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DE102020128168A1 - Traktionsbatteriemodul - Google Patents

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DE102020128168A1
DE102020128168A1 DE102020128168.4A DE102020128168A DE102020128168A1 DE 102020128168 A1 DE102020128168 A1 DE 102020128168A1 DE 102020128168 A DE102020128168 A DE 102020128168A DE 102020128168 A1 DE102020128168 A1 DE 102020128168A1
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DE
Germany
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battery module
traction battery
spring
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holding frame
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Pending
Application number
DE102020128168.4A
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English (en)
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Philipp Kellner
Dieter Schiebel
Immanuel Vogel
Sascha Mostofi
Christopher Volkmer
Adrian Starczewski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
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Priority to US17/500,049 priority patent/US11752852B2/en
Priority to GB2115149.3A priority patent/GB2602193B/en
Priority to CN202111233447.XA priority patent/CN114497845B/zh
Priority to KR1020210141506A priority patent/KR102718742B1/ko
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Traktionsbatteriemodul (10) mit einem im Querschnitt rechteckigen Gehäusekörper (20) mit vier Seitenwänden (21,22,23,24), zwei Stirnwänden (25,26) und mehreren in dem Gehäusekörper (20) angeordneten plattenförmigen Zellelementen (301-306), die parallel zueinander und parallel zu zwei der vier Seitenwände (21,22) angeordnet und zu einem Zellelement-Stapel (30) zusammengefasst sind. An den beiden stirnseitigen Längsenden des Zellelement-Stapels (30) ist jeweils ein Halterahmen (40,40') vorgesehen, an dem jeweils die Längsenden der Zellelemente (301-306) derart gehalten sind, dass der Zellelemente-Stapel (30) in allen vier Querrichtungen beabstandet ist zu den vier Seitenwänden (21,22, 23,24), Jeder Halterahmen (40,40') weist an seiner einer Seitenwand (23) zugewandten Federseite (11) eine Federanordnung (50) und an seiner der Federseite (11) gegenüberliegenden Festseite (12) keine Federanordnung auf, so dass der Halterahmen (40,40') durch die Federanordnung (50) auf die der Festseite (12) zugeordnete Seitenwand (24) gedrückt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul mit einem im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Gehäusekörper, der von vier Seitenwänden und zwei Stirnwänden gebildet ist, und mehreren in dem Gehäusekörper angeordneten plattenförmigen Batterie-Zellelementen, die zu einem Zellelemente-Stapel zusammengefasst sind.
  • Für die Fertigung eines elektrischen HV-Traktionsbatteriemoduls wird für den Gehäusekörper beispielsweise ein Metall-Extrusionsprofil verwendet, das die vier Seitenwände bildet und in das bei der Montage der Zellelemente- Stapel von einer offenen Stirnseite aus eingeschoben wird. Für eine gute thermische Anbindung des Zellelemente-Stapels an eine im verbauten Zustand gekühlte Gehäuse-Seitenwand wird eine Wärmeleitmasse eingefüllt, die beispielsweise die Unterseite des Zellelemente -Stapels an die benachbarte Seitenwand thermisch anbindet.
  • Extrusionsprofile weisen relativ große Herstellungstoleranzen auf, sodass der Zellelemente-Stapel mindestens um die Fertigungstoleranz kleiner sein muss als die kleinstmöglichen Innenmaße des Extrusionsprofils. Diese Umstände machen es erforderlich, den Zellelemente-Stapel innerhalb des Gehäuses beispielsweise mit Hilfe von elastischen Federelementen bezüglich einer oder mehrerer Raumachsen toleranzausgleichend zu fixieren.
