Titel

Traktionsbaterie eines Fahrzeugs

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs mit mindestens einem E- Antrieb, wobei die Traktionsbatterie eine Anzahl von Batterieblöcken mit jeweils einer Anzahl von Batteriezellen aufweist sowie die Verwendung der Traktionsbatterie in einem Fahrzeug.

Stand der Technik

EP 2 307 218 Bl offenbart ein Fahrzeugbatteriesystem. Dieses wird in einem Hochleistungsfahrzeug mit zwei oder mehr Achsen eingesetzt, das eine

Niederflurstruktur umfasst, die einen oberen Teil hat, der einen Fußboden des Fahrzeugs bildet. Es ist eine Batterieenergiequelle vorgesehen, wobei die Batterieenergiequelle mehrere Batteriepackungen umfasst, die innerhalb der Niederflurstruktur des Fahrzeugs unter dem Fußboden untergebracht sind, wobei die Batteriepackungen sich ferner innerhalb von Hohlräumen in der

Niederflurstruktur befinden. Die Niederflurstruktur ist aus einem oder mehreren profilierten Stücken aus mindestens einem Verbundmaterial gebildet und im Wesentlichen waagerecht in einem ganzen Abschnitt zwischen den Achsen des Hochleistungsfahrzeugs angeordnet.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Fahrzeug mindestens einen E-Antrieb aufweist und die

Traktionsbatterie eine Anzahl von Batterieblöcken mit jeweils einer Anzahl von Batteriezellen enthält. Die Traktionsbatterie ist in das Fahrzeugchassis des Fahrzeugs integriert. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich die

Traktionsbatterie in das Fahrzeugchassis integrieren, wodurch eine flexible Nutzung des Bauraums im Bodenbereich des Fahrzeugs erreichbar ist. In den Bodenbereich des Fahrzeugs lässt sich insbesondere eine Kühlung integrieren, insbesondere eine Luftkühlung über den Fahrtwind. Ein separates

Batteriegehäuse kann entfallen, dieses wird durch das Fahrzeugchassis bzw. das Chassis gebildet.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung bildet die Fahrzeugkarosserie bzw. das Fahrzeugchassis das Batteriegehäuse der Traktionsbatterie, wodurch diese flexibel an die spezifischen zur Verfügung stehenden Bauräume angepasst und in optimaler Art und Weise in das

Fahrzeugchassis integriert werden kann. Insbesondere ist in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäß vorgeschlagene Traktionsbatterie so beschaffen, dass diese auf einem Fahrzeugboden angeordnet ist und sich in einen

Fußraumbereich der Fahrgastzelle des Fahrzeugbodens erstreckt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Traktionsbatterie umfasst eine Anzahl parallel geschalteter Batteriezellen, die jeweils zu einem Block zusammengefasst sind. In vorteilhafter Weise können ein erster Block und ein zu diesem

angeordneter benachbarter zweiter Block eine gemeinsame erste

Kontaktierungsebene aufweisen, wobei der zweite Block in Bezug auf den benachbarten ersten Block um eine 180° Drehung orientiert ist. Des Weiteren kann ein zweiter und ein diesem benachbarter dritter Block zueinander um 180° versetzt orientiert sein, wobei der zweite und der benachbarte dritte Block eine zweite gemeinsame Kontaktierungsebene bilden. Schließlich sind ein dritter Block und ein benachbarter vierter Block zueinander um 180° versetzt angeordnet und definieren eine dritte Kontaktierungsebene. Diese Anordnung ermöglicht, Differenzen im resultierenden Verschaltungswiderstand der

Batteriezellen zu kompensieren, was zu einer symmetrischen Stromverteilung innerhalb eines Blocks von Batteriezellen beiträgt.

Es besteht auch die Möglichkeit, auf dem Fahrzeugboden angeordnete miteinander verschaltete Blöcke in einer U-förmigen Verteilung anzuordnen, wobei von den verschalteten Blöcken abgehende Spannungsanschlüsse und „+“ unmitelbar nebeneinander liegen.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Traktionsbaterie wird eine Kühlung durch eine Bordkühlung erreicht. Hierzu wird ein in der

Fahrzeugkarosserie angeordneter Luftkanal von einer Luftströmung, d.h. im Fahrtwind, durchströmt und die Traktionsbaterie somit gekühlt. Die einzelnen blockweise zusammengefassten Bateriezellen weisen zueinander einen Zellabstand auf, der von der Luftströmung passiert wird und Wärme abtransportiert.

