 an den Stirnseiten 24 der Batteriezellen 16 und an den axialen Rändern der Umfangsseiten 26 an. Die Angriffsfläche ist insgesamt sehr gering, in Längsrichtung erstrecken sich die Positioniervorsprünge 20 gerade einmal über 2 bis 20% der Gesamtlänge der zugeordneten Batteriezelle 16 seitliche von dieser. Die entsprechende Länge L in Axialrichtung ist in den 2 und 3 dargestellt.
Die Batteriezellen 16 haben eine nicht zu vernachlässigende Toleranz bezüglich des Zellengehäuses 18. Um sicherzustellen, daß die Batteriezellen 16 lagefest und ohne Spiel im Außengehäuse 10 befestigt sind, haben die Positioniervorsprünge 20 Abschnitte unterschiedlicher Elastizität. Dies ist beispielsweise in 2 gezeigt. Ein erste Abschnitt 28 ragt bis unter die Stirnseite 24 und besteht aus demselben wie der von außen sichtbare Teil des Außengehäuses 10. Dieser erste Abschnitt 28 ist relativ hart und stabil und hat eine Aufnahme für einen in Querschnitt T-förmigen zweiten Abschnitt 30 aus einem gummiartigen Kunststoff geringer Elastizität, der dann an den Stirnseiten 24 und den Umfangsseiten 26 der Zellengehäuse 18 anliegt. Dadurch, daß der zweite Abschnitt 30 sehr weich ist, führt er zu einer vorgespannten, Toleranzen ausgleichenden Lagerung der Batteriezellen 16. Die Herstellung des Außengehäuses 10 mit den Abschnitten 28, 30 unterschiedlicher Härte bzw. unterschiedlicher Elastizität erfolgt durch das sog. 2-Komponenten- Spritzgußverfahren. Zum leichteren Einstecken der Batteriezellen 16 in einzelne oder Einführen zwischen mehrere Positioniervorsprüngen 20 weisen letztere Einführschrägen auf, die in 3 gut zu erkennen sind.
In 5 ist dargestellt, daß die Positioniervorsprünge 20 teilweise die Batteriezellen 16 an den Umfangsrändern komplett umgeben. Zumindest jedoch sollte eine drei-Punkt-Lagerung an den Umfängen zur seitlichen Sicherung vorgesehen sein. Der weichere, zweite Abschnitt 30 verläuft bei der Variante in 5 geschlossen um die benachbarten Batteriezellen 16 herum. Weitere Positioniervorsprünge 20 in Form von Rippen oder sternförmigen Leisten halten die Batteriezellen 16 seitlich von außen. Insbesondere werden die äußeren Batteriezellen an rippenförmigen Positioniervorsprüngen 20 anliegen. Sternförmige Positioniervorsprünge ragen in die Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen, so daß ein Positioniervorsprung 20 zur Halterung mehrere Batteriezellen 16 beiträgt. Diese in 5 dargestellten Positioniervorsprünge in Rippen- oder Sternform erstrecken sich zum Teil über den axialen Rand der Umfangsseiten 26 hinaus bis in die mittleren Abschnitte der Umfangsseiten 26 oder sogar vom Boden 22 aus bis nahe zum Deckel 14 oder, umgekehrt, vom Boden des Deckels 14 bis nahe zum Grundkörper 12. Bei übergroßen Batteriezellen 16 verformen sich die Positionierabschnitte 20 und gegebenenfalls auch die Zellengehäuse 18.
