Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, verwendet werden können. Solche elektrischen Energiespeicher können eine Vielzahl von Speichermodulen mit verschalteten Speicherzellen aufweisen, welche in einem Speichergehäuse des elektrischen Energiespeichers angeordnet sind. Zur Überwachung der Speicherzellen ist es üblich, die Speicherzellen zumindest teilweise mit einer Überwachungssensorik und Überwachungsaktorik auszustatten, welche mit einer Zellüberwachungselektronik einer in dem Speichergehäuse angeordneten Zellüberwachungseinrichtung bzw. CSC (Cell Supervision Circuit) kommunizieren kann. Beispielsweise kann die Überwachungssensorik Spannungssensoren zum Erfassen jeweiliger Zellspannungen aufweisen. Beispielsweise kann die Überwachungselektronik anhand asymmetrischer Zellspannungen voneinander abweichende Ladezustände der Speicherzellen erkennen und die Überwachungsaktorik zum Durchführen eines Ladezustandsausgleiches, eines sogenannten Zellbalancings, und damit zur Spannungssymmetrierung der Speicherzellen ansteuern.

Die Symmetrierung der Speicherzellen führt zu einer Temperaturerhöhung der Zellüberwachungseinrichtung, sodass es zu einer Überhitzung und dadurch zu einer Abschaltung der Zellüberwachungselektronik kommen kann. Daher ist es erforderlich, die Abwärme der Zellüberwachungseinrichtung abzuführen und dadurch die Zellüberwachungseinrichtung zu kühlen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, kostengünstige und bauraumsparende Möglichkeit zur Wärmeabfuhr für eine Zellüberwachungseinrichtung eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.

Eine erfindungsgemäße Baugruppe für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs weist einen in einem Speichergehäuse des elektrischen Energiespeichers befestigbaren Halterahmen zum Aufnehmen zumindest eines Speichermoduls des elektrischen Energiespeichers und zum erhöhten Anordnen des zumindest einen Speichermoduls gegenüber einer Speichergehäusewand des Speichergehäuses auf. Außerdem weist die Baugruppe eine an dem Halterahmen angeordnete Zellüberwachungseinrichtung zum Überwachen eines Zustands von Speicherzellen der Speichermodule sowie zum Initiieren eines Ladezustandsausgleichs der Speicherzellen auf. Die Zellüberwachungseinrichtung weist ein Kunststoffgehäuse sowie eine in dem Kunststoffgehäuse angeordnete Zellüberwachungselektronik auf. Eine Außenseite zumindest eines Rahmenelementes des Halterahmens weist Vorsprünge zur Befestigung und Abstützung des Kunststoffgehäuses auf, über die Zellüberwachungseinrichtung mechanisch mit dem Halterahmen verbunden ist. Darüber hinaus umfasst die Baugruppe ein zwischen dem Halterahmen und dem Kunststoffgehäuse angeordnetes Wärmeleitblech zum Abführen von Abwärme der Zellüberwachungseinrichtung an den Halterahmen. Das Wärmeleitblech ist flächig anliegend an dem Kunststoffgehäuse angeordnet und zur thermischen Koppelung mit dem Haltrahmen gemeinsam mit der Zellüberwachungseinrichtung an den Vorsprüngen befestigt und abgestützt ist.

Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist ein Speichergehäuse, eine Vielzahl von Speichermodulen, welche in dem Speichergehäuse angeordnet sind, und eine erfindungsgemäße Baugruppe auf. Zumindest ein Speichermodul des elektrischen Energiespeichers ist in dem Halterahmen angeordnet und unter Ausbildung eines Hohlraums zur Aufnahme zumindest einer Speicherkomponente des elektrischen Energiespeichers erhöht gegenüber einem Speichergehäuseboden des Speichergehäuses gehalten. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. Traktionsakkumulator für das Kraftfahrzeug. Die Speichermodule bzw. Batteriemodule weisen insbesondere Zellstapel aus aneinander gestapelten, miteinander verschalteten prismatischen Speicherzellen bzw. Batteriezellen auf. Das Speichergehäuse des elektrischen Energiespeichers kann beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein und ein wannenförmiges Speichergehäuseunterteil und ein wannenförmiges Speichergehäuseoberteil aufweisen. Das Speichergehäuseunterteil weist eine Speichergehäusewand in Form von einem Speichergehäuseboden auf und das Speichergehäuseoberteil weist eine Speichergehäusewand in Form von einem Speichergehäusedeckel auf. Seitenteile des Gehäuseunterteils und des Gehäuseoberteils bilden im zusammengesetzten Zustand eine Speichergehäusewand in Form von einer umlaufenden Seitenwandung aus.