  • Derartige Traktionsbatteriemodule sind beispielsweise bekannt aus DE 10 2014 108 803 A1 , DE 10 2018 201 632 A1 oder DE 10 2018 126 572 A1 . Allerdings ist die Montage teilweise umständlich und ergibt sich bei der Montage eine undefinierte räumliche Positionierung des Zellelemente-Stapels innerhalb des Gehäuses. Dies führt bei relativ großen Abständen zwischen der im im Fahrzeug verbauten Zustand gekühlten Gehäuse-Seitenwand und dem Zellelemente-Stapel zu einem relativ hohen Bedarf an Wärmeleitmasse, um prozesssicher eine ausreichende thermische Anbindung des Zellelemente-Stapels an die gekühlte Seitenwand sicherzustellen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, ein kostengünstig herstellbares Traktionsbatteriemodul zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Traktionsbatteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Traktionsbatteriemodul weist einen im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Gehäusekörper mit vier Seitenwänden und zwei Stirnwänden auf. Die vier Seitenwände können beispielsweise von einem monolithischen Profilkörper gebildet sein, beispielsweise von einem im Extrusionsverfahren hergestellten Metall-Profilkörper, der im Verlauf der Herstellung des Traktionsbatteriemoduls durch Anbringung der beiden Stirnwände zu einem hermetisch geschlossenen Gehäuse verschlossen wird. In dem Gehäusekörper sind mehrere plattenförmigen Batterie-Zellelemente angeordnet, die parallel zueinander und parallel zu zwei Seitenwänden angeordnet sind, und die zu einem Zellelemente-Stapel elektrisch und mechanisch zusammengefasst sind. An den beiden stirnseitigen Längsenden des Zellelemente-Stapels ist jeweils ein separater Halterahmen vorgesehen, an dem jeweils die Längsenden der Zellelemente derart mechanisch gehalten sind, dass sie mechanisch zusammengefasst sind und dass der Zellelemente-Stapel in allen vier Querrichtungen wenigstens minimal beabstandet ist zu den korrespondierenden Seitenwänden des Gehäuses.
  • Jeder Halterahmen weist an seiner einer Seitenwand zugewandten Federseite eine elastische Federanordnung auf, und weist an seiner der Federseite gegenüberliegenden Festseite keine Federanordnung auf, sodass der Halterahmen durch die Federanordnung auf die der Festseite zugeordnete Innenseite der Seitenwand des Gehäuses gedrückt wird. In der Regel handelt es sich bei der die Festseite bildende Seitenwand um die untere Seitenwand des Gehäusekörpers und bei der Federseite um die obere Seitenwand des Gehäusekörpers. Der Halterahmen hält also alle Zellelemente eines Zellelemente-Stapels mechanisch zusammen und sorgt für einen wenigstens minimalen räumlichen Abstand des Zellelemente-Stapels von allen Seitenwänden und Stirnwänden des Gehäusekörpers. Auf der Federseite erfolgt die Beabstandung des Zellelemente-Stapels zu der korrespondierenden Seitenwand jedoch nicht durch ein starres Abstandselement, sondern durch eine elastische Federanordnung, sodass auf diese Weise auf der Federseite des Zellelemente-Stapels ein Toleranzausgleich erfolgt. An der Festseite dagegen wird stets der gleiche Abstand des Zellelemente-Stapels zu der zugeordneten Seitenwand sichergestellt.
  • Auf diese Weise kann auf der Festseite ein relativ kleiner Abstand des Zellelemente-Stapels von der betreffenden Seitenwand zuverlässig und prozesssicher eingestellt werden. Durch den relativ geringen Abstand des Zellelemente-Stapels von der betreffenden Seitenwand, die in im Fahrzeug verbauten Zustand gekühlt wird, wird unabhängig von der Art der thermischen Verbindung zwischen dem Zellelemente-Stapel und der zugeordneten gekühlten Seitenwand ein guter Wärmeübergang sichergestellt.
  • Vorzugsweise ist der Zwischenraum zwischen dem Zellelemente-Stapel und der Festseiten-Seitenwand durch ein Wärmeleitmittel aufgefüllt. Da der definierte Abstand des Zellelemente-Stapels von der Festseiten-Seitenwand immer gleich klein ist, reicht eine relativ geringe Menge der Wärmeleitmasse aus, um eine zuverlässige vollflächige thermische Anbindung des Zellelemente-Stapels an die betreffende Seitenwand prozesssicher herzustellen.
  • Vorzugsweise ist die Festseite der beiden Halterahmen unten, sodass die untere Seitenwand zur Festseite gehört, und ist die Federseite oben, sodass die obere Seitenwand zu der Federseite gehört. Die untere Seitenwand des Gehäusekörpers wird im im Fahrzeug verbauten Zustand beispielsweise durch eine Flüssigkeitskühlung gekühlt.