In 3 ist auch zu erkennen, daß Rippen 32 im Bereich des Bodens 22 angeformt sind, die die Stabilität des Außengehäuses 10 erhöhen sollen. Zwischen den Rippen 22, oder ganz allgemein, in bestimmten Abschnitten des Außengehäuses 10 kann eine thermische Isolationsschicht 34 angebracht sein, beispielsweise durch 2-Komponenten-Spritzgießen oder durch Schäumen.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist die erfindungsgemäße Batteriebaugruppe mit einer aktiven Kühleinrichtung, genauer einem Kühlkreislauf, versehen. Die Kühleinrichtung besteht aus einem oder mehreren Kühlfluid führenden Rohren 36, die sich durch das Außengehäuse 10 erstrecken und außerhalb des Außengehäuses 10 beispielsweise an einen Kühlmittel- oder Kältemittelkreislauf angeschlossen sind. Das Kühlfluid kann ein Wasser/Glykolgemisch, R134a, CO₂ oder ein alternatives Kühlmittel sein, welches in entsprechenden Phasenzuständen den Kühlkreislauf durchläuft. Das oder die Rohre 36 laufen nicht geradlinig durch das Außengehäuse 10 hindurch, sondern mäander- oder im weitesten Sinne zinnenförmig. Das bedeutet, daß das Rohr 36 längs der Zellenlängsachse A verlaufende Abschnitte 38 (siehe 1) und quer hierzu verlaufende Abschnitte 40 besitzt. Durch diesen Verlauf soll die innerhalb des Außengehäuses 10 verlaufende Rohrlänge maximiert werden.
Am Rohr 36 sind zahlreiche dünne Lamellen 42 befestigt. Die Lamellen 42, welche eine Wandstärke von lediglich 0,1 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm haben und aus Aluminium, Kupfer oder entsprechenden hochwärmeleitfähigen Materialien bestehen, sind abschnittsweise der Außenform der Zellengehäuse 18 angepaßt und liegen flächig und über eine Preßpassung an den Umfangsseiten 26 an, sie schmiegen sich sozusagen an diese an. Bei der Herstellung der Lamellen 42 wird darauf geachtet, daß ihre Lage und Geometrie auf Batteriezellen 16 mit an der Untergrenze liegenden Außenabmaßen abgestimmt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß sich die Lamelle 42 immer an die zugehörige Batteriezelle 16 anpassen kann und flächig und vorgespannt an ihr anliegt, wenn die Zelle 16 in den entsprechenden Aufnahmeraum, der durch die Lamelle 42 oder die mehreren Lamellen 42 definiert ist, geschoben wird. An einem Rohr 36 sind zahlreiche Lamellen 42 unmittelbar angebracht, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die Art der Anbringung der entsprechenden Lamelle 42 an ihrem Rohrabschnitt erfolgt beispielsweise durch Kleben, Schweißen, Löten oder eine mechanische Befestigung. In den 4 und 5 ist zu erkenne, daß Lamellen 42 im Bereich des Rohres 36 zu Halbschalen 46 umgeformt sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Rohres 36 anliegen und diese wie eine Schelle umschließen. Dadurch lassen sich über einfache Schraub- oder Nietverbindungen 48 die Lamellen 42 gegen das Rohr 36 pressen.
Die Lamellen 42 kontaktieren wenigstens 40% der Außenumfangsfläche, d. h. der Umfangsseiten 26 des Zellengehäuses 18, so daß der entsprechende Anteil der Umfangsseite 26 des Zellengehäuses 18 von einer oder mehreren Lamellen 42 abgedeckt ist, um über die Lamellen 42 Wärme aus den Batteriezellen 16 in Richtung der Rohre 36 abzutransportieren.
Bei den in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen umfassen die einzelnen Lamellen 32 in Richtung Zellenlängsachse A gesehen das Zellengehäuse 18 über mehr als 180° des Umfangs (siehe Winkel α) so daß die Lamellen 32 selbstklemmend am Zellengehäuse 18 angebracht sind. Die zuvor erwähnten Rippen und leistenförmigen Positioniervorsprünge 20 liegen zum Teil ebenfalls an den Lamellen 42 an und stützen diese zusätzlich (siehe 5). Es ist auch in den Figuren gut zu erkennen, daß die Batteriezellen 16 teilweise zwischen mehreren, an entgegengesetzten Außenumfangsabschnitten des Zellengehäuses 18 angreifenden Lamellen 42 geklemmt sind. Die Lamellen 42 erstrecken sich mäanderförmig an den Batteriezellen 16 entlang, um mehrere Batteriezellen 16 zu kontaktieren.