An dem Speichergehäuseboden können mehrere Haltestreben zum Befestigen und Halten der Speichermodule angeordnet sein. Diese an den Haltestreben befestigten Speichermodule sind in einer ersten Ebene angeordnet. Zumindest ein Speichermodul ist an dem Halterahmen der Baugruppe befestigt, welcher das zumindest eine Speichermodul erhöht gegenüber den anderen Speichermodulen und erhöht gegenüber dem Speichergehäuseboden anordnet. Dieses in dem Halterahmen angeordnete Speichermodul ist in einer zweiten Ebene angeordnet. Der Halterahmen ist beispielsweise an dem Speichergehäuseunterteil befestigt und in einem endseitigen Teilbereich des Speichergehäuses angeordnet, welcher sich im eingebauten Zustand des Energiespeichers im Kraftfahrzeug unterhalb einer Rücksitzbank des Kraftfahrzeugs befindet. Der Halterahmen ist insbesondere ein Aluminiumgussbauteil. Beispielsweise ist der Halterahmen rechteckförmig mit zwei Langseitenrahmenelementen und zwei Kurzseitenrahmenelementen ausgebildet. Im eingebauten Zustand des Energiespeichers im Kraftfahrzeug erstrecken sich die Langseitenrahmenelemente beispielsweise entlang einer Fahrzeugquerrichtung und die Kurzseitenrahmenelemente entlang einer Fahrzeuglängsrichtung. Zum Halten des erhöhten Speichermoduls wird dieses beispielsweise in den Halterahmen eingehängt, wobei sich die Kurzseitenrahmenelemente entlang von gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels erstrecken und die Langseitenrahmenelemente entlang von Seitenbereichen der aneinander gestapelten Speicherzellen erstrecken. Durch das erhöhte Anordnen des zumindest einen Speichermoduls gegenüber dem Speichergehäuseboden ist ein Hohlraum zwischen dem Speichergehäuseboden und einer Unterseite des Speichermoduls gebildet, in welchem weitere Speicherkomponenten, beispielsweise eine Speicherelektronik, angeordnet werden kann.

Der elektrische Energiespeicher weist außerdem die Zellüberwachungseinrichtung auf, welche mit einer Überwachungssensorik und Überwachungsaktorik der Speichermodule kommunizieren kann. Die Zellüberwachungseinrichtung weist die Zellüberwachungselektronik auf, welche beispielsweise Leiterplatten mit integrierten Schaltungen aufweisen kann. Diese Zellüberwachungssensorik ist in dem Kunststoffgehäuse angeordnet und mit der Überwachungssensorik und der Überwachungsaktorik verbunden. Beispielsweise können Steckverbinder der Zellüberwachungselektronik aus dem Kunststoffgehäuse herausgeführt sein, welche mit Steckverbinden von mit der Überwachungssensorik und der Überwachungsaktorik verbundenen Leitungen kontaktiert sind. Die Zellüberwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, Sensordaten der Überwachungssensorik, beispielsweise Zellspannungen oder Modulspannungen, zu empfangen, und basierend auf den Sensordaten die Überwachungsaktorik, beispielsweise Balancierschaltungen der Speicherzellen und/oder der Speichermodule, zum Symmetrieren der Zellspannungen oder Modulspannungen anzusteuern.