In vorteilhafter Weise ist der Luftkanal so ausgelegt, dass sich dessen Öffnung im Bereich einer Fahrzeugfront des Fahrzeugs befindet, wobei in der Öffnung einstellbare Lamellen angeordnet sind, über deren Anstellung die den Luftkanal passierende Luftströmung gesteuert werden kann. In vorteilhafter Weise kann der Luftkanal eine die Luftströmung

beschleunigende Engstelle sowie einen Luftfilter umfassen. Anstelle eines Luftkanals, können mehrere Luftkanäle vorgesehen sein, welche die Traktionsbaterie in Richtung der Fahrzeuglängsachse durchziehen.

Der der Traktionsbaterie zu Kühlzwecken zugeordnete Luftkanal kann insbesondere bei hohen Außentemperaturen, niedrigen

Fahrzeuggeschwindigkeiten oder bei der Passage von Steigungen über ein diesen zugeordnetes Gebläse beaufschlagt werden, wodurch die Luftströmung verstärkt wird. Bei hohen Außentemperaturen sowie bei der Passage von Steigungen kann auch Kühlluft aus einer

Fahrzeugklimaanlage in den oder die Luftkanäle geblasen werden, wodurch die Kühlung der Traktionsbaterie gewährleistet werden kann, wenn die natürliche Luftkühlung auf Grund des Fahrtwindes nicht mehr ausreichend sein sollte.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Traktionsbaterie in einem Electric Vehicle (EV), einem Hybrid Electric Vehicle (HEV) oder einem Plug-In-Hybrid-Electric-Vehicle (PHEV). Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ein Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eingespart werden, da dieses durch die

Begrenzungswände und die Geometrie einer Fahrzeugkarosserie, nämlich das Fahrzeugchassis des Fahrzeugs gebildet wird. Es kann auf einfache Weise eine symmetrische Stromverteilung in den Batteriezellen erreicht werden, ebenso wie eine niederohmige Kontaktierung zwischen den einzelnen Batteriezellen. Des Weiteren können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösungen kurze, niederohmige Leitungslängen zu dem mindestens einen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs realisiert werden. In vorteilhafter Weise lässt sich des Weiteren eine Luftkühlung integrieren, die über den Fahrtwind erfolgen kann und aber auch die Möglichkeit bietet, bei hohen Außentemperaturen und widrigen äußeren

Bedingungen, beispielsweise Passage einer Steigung, die Kühlung der

Traktionsbatterie über ein Gebläse oder kühle Luft aus der Fahrzeugklimaanlage sicherzustellen.

Die Integration der blockweise parallel verschalteten Batteriezellen in das Fahrzeugchassis erlaubt eine individuelle Anpassung an Fahrzeuge spezifischer Randbedingung und eine jeweils optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums im unteren Randbereich des Fahrzeugchassis.

Beispielsweise können Aussparungen zur Realisierung des Fußraumes vorgenommen werden, wobei die zu Batterieblöcken zusammengefassten Batteriezellen in weitestgehend frei definierbaren Flächen auf einem

Fahrzeugunterboden montiert werden können.

Durch das Verschaltungskonzept parallel geschalteter Batteriezellen und eine blockweise Zusammenfassung können bei einer 180°-Verdrehung zwischen benachbarten Blöcken von Batteriezellen gemeinsame Kontaktierungsebenen für die parallele Schaltung sowie eine Verschaltung der Batteriezellen des nächsten Batterieblockes erreicht werden. Durch diese geschickte Anordnung können Differenzen im resultierenden Verschaltungswiderstand einer Batteriezelle kompensiert werden, was zu einer symmetrischen Stromverteilung innerhalb eines Blocks aus Batteriezellen führt. Eine alternativ vornehmbare U-förmige Verteilung miteinander verschalteter Blöcke aus zusammengefassten Batteriezellen ermöglicht, abgehende

Spannungsanschlüsse direkt nebeneinander zu positionieren. Von dort können diese Spannungsabschlüsse auf sehr kurzem Weg zu dem mindestens einen E- Antrieb des Fahrzeugs geführt werden.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, kann eine Luftkühlung die Batteriezellen der einzelnen Blöcke kühlen. Zu diesem Zweck sind die

Batteriezellen mit geringem Abstand zueinander positioniert, so dass dieser Abstand bzw. Spalt von der Luftströmung zur Abfuhr von Wärme passiert werden kann. Bevorzugt erfolgt die Zuleitung des Luftstromes durch eine Öffnung im Fahrzeugfrontbereich, wobei durch eine Verengung des Luftkanalquerschnitts eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung erzielt werden kann. Optional kann durch einen in den mindestens einen Luftkanal

vorgesehenen Luftfilter eine Verunreinigung der Batteriezellen verhindert werden. Eine Steuerungsmöglichkeit der Luftströmung kann beispielsweise durch im Einlaufbereich der Luftströmung in den Luftkanal vorgesehene einstellbare Lamellen im Fahrzeugfrontbereich erreicht werden.