Die Lamellenabschnitte benachbarter Batteriezellen 16 können sich zwar berühren, wie es zwischen den zwei unteren linken Batteriezellen 16 in 4 gezeigt ist, bevorzugt ist jedoch ein geringer Spalt vorgesehen, über den die Toleranzen im Außenumfang der Zellengehäuse 18 aufgefangen werden. Die hier dargestellten Lamellen 42 haben jeweils einen W-förmigen, nach außen ausbauchenden Bereich, der von den Batteriezellen 16 beabstandet ist (siehe 7 bis 9). Der entsprechende Spalt trägt das Bezugszeichen 50. Der W-förmige Abschnitt bildet einen formschlüssigen Halteabschnitt 52, in dessen außenseitige Vertiefung eine Rippe 32 oder ein Positioniervorsprung 20 hineinragt. Über den Spalt 50 wird die Flexibilität der Lamelle 42 beibehalten.
In 8 ist zu sehen, daß das sternförmige Positionierelement 20 gleich drei benachbarte Lamellenabschnitte über entsprechende Halteabschnitte 52 positioniert.
Die Halteabschnitte 52 müssen sich auch nicht über die gesamte axiale Länge der Lamellen 42 erstrecken, sondern können nur einen kleinen Rand oder Abschnitt der Lamellen 42 positionieren, wie dies anhand des unteren Randes der Lamelle 42 in 9 gezeigt ist.
Die Rohre 36 können vollständig außerhalb des Zellenpakets angeordnet sein oder, falls zwischen den Batteriezellen 16 noch genügend Platz sein sollte, teilweise oder vollständig in den entsprechenden Zwischenräumen verlaufen. Bei der Ausführungsform nach den 4 bis 6 ragen die längs verlaufenden Rohrabschnitte 38 teilweise in das Zellenpaket hinein, das nach außen hin durch die sogenannte Umhüllende der Zellen definiert ist. In 5 wäre die Umhüllende sozusagen eine Linie, die sich als Tangente an die Außenseiten der äußeren Batteriezellen 16 anlegt, wie ein um das Batteriepaket gespannter Stoff.
Nachdem sich der längs verlaufende Abschnitt 38 teilweise in das Zellenpaket erstreckt und der quer verlaufende Abschnitt 40 nicht unterhalb der unteren Stirnseite 24 oder oberhalb der oberen Stirnseite 24 der Batteriezellen 16 verlaufen soll, sondern seitlich an dieser vorbei, ist das ansonsten kreiszylindrisch im Querschnitt ausgeführte Rohr 36 im quer verlaufenden Abschnitt 40 einseitig auf der der entsprechenden Zelle 16 zugewandten Seite abgeflacht. Der abgeflachte oder eingedrückte Abschnitt trägt das Bezugszeichen 51. Der quer verlaufende Abschnitt 40 liegt somit außerhalb der Umhüllenden, bleibt von den Batteriezellen 16 beabstandet und baut seitlich sehr klein auf. Damit wird der durch die teilweise in das Paket hineinragenden Abschnitte 38 gewonnene Bauraum auch im quer verlaufenden Abschnitt 40 nicht vergrößert.
Die 10 und 11 zeigen, daß Rohre 36 oder Rohrabschnitte auch vollständig innerhalb des Zellenpakets verlaufen können. Die durchgehenden Abschnitte der jeweiligen Rohre 36 sollen verdeutlichen, daß es sich um einen oberhalb der oberen Stirnseite 24 verlaufenden Abschnitt 40 handeln soll, wogegen die mit unterbrochenen Linien dargestellten Abschnitte 40 einen unterhalb der unteren Stirnseite 24 verlaufenden Abschnitt 40 symbolisieren. Die Rohre 36 selbst verlaufen z. B. parallel und beginnen bei einem Einlaßkollektor 54 und enden bei einem Auslaßkollektor 56. Die an den Rohren 36, genauer gesagt an den längs verlaufenden Abschnitten 38, angebrachten Lamellen 42 sind mit dickeren Linien dargestellt. In den 10 und 11 sind die Lamellen 42 wellenförmig und erfassen eine Reihe von Batteriezellen 16 entweder auf ihrer Außen- oder auf ihrer Innenseite. Die Batteriezellen 16 werden somit von gegenüberliegenden Seiten aus gegriffen und insgesamt großflächig von den Lamellen 42 kontaktiert.