Die Zellüberwachungseinrichtung ist dabei ebenfalls an dem Halterahmen befestigt. Insbesondere ist die Zellüberwachungseinrichtung an einem der Langseitenrahmenelemente angeordnet. Dazu weist der Halterahmen einstückig mit einem der Rahmenelemente ausgebildete Vorsprünge auf, welche beispielsweise als Schraubdome ausgebildet sind. Über diese Vorsprünge ist das Kunststoffgehäuse abgestützt und mit dem Halterahmen verbunden, beispielsweise verschraubt. Das Kunststoffgehäuse ist insbesondere als ein Flachgehäuse ausgebildet, wobei eine Höhe des Flachgehäuses höchstens einer Höhe des Rahmenelementes entspricht und eine Länge des Flachgehäuses kleiner ist als eine Länge des Rahmenelementes. Eine Dicke des Flachgehäuses ist deutlich kleiner als die Höhe und die Breite des Flachgehäuses Durch das Anordnen des Kunststoffgehäuses an den Vorsprüngen liegt das Kunststoffgehäuse nicht flächig am Halterahmen an, sondern ist unter Ausbildung eines Zwischenraums beabstandet zu dem Halterahmen angeordnet, sodass aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses keine ausreichende Wärmeübertragung zwischen der Zellüberwachungseinrichtung und dem Halterahmen stattfinden kann. Im Falle der Erwärmung der Zellüberwachungselektronik beim Symmetrieren der Spannungen kann es daher zu einer Überhitzung und zu einem Ausfall der Zellüberwachungselektronik kommen.

Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Zellüberwachungseinrichtung und dem Halterahmen ist das Wärmeleitblech bzw. Wärmeübertragungsblech vorgesehen. Das Wärmeleitblech kann beispielsweise ein Aluminiumblech sein. Das Wärmeleitblech ist an diejenige Wand des Kunststoffgehäuses angelegt, welche der Außenseite des Rahmenelementes, an welchem die Zellüberwachungseinrichtung befestigt ist, zugewandt ist. Somit ist das Wärmeleitblech zwischen dem Kunststoffgehäuse und dem Halterahmen angeordnet. Geometrische Abmessungen des Wärmeleitbleches entsprechen dabei insbesondere zumindest geometrischen Abmessungen der Wand des Kunststoffgehäuses, sodass die Wand des Kunststoffgehäuses vollständig von dem Wärmeleitblech überdeckt ist.

Das Wärmeleitblech ist thermisch mit dem Halterahmen gekoppelt, indem es an den Vorsprüngen des Halterahmens anliegt und dort auch befestigt ist. Beispielsweise kann das Wärmeleitblech im Bereich der Schraubdome Durchgangslöcher aufweisen, welche fluchtend zu Durchgangsöffnungen in dem Kunststoffgehäuse angeordnet sind. Die Durchgangslöcher und Durchgangsöffnungen bilden Schraublöcher, durch welche Schrauben zum Befestigen des Wärmeleitbleches und des Kunststoffgehäuses an dem Halterahmen durchgeführt werden können. Durch das flächig an dem Kunststoffgehäuse anliegende Wärmeleitblech kann eine gute Wärmeübertragung zwischen der Zellüberwachungselektronik und dem Wärmeleitblech bereitgestellt werden. Das Wärmeleitblech, welches eine im Vergleich zum Kunststoffgehäuse größere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann die Wärme über die Vorsprünge an den Halterahmen abführen.

Ein solche, mit einem Wärmeleitblech bereitgestellte Kühlung der Zellüberwachungselektronik kann besonders einfach und kostengünstig, beispielsweise als ein Stanzbiegeteil, ausgebildet sein und weist ein besonders geringes Gewicht sowie einen geringen Bauraumbedarf auf. Außerdem kann es ohne sonstige Umkonstruktionsmaßnahmen in den elektrischen Energiespeicher integriert werden.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Wärmeleitblech Prägungen zum Ausgleichen von Unebenheiten im angelegten Zustand des Wärmeleitbleches an dem Kunststoffgehäuse aufweist. Die Prägungen des Wärmeleitbleches sind insbesondere überlappend mit überhitzungsgefährdeten Bereichen der in dem Kunststoffgehäuse angeordneten Überwachungselektronik angeordnet. Es ist wünschenswert, das Wärmeleitblech vollflächig anliegend an dem Kunststoffgehäuse anzuordnen. Aufgrund von fertigungs- und materialbedingten Unebenheiten des Wärmeleitbleches ist dies jedoch nur schwer möglich. Daher werden die Prägungen vorgesehen, welche diese Unebenheiten ausgleichen sollen und dabei eine zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Fläche des Wärmeleitbleches vergrößern. Auch kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitblech biegelaschenartige Positionier- und Halteelemente für das Kunststoffgehäuse aufweist. Die biegelaschenartigen Positionier- und Halteelemente sind insbesondere an Rändern des Wärmeleitbleches angeordnet und bilden eine Einfassung für das Kunststoffgehäuse. So kann das Kunststoffgehäuse mit dem Wärmeleitblech bestückt werden und die Einheit aus Wärmeleitblech und Kunststoffgehäuse kann unter Ausbildung der Baugruppe an den Vorsprüngen des Halterahmens befestigt werden.

Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher bildet insbesondere eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs aus, sodass das Kraftfahrzeug als elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildet ist.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Speichergehäuseteils und einer

Baugruppe eines elektrischen Energiespeichers;

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der Baugruppe;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Halterahmens sowie eines

Wärmeleitbleches der Baugruppe;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Wärmeleitbleches der Baugruppe. In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Speichergehäuseteils 1 und einer Baugruppe 2 eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug. Das Speichergehäuseteil 1 ist hier ein wannenförmiges Speichergehäuseunterteil und weist eine Speichergehäusewand 3 in Form von einem Speichergehäuseboden auf. An dem Speichergehäuseboden 3 sind Haltestreben 4 angeordnet, beispielsweise festgeschweißt, an welchen hier nicht gezeigte Speichermodule des elektrischen Energiespeichers befestigt werden können. Die Haltestreben 4 erstrecken sich dabei zwischen zwei Seitenteilen 5 des Speichergehäuseteils 1, welche sich in einer bestimmungsgemäßen Einbaulage des Energiespeichers im Kraftfahrzeug in Fahrzeugquerrichtung Q gegenüberliegen. Die Speichermodule sind insbesondere aus prismatischen Speicherzellen aufgebaut, welche entlang einer Stapelrichtung aneinander gestapelt sind. Die Stapelrichtung entspricht dabei einer Erstreckungsrichtung der Haltestreben 4 entlang der Fahrzeugquerrichtung Q. Sich seitlich an den Seitenteilen 5 in Fahrzeuglängsrichtung L erstreckende Befestigungsbereiche 6 dienen zum Befestigen des elektrischen Energiespeichers an einer Karosserie des Kraftfahrzeugs.

Die Baugruppe 2 weist einen Halterahmen 7 auf, welcher in einem endseitigen Teilbereich 8 des Speichergehäuseteils 1 angeordnet und an dem Speichergehäuseteil 1 befestigt ist. Der rechteckförmige Halterahmen 7 weist mehrere Rahmenelemente 7a, 7b, 7c, 7d auf. Dabei sind zwei Rahmenelemente 7a, 7b als sich in Fahrzeugquerrichtung Q erstreckende Langseitenrahmenelemente und zwei Rahmenelemente 7c, 7d sind als sich in Fahrzeuglängsrichtung L erstreckende Kurzseitenrahmenelemente ausgebildet. An dem Halterahmen 7 kann zumindest ein Speichermodul befestigt werden, sodass dieses Speichermodul erhöht gegenüber dem Speichergehäuseboden 3 angeordnet ist. Dadurch ist ein Hohlraum 8 in dem Speichergehäuse unterhalb des erhöhten Speichermoduls gebildet, in welchem weitere Speicherkomponenten, beispielsweise eine Speicherelektronik, angeordnet werden können.

An dem Halterahmen 7 ist außerdem eine Zellüberwachungseinrichtung 9 angeordnet, welche zum Überwachen der Speicherzellen der Speichermodule dient. Die Zellüberwachungseinrichtung 9 weist, wie anhand der Explosionsdarstellung der Baugruppe 2 in Fig. 2 gezeigt ist, ein flaches, kassettenartiges Kunststoffgehäuse 10 auf, in welchem eine hier nicht sichtbare Zellüberwachungselektronik angeordnet ist. Steckverbinder 11 zum elektrischen Verbinden der Zellüberwachungselektronik mit einer Überwachungssensorik und -aktorik der Speichermodule ragen aus dem Kunststoffgehäuse