Wie bereits erwähnt, kann bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, hohen Außentemperaturen oder der Passage von Steigungen der natürliche Luftstrom durch ein Gebläse unterstützt werden oder es besteht die Möglichkeit, den mindestens einen Luftkanal mit klimatisierter Kühlluft aus der

Fahrzeugklimaanlage zu unterstützen, die bei hohen Außentemperaturen mit hoher Wahrscheinlichkeit in Betrieb sein wird.

Die kurzen Strecken zwischen den Spannungsanschlüssen„+“ und und dem Traktionsinverter ermöglichen es, auf kostenintensive geschirmte Leitungen zu verzichten. Hier können isolierte Kupferschienen eingesetzt werden. An diesen Kupferschienen können zusätzlich Steuergeräte mit

Traktionsspannungsversorgung (zum Beispiel Ladegerät, DC/DC-Wandler, Klimagerät) kontaktiert werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 parallel geschaltete Batteriezellen, die zu Blöcken zusammengefasst sind, sowie gemeinsame jeweils blockweise Kontaktierungsebene,

Figur 2 eine U-förmige Verteilung verschalteter Blöcke aus Batteriezellen in einem Fahrzeugchassis,

Figur 3 vertikal positionierte Batteriezellen, die von einer Luftströmung gekühlt werden und

Figur 4 eine schematische Darstellung eines im Fahrzeugboden integrierten Luftkanales zur Kühlung der Traktionsbatterie.

Ausführungsvarianten

Figur 1 zeigt einzelne Batteriezellen, die jeweils zu Blöcken zusammengefasst sind und gemeinsame Kontaktierungsebenen bilden.

Figur 1 zeigt, dass eine erste Batteriezelle 10 und eine zweite Batteriezelle 12 einen ersten Block 26 bilden. Ein zum ersten Block 26 benachbarter zweiter Block 28 wird durch eine dritte Batteriezelle 14 und eine vierte Batteriezelle 16 gebildet. In Bezug auf den ersten Block 26 ist der zweite Block 28 entsprechend einer 180°-Drehung 34 versetzt orientiert. Der erste Block 26 und der zweite Block 28 werden über eine erste gemeinsame Kontaktierungsebene 36 elektrisch kontaktiert.

Figur 1 zeigt des Weiteren, dass der zweite Block 28 die dritte Batteriezelle 14 und die vierte Batteriezelle 16 umfassend benachbart zu einem dritten Block 30 liegt, der eine fünfte Batteriezelle 18 und eine sechste Batteriezelle 20 umfasst. Auch hier ist der dritte Block 30 im Vergleich zum benachbarten zweiten Block 28 um 180° gedreht, analog zu den beiden benachbarten Blöcken 26 bzw. 28. Der zweite Block 28 und der dritte Block 30 werden über eine zweite gemeinsame Kontaktierungsebene 38 kontaktiert.

Figur 1 zeigt schließlich, dass der dritte Block 30, die fünfte Batteriezelle 18 und sechste Batteriezelle 20 umfassend benachbart zum vierten Block 32 angeordnet ist, der eine siebte Batteriezelle 22 und eine achte Batteriezelle 24 enthält. Auch der vierte Block 32 ist in Bezug auf den dritten Block 30 um 180° gedreht. Der dritte Block 30 und der vierte Block 32 werden über eine dritte gemeinsame Kontaktierungsebene 40 elektrisch kontaktiert. Durch die 180°-Verdrehung 34 der Blöcke 26, 28, 30, 32 in Bezug aufeinander, entstehen die genannten drei gemeinsamen Kontaktierungsebenen 36, 38 und 40 für die Parallelschaltung, sowie die Verschaltung mit den Batteriezellen des jeweils nächsten Blockes. Durch die in Figur 1 dargestellte Anordnung der Blöcke 26, 28, 30, 32 bzw. der Batteriezellen 10,12,14, 16, 18, 20, 22 und 24 können die Differenzen im resultierenden Verschaltungswiderstand einer Batteriezelle kompensiert werden, was zu einer symmetrischen Stromverteilung innerhalb eines jeden der Blöcke 26, 28, 30 und 32 führt.

Figur 2 ist eine U-förmig verlaufende Verschaltung einzelner Batterieblöcke zu entnehmen.

Figur 2 zeigt die schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug 45, in dessen Fahrzeugchassis 46 auf einem Fahrzeugboden 47 miteinander verschaltete Blöcke 44 aufgenommen sind. Im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind 14 Batterieblöcke nebeneinanderliegend in einer U-förmigen Verteilung 42 angeordnet. Entsprechend der Verteilung der miteinander verschalteten Blöcke 44 sind im Fußraum 48 des Fahrzeugs 45 Freiräume vorgesehen, die individuell konfiguriert werden können, je nach Orientierung der einzelnen miteinander verschalteten Blöcke 44.