Die 12 bis 16 offenbaren unterschiedliche Ausbildungen der Lamellen 42 sowie unterschiedlich dicke Zellenpakete. Die 12 und 15 zeigen beispielsweise ein dreireihiges Zellenpaket mit zueinander versetzten Reihen, die 13 und 14 ein zweireihiges Zellenpaket mit einem außenseitigen Rohr gemäß 14 und zwei außenseitigen Rohren gemäß 13, und 16 schließlich ein vierreihiges Zellenpaket.
In den 17 bis 19 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, wie die Lamellen 42 im Bereich der Anbindung an das Rohr 36 ausgeführt sein können.
Gemäß 17 ist eine Lamelle 42 in ihrem Mittelabschnitt im wesentlichen Ω-förmig umgeformt und umschließt das Rohr 36 um, in Längsrichtung gesehen, fast 270°. Es ist ein Preßsitz zwischen Lamelle 42 und Rohr 36 ausgebildet, der auch für eine gute Positionierung der Lamelle 42 am Rohr 36 sorgt. Die Lamelle 42 kann vor ihrem Aufclipsen auf das Rohr bereits entsprechend geformt sein oder um das Rohr 36 entsprechend gecrimpt werden.
Die 18 zeigt eine Rohraufnahmenut im Mittelabschnitt der Lamelle 42 beim Einführen des Rohres 36.
Um einen Preßkontakt zwischen dem Rohr 36 und der Lamelle 42 zu erreichen, werden dann in einem zweiten Arbeitsschritt die seitlichen Lappen der Rohraufnahmenut zueinander nach innen gepreßt, so daß das Rohr 36 formschlüssig über fast 270° gehalten wird. Zusätzlich zur Preßpassung kann natürlich auch ein Verlöten oder Kleben angedacht sein, wobei in den Klebstoff vorzugsweise wärmeleitende Partikel wie Aluminium im Klebstoff integriert sein sollten.
Die Rohre 36 sind Metallrohre mit einer guten Wärmeleitfähigkeit von mehr als 180 W/m/K und besitzen üblicherweise einen Außendurchmesser von 4 bis 10 mm, wobei die Wandstärke 0,3 bis 2 mm, abhängig vom Kühlfluid, beträgt. Die Wandstärke der Rohre 36 liegt bei einem Wasser-/Glycol-Gemisch und bei R134a etwa 0,3 bis 1 mm, bei CO₂ 1 bis 2 mm. Die Innendurchmesser der Rohre betragen für das Wasser-/Glycol-Gemisch und R134a 3 bis 6 mm, bei CO₂ 1,5 bis 4 mm. Ein Rohr 36 versorgt etwa 1 bis 10 Batteriezellen 16, und eine Lamelle ist in etwa 1 bis 3 Batteriezellen 16 zugeordnet und berührt diese.
In 20 ist die bereits in 4 dargestellte Anbringung von zwei Lamellen 42 an einem Rohrabschnitt mittels einer mechanischen Befestigung 48 noch einmal größer dargestellt.
Insgesamt erlaubt die Ausführung der Kühleinrichtung einen modularen Aufbau für unterschiedlich große Batteriebaugruppen.
Auch die Positionierung der Rohre 36 selbst kann sehr einfach über entsprechende Positioniervorsprünge 20 im Außengehäuse 10 erfolgen. Dies ist beispielsweise anhand des in 5 dargestellten rechten Rohrabschnitts 36 leicht nachvollziehbar, der zwischen einem Positioniervorsprung 20 und der Isolationsschicht 34 gehaltert sitzt.
Bei der Ausführungsform nach 21 sind die Batteriezellen 16 nicht nur nebeneinander angeordnet und über Kontaktleitungen 64 wie in 4 dargestellt, in Serie geschaltet, sondern es sind zwei übereinanderstehende Pakete von Batteriezellen zu einem Gesamtpaket zusammengefaßt. Die Längsachsen A der Batteriezellen 16 fluchten hier, so daß es gemeinsame, miteinander fluchtende Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 16 gibt, die Platz für die Rohre 36 und die Lamellen 32 bieten (siehe auch 22).