  • Vorzugsweise stehen die plattenförmigen Zellelemente jeweils in einer Vertikalebene, und zwar sowohl während der Herstellung und Montage des Traktionsbatteriemoduls als auch im im Fahrzeug verbauten Zustand.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Federanordnungen der beiden stirnseitigen Halterahmen jeweils eine in einer einzigen Längsrichtung, nämlich der Montagerichtung, wirksame Einfädelschräge aufweisen, wobei die beiden Einfädelschrägen die gleiche Längsrichtungs-Orientierung aufweisen. Bei der Montage des Traktionsbatteriemoduls wird der Zellelemente-Stapel einschließlich der beiden daran bereits montierten Halterahmen in einer Längsrichtung in den an einer Stirnseite oder an beiden Stirnseiten noch offenen Profilkörper eingeschoben. Hierbei werden die beiden Federanordnungen beider Halterahmen beim Einschieben sukzessive am Öffnungsrand in Querrichtung eingefedert, bis die betreffende Federanordnung jeweils vollständig eingeschoben ist. Hierdurch ist die Montage des Zellelemente-Stapels einschließlich der daran befestigten Halterahmen in dem Gehäuse stark vereinfacht.
  • Vorzugsweise besteht die Federanordnung aus mehreren vereinzelten und über die Breite der Federseite verteilten Federelementen. Hierdurch wird ein sich über die gesamte Federseiten-Breite verteilende homogene Querkraft der Federelemente auf den Halterahmen sichergestellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die beiden Halterahmen aus Kunststoff, sind also relativ preiswert herstellbar. Die Federanordnung bzw. die Federelemente können grundsätzlich aus einem anderen Material als der Halterahmen selbst bestehen, sind jedoch bevorzugt einstückig mit dem Kunststoff-Halterahmen ausgebildet. Hierdurch sind die Herstellungskosten für das Traktionsbatteriemodul reduziert.
  • Vorzugsweise weisen die Zellelemente an ihren Längsenden, die von den beiden Halterahmen zusammengehalten werden, elektrische Kontaktelemente auf. Die Kontaktelemente zueinander benachbarter Zellelemente sind jeweils durch eine Stromschiene elektrisch miteinander verbunden. Besonders bevorzugt werden diese Stromschienen unmittelbar von dem Halterahmen gehalten, müssen also nicht durch separate Fixierelemente an dem Halterahmen bzw. dem Gehäusekörper fixiert werden.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen vormontierten Zellelemente-Stapel einschließlich an den Längsenden angebrachter Halterahmen sowie einen vier Seitenwände bildenden Gehäuse-Profilkörper vor dem Einschieben des Zellelemente-Stapels in den Profilkörper,
    • 2 einen Längsschnitt eines zusammengebauten Traktionsbatteriemoduls, bei dem der Zellelemente-Stapel in den Gehäusekörper eingeschoben, ein Wärmeleitmittel im Bereich der unteren Gehäuse-Seitenwand eingefüllt und die beiden Stirnwände angebracht wurden, und
    • 3 das Traktionsbatteriemodul der 2 in Stirnansicht bei geöffneter Stirnwand.
  • In den 2 und 3 ist ein zusammengebautes elektrisches Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul 10 mit einem quaderförmigen Metall-Gehäusekörper 20 und einem darin gasdicht gelagerten Zellelemente-Stapel 30 schematisch dargestellt. Der Gehäusekörper 20 besteht aus zwei vertikalen Seitenwänden 21,22, zwei horizontalen Seitenwänden 23,24 und zwei zu den Seitenwänden 21 - 24 senkrecht stehenden vertikalen Stirnwänden 25,26. Die Seitenwände 21 - 24 werden von einem in der 1 dargestellten monolithischen Profilkörper 21' gebildet, der im Strangpressverfahren hergestellt ist.
  • Der Zellelemente-Stapel 30 besteht aus einer Vielzahl von plattenförmigen elektrochemischen Zellelementen 301 - 306, die parallel zueinander und in einer Vertikalebene stehend angeordnet sind.
  • An den beiden stirnseitigen Längsenden des Zellelemente-Stapels 30 ist jeweils ein Kunststoff-Halterahmen 40,40' vorgesehen, der die stirnseitigen Längsenden 13,14 der Zellelemente 301 - 306 formschlüssig umgreift und zu einem quaderförmigen Zellelemente-Stapel 30 zusammenfasst. Wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, sind die Zellelemente 301 - 306 von den beiden Halterahmen 40,40' derart gehalten und eingefasst, dass der Zellelemente-Stapel 30 in allen vier in der 3 dargestellten Querrichtungen beabstandet ist zu den jeweils zugeordneten Seitenwänden 21 - 24. Jeder Halterahmen 40,40' weist an seiner der oberen Seitenwand 23 zugewandten Federseite 11 eine Federanordnung 50 auf. An den anderen drei den Seitenwänden 21,22,24 zugewandten Querseiten sind keine Federanordnungen vorgesehen. Beide Federanordnungen 50,50' bestehen jeweils aus mehreren einzelnen in der 2 dargestellten und, im Längsschnitt betrachtet, liegend V-förmigen Federelementen 52, die jeweils eine in der Einschubrichtung E, also in einer Längsrichtung, wirksame Einfädelschräge 54 aufweisen. Die Federanordnung 50 bzw. die Federelemente 52 sind einstückig mit dem Kunststoff-Halterahmen 40,40' ausgebildet.