Bei der in Figur 2 dargestellten U-förmigen Verteilung 42 der verschalteten Blöcke 44 liegen die abgehenden Spannungsabschlüsse direkt nebeneinander und können über ein Schütz 50 auf sehr kurzem Wege mit dem mindestens einen E-Antrieb 56 verbunden werden.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Vorderräder des Fahrzeugs 45 mit Bezugszeichen 52 bezeichnet sind, über den Schütz 50 der mindestens eine E-Antriebs 56 beaufschlagt wird, der seinerseits eine Hinterachse 54 des in Figur 2 nur schematisch angedeuteten Fahrzeugs 45 antreibt.

Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass beispielsweise auf dem Fahrzeugboden 47 angeordnete Batteriezellen 10,12, ... bis n in Bezug aufeinander in einem Zellenabstand 60 angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Gehäuse der Batteriezellen 10, 12, ... bis n einander nicht berühren, sondern einen Freiraum zueinander aufweisen, der von einer in Figur 3 angedeuteten Luftströmung 58 passiert werden kann. Somit sind die um einen Zellenabstand 60 voneinander entfernt positionierten einzelnen Batteriezellen 10,12, ... bis n von der Luftströmung 58 passierbar, so dass Wärme

abtransportiert werden kann.

Figur 4 zeigt eine schematische Anordnung eines Luftkanales zur Kühlung der Traktionsbatterie.

Wie Figur 4 in schematischer Weise zeigt, verläuft ein Luftkanal 66 in der Fahrzeugkarosserie, vorzugsweise in deren Bodenbereich, in dem die

Traktionsbatterie 64 angeordnet ist. Zur bestmöglichen Ausnutzung des

Fahrtwindes, weist der mindestens eine Luftkanal 66 im Bereich einer

Fahrzeugfront 74 eine Öffnung 62 auf. In Bezug auf den Kanalquerschnitt des mindestens einen Luftkanales 66, ist die Öffnung 62 hinsichtlich ihres

Strömungsquerschnittes für die Luftströmung 58 trichterförmig erweitert.

Vorzugsweise befinden sich im Bereich der Öffnung 62 eine Anzahl von ansteuerbaren, einstellbaren Lamellen 72. Durch die ansteuerbaren,

verstellbaren Lamellen 72 kann die Luftströmung 58, die in den mindestens einen Luftkanal 66 einströmt gesteuert und reguliert werden. Der mindestens eine Luftkanal 66 kann in seinem Strömungsquerschnitt eine Engstelle 68 aufweisen, so dass die Luftströmung bei der Passage des mindestens einen Luftkanales 66 beschleunigt wird. Um Eintrag von Schmutz in den mindestens einen Luftkanal 66 und damit in die Traktionsbatterie 64 zu vermeiden, kann in den mindestens einen Luftkanal 66 ein Luftfilter 70 integriert sein. Dieser befindet sich

vorzugsweise an einer leicht zugänglichen Stelle des mindestens einen

Luftkanals 66, so dass dessen gelegentliches Auswechseln nicht behindert ist.

Aus Figur 4 lässt sich entnehmen, dass die Traktionsbatterie 64 im Wesentlichen zwischen den Vorderrädern 52 und der Hinterachse 54 angeordnet ist. Der mindestens eine Luftkanal 66 ist in der Darstellung gemäß Figur 4 nur schematisch angedeutet.

Für den Fall, dass das Fahrzeug 45 mit niedrigen Geschwindigkeiten unterwegs ist, etwa bei der Passage von Steigungen, kann die Luftströmung 58 durch ein Gebläse unterstützt werden. Bei dem Gebläse handelt es sich beispielsweise um einen zur Belüftung des Fahrgastraumes des Fahrzeugs 45 ohnehin im Fahrzeug 45 vorgesehenes Bauteil, so dass zur zusätzlichen Unterstützung der

Luftströmung 58 durch den mindestens einen Luftkanal 66 kein zusätzlicher Mehraufwand zu betreiben ist. Des Weiteren kann insbesondere bei hohen Außentemperaturen, bei der Passage von Steigungen und dergleichen mehr, eine Klimaanlage des Fahrzeugs 45 dazu benutzt werden, die Luftströmung 58 durch den mindestens einen Luftkanal 66 zu unterstützen, so dass auch bei widrigen Nutzungsbedingungen eine zuverlässige Kühlung der Traktionsbatterie 64 aufrecht erhalten bleibt und deren einwandfreier Betrieb gewährleistet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die

Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.