In 23 ist eine Kühleinrichtung, wie sie beispielsweise komplett vormontiert sein kann, dargestellt. Die längs verlaufenden Abschnitte 38 tragen hier beispielsweise jeweils zwei Lamellen 42, die an dem entsprechenden Abschnitt 38 befestigt sind und die jeweils an einer Seite einer Dreierreihe von angrenzenden Batteriezellen 16 anliegen.
Die Montage der Baugruppe wird im folgenden erläutert. Zuerst werden die Batteriezellen 16 einzeln oder gruppenweise automatisch in den Grundkörper 12 gestellt und zwischen Positioniervorsprünge 20 und Rippen 32 positioniert. Parallel hierzu wird die Kühleinrichtung montiert, und zwar in einem separaten Montagewerkzeug, wobei zuvor die Lamellen 42 an den bereits gebogenen Rohren 36 befestigt werden. In dem Montagewerkzeug werden die Lamellen um sog. Dummies, die die Batteriezellen 16 simulieren, herumgebogen, wobei die Dummies entsprechendes Untermaß besitzen, um die spätere Preßpassung der Lamellen 42 sicherzustellen. Die Lamellen können dabei in einem vorgeschalteten Roll- oder Stanzwerkzeug komplett vorgeformt sein, so daß sie in dem Montagewerkzeug nur entsprechend der Batterie-Rasterteilung gehalten werden, oder die Umformung der Lamellen erfolgt teilweise oder ganz in dem Montagewerkzeug. An den Dummies sind sich nach unten konisch aufweitende Schürzen vorgesehen. Diese Schürzen nehmen das obere Ende der Batteriezellen auf, wenn sie von oben auf das vormontierte Paket aus Grundkörper 12 und Batteriezellen 16 aufgesetzt werden und zentrieren die Batteriezellen 16 exakt. Da die Schürzen breiter als die Batteriezellen 16 sind, läßt sich unabhängig von der Toleranz der Zellengehäuse 18 die gesamte Kühleinrichtung mit den geformten Lamellen 32 nach unten in den Grundkörper 12 einschieben und dabei die Lamellen 42 auf die Zellen 16 stecken.
Damit sichergestellt wird, daß die einzelnen Batteriezellen 16 beim Laden und Entladen alle in etwa gleiche Temperatur haben und gleichmäßig gekühlt werden, werden die Batteriezellen 16 abhängig von ihrer Entfernung zum zugeordneten Rohr 36 in unterschiedlichem Ausmaß von dem zugeordneten oder der zugeordneten Lamelle 42 kontaktiert. Die näher am Rohr 36 angeordneten Zellen 16 haben den Vorteil, daß der anliegende Lamellenabschnitt aufgrund der Nähe zum Rohr 36 kühler ist als die vom Rohr 36 entfernteren Lamellenabschnitte. Über unterschiedlich große Kontaktflächen soll ein gleichmäßiger Kühleffekt für alle Batteriezellen 16 erreicht werden, so daß deren Temperaturen nur im Bereich von ± 2 bis 3 K schwanken.
Über Ausnehmungen 58 in denjenigen Lamellenabschnitten, die näher am Rohr 36 liegen (24), über Vertiefungen 60 zur Bildung eines Luftspalts 62, welcher größer als 0,1 mm, vorzugsweise größer als 0,5 mm sein sollte oder über voneinander beabstandete Lamellen 42 (siehe 26) lassen sich die unterschiedlichen Anlage- und damit Wärmeübertragungsflächen leicht und einfach realisieren.
In 27 ist gezeigt, daß die Vertiefung 60 auch längs der Batterielängsachse und nicht nur längs des Batterieumfangs, wie in 25 gezeigt, verlaufen kann. Die Vertiefung 60 kann auch nur lokal ausgeführt sein und muß nicht über den gesamten Umfang gehen.
Normalerweise sind sämtliche Batteriezellen 16, die als fertige, vormontierte Einheit zu einem Batteriepaket zusammengefaßt werden, von Hause aus mit einer isolierenden Kunststoffhülle umgeben. Diese Kunststoffhülle wird durch Shrinken am metallenen Außengehäuse befestigt. Dieser Schritt kostet natürlich Zeit und führt zu einer Verteuerung der Batteriezellen.