  • Die Einfädelschrägen 54 der Federelemente 52 der Federanordnungen 50,50' der beiden Halterahmen 40,40' haben die gleiche Längsrichtungs-Orientierung, sodass die Federelemente 52 beim Einschieben des Zellelemente-Stapels 30 in den Profilkörper 21' nach proximal in senkrechter Richtung einfedern, sodass der Zellelemente-Stapel 30 an seinen beiden Längsenden vertikal innerhalb der vier Seitenwände 21-24 verspannt ist.
  • Die Zellelemente 301 - 306 weisen an ihren Längsenden in Form von Kontaktfahnen elektrische Kontaktelemente 34 auf, die durch elektrisch leitende Metall-Stromschienen 36 elektrisch miteinander verbunden sind, so dass die Zellelemente 301 - 306 auf diese Weise elektrisch in Reihe miteinander verschaltet sind. Die Stromschienen 36 werden durch Kunststoff-Haltezungen 80,81 in Position gehalten, die einstückig mit dem Kunststoff-Körper des jeweiligen Halterahmen 40,40' ausgebildet sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (11)

  1. Traktionsbatteriemodul (10) mit einem im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Gehäusekörper (20) mit vier Seitenwänden (21,22,23,24), zwei Stirnwänden (25,26) und mehreren in dem Gehäusekörper (20) angeordneten plattenförmigen Batterie- Zellelementen (301-306), die parallel zueinander und parallel zu zwei der vier Seitenwände (21,22) angeordnet und zu einem Zellelement-Stapel (30) zusammengefasst sind, wobei an den beiden stirnseitigen Längsenden (13,14) des Zellelement-Stapels (30) jeweils ein Halterahmen (40,40') vorgesehen ist, an dem jeweils die Längsenden (13,14) der Zellelemente (301-306) derart gehalten sind, dass der Zellelemente-Stapel (30) in allen vier Querrichtungen beabstandet ist zu den vier Seitenwänden (21,22, 23,24), und wobei jeder Halterahmen (40,40') an seiner einer Seitenwand (23) zugewandten Federseite (11) eine Federanordnung (50) und an seiner der Federseite (11) gegenüberliegenden Festseite (12) keine Federanordnung aufweist, so dass der Halterahmen (40,40') durch die Federanordnung (50) auf die der Festseite (12) zugeordnete Seitenwand (24) gedrückt wird.
  2. Traktionsbatteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Zwischenraum zwischen dem Zellelemente-Stapel (30) und der Festseiten-Seitenwand (24) durch ein Wärmeleitmittel (60) gefüllt ist.
  3. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die vier Seitenwände (21-24) von einem monolithischen Profilkörper (21') gebildet sind.
  4. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Festseite (12) unten und die Federseite (11) oben ist.
  5. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Zellelemente (301-306) jeweils in einer Vertikalebene stehen.
  6. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die beiden Federanordnungen (50) der beiden Halterahmen (40,40') jeweils eine in Längsrichtung wirksame Einfädelschräge (54) aufweisen, wobei die beiden Einfädelschrägen (54) die gleiche Längsrichtungs-Orientierung aufweisen.
  7. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Federanordnung (50) aus mehreren über die Breite der Federseite verteilten Federelementen (52) gebildet ist.
  8. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die beiden Halterahmen (40,40') jeweils aus Kunststoff bestehen.
  9. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 und 8, wobei die Federelemente (52) einstückig mit dem Halterahmen (40,40') ausgebildet sind.
  10. Traktionsbatteriemodul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Zellelemente (301-306) an ihren Längsenden elektrische Kontaktelemente (34) aufweisen, wobei die Kontaktelemente (34) zueinander benachbarter Zellelemente (301-306) jeweils durch eine Stromschiene (36) elektrisch miteinander verbunden sind.
  11. Traktionsbatteriemodul (10) nach Anspruch 10, wobei die Stromschienen (36) unmittelbar von dem Halterahmen (40,40') gehalten werden.
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