In den 28 und 29 ist ein Verfahren dargestellt, das die Kosten für die einzelnen Batteriezellen 16 bei einer erfindungsgemäßen Baugruppe verringert.
Die Batteriezellen 16 werden nämlich vorzugsweise nur mit einem metallenen Außengehäuse 18 verbaut und haben keine Isolierhülle aus Kunststoff. Die elektrische Isolierung der Batteriezellen zueinander erfolgt durch die Lamellen 42, die in dem Kontaktbereich mit dem metallenen Zellengehäuse 18 mit einer Isolierschicht, auch Isolation 70 genannt, überzogen sind.
Vorzugsweise hat die Lamelle 42 auf beiden Seiten eine Isolierschicht 70, wobei natürlich auch gegebenenfalls eine einseitige Isolierschicht 70 ausreichend sein kann.
Für die Herstellung des Blechs, aus dem Lamellen 42 herausgeschnitten werden, wird das nach der Herstellung aufgerollte Blechcoil 72 abgewickelt. Bei der Abwicklung werden gleichzeitig auf Rollen 74 aufgerollte Kunststoffolien abgewickelt und partiell ein- oder beidseits auf das Blech gewalzt. Es entsteht eine kaschierte Sandwich-Konstruktion. Die Rollen 74 haben aber nicht die Breite des Blechs, so daß ein nicht isolierter Streifen 76 verbleibt. Die einzelnen Lamellen 42 werden von dem entstehenden Sandwich-Streifen quer zur Abwickelrichtung (siehe strichpunktierte Linie in 29) abgetrennt. Am nicht isolierte Streifen 76 werden die entstehenden Lamellen dann am Rohr 36 befestigt, wogegen der isolierte Abschnitt 78 der Kontaktierung der Batteriezellen 16 und deren Isolierung dient.
In 30 ist ein mäanderförmiger Abschnitt des Rohres 36 gezeigt, der innerhalb der Batteriebaugruppe angeordnet ist und der ein zeotropes Kühlmittel führt. Im Bereich des Einlasses des Rohres 36 in die Batteriebaugruppe ist ein thermostatisches Expansionsventil 80 angeordnet. Das Rohr 36 ist nahe des Einlasses (siehe Schnitt A-A) in die Antriebsbaugruppe mit einem größeren Querschnitt versehen als im Bereich des Auslasses (siehe Schnitt B-B). Der Durchmesserunterschied ist so gewählt, daß ein Druckabfall im Kühlmittel im Bereich des gezeigten Rohrabschnittes auftritt. Dieser Druckabfall ist so groß, daß die Sättigungstemperatur des Kühlmittels im Rohrabschnitt im wesentlichen konstant bleibt.
In 31 ist das Rohr 38 zu sehen, welches von einer Lamelle 42 umgeben ist. Mit unterbrochenen Linien ist der Rohrquerschnitt im Bereich des Schnittes B-B dargestellt. Der Rohrquerschnitt kann bevorzugt kontinuierlich abnehmen, um wirklich über die gesamte Länge des in der Baugruppe wirksamen Rohrabschnitts die Sättigungstemperatur konstant zu halten.
Die Durchmesserverringerung, die in 31 dargestellt ist, kann schwer zu fertigen sein, deshalb ist als Alternativlösung gemäß 32 angedacht, den Strömungsquerschnitt des Rohres 38 durch Veränderung des Rohres, z. B. durch Abflachen, zu verändern. Gerade über eine solche Abflachung läßt sich der Strömungsquerschnitt besonders einfach kontinuierlich verringern.
Durch diese Konstruktion ist eine gleichmäßige Sättigungstemperatur über den gesamten Rohrabschnitt erzielbar.
Eine ähnliche Wirkung ließe sich durch Zwischenschaltung von Ventilen, z. B. weiteren thermostatischen Expansionsventilen, erzielen.
Bei der Ausführungsform nach 33 sind zwei Rohrabschnitte 82, 84 parallel, mit geringem Abstand zueinander angeordnet und mäanderförmig geformt. Die Rohrabschnitte 82 (mit durchgehender Linie dargestellt) und 84 (mit unterbrochenen Linien symbolisiert) sind zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Abschnitte eines einzigen Rohres 36. Am Einlaß, im Bereich des Ventils 80, strömt das zeotrope Kühlmittel durch den Rohrabschnitt 82 entlang von Batteriezellen 16 bis zu einem Umkehrpunkt 86 und von dort aus durch den Rohrabschnitt 84 parallel und gegenläufig zum Rohrabschnitt 82 bis zum Ausgang aus der Baugruppe.
In 34 ist dargestellt, daß die beiden Rohrabschnitte 82, 84 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind und damit thermisch in Kontakt stehen. Die beiden Rohrabschnitte 82, 84 können sich auch berühren. Lamellen 42 umgeben beide Rohrabschnitte 82, 84, so daß sich eine gemittelte Temperatur der Lamellen im Bereich der Batteriezellen 16 ergibt, obwohl die Sättigungstemperatur des Kühlmittels in den Rohrabschnitten 82, 84 unterschiedlich ist.
Bei den Ausführungsformen nach den 30 bis 34 sind die Rohre 36 Teil eines Kühlmittelkreislaufes, der nur abschnittsweise wiedergegeben ist.
Anstatt zweier Rohrabschnitte 82, 84 eines Rohres 36 können natürlich auch zwei voneinander getrennte Rohre vorgesehen sein, die gegenläufig durchströmt werden.

Claims

Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs zum Transport von Personen und/oder Waren, mit mehreren nach außen durch jeweils eigene Zellengehäuse (18) geschlossenen, vorgefertigten und zu einem Zellenpaket zusammengefaßten Batteriezellen (16), gekennzeichnet durch ein die Baugruppe nach außen abschließendes Außengehäuse (10) aus Kunststoff.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das Außengehäuse (10) innenseitig Positioniervorsprünge (20) angeformt sind, die an den Batteriezellen (16) angreifen und sie lagesichern.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorsprünge (20) die Batteriezellen (16) in allen Richtungen lagesichern.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriezellen (16) zylindrische, insbesondere kreiszylindrische Körper sind und sich die Positioniervorsprünge (20) in Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen (16) erstrecken.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorsprünge (20) Abschnitte (28, 30) unterschiedlicher Elastizität aufweisen.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorsprünge (20) Abschnitte (28, 30) unterschiedlichen Kunststoff aufweisen.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich zwischen benachbarten Batteriezellen (16) erstreckender Abschnitt (28) zumindest eines Positioniervorsprungs (20) aus einem elastischeren Kunststoff besteht als ein angrenzender Abschnitt (30).
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (28, 30) aus unterschiedlichen Kunststoffen durch Mehrkomponenten-Spritzgießen hergestellt sind.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriezellen (16) langgestreckte zylindrische Körper sind und die Positioniervorsprünge (20) an den Stirnseiten (24) und den Rändern der Umfangsseiten (26) der Körper angreifen.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Positioniervorsprünge (20) in Längsrichtung seitlich der zugeordneten Batteriezellen (16) auf einer Länge erstrecken, die zwischen 2 und 20% der Gesamtlänge der zugeordneten Batteriezellen (16) entspricht.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens ein, ein Kühlfluid führendes Rohr (36) zum Abtransport von Wärmeenergie der Batteriezellen (16) durch das Außengehäuse (10) erstreckt, wobei das Rohr (36) durch Positioniervorsprünge (20) im Außengehäuse (10) lagegesichert ist.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eine Kühllamelle (42) vom Rohr (36) zu einer oder mehreren Batteriezellen (16) erstreckt, um sich flächig an deren/dessen Außenseite anzulegen, wobei Positioniervorsprünge (20) zum Lagesichern der Lamelle vorgesehen sind.
Antriebsbatteriebaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positioniervorsprung (20) an mehreren Lamellen (42) angreift, um diese lagezusichern.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriezellen (16) seitlich durch ein oder zwischen mehreren Positioniervorsprüngen (20) geklemmt sind.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (10) einen einseitig offenen Grundkörper (12) und einen diesen schließenden Deckel (14) aufweist, wobei am Grundkörper (12) und/oder Deckel (14) Positioniervorsprünge (20) angeformt sind.
Antriebsbatteriebaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innenseitig am Außengehäuse (10) eine thermische Isolierschicht (70) angebracht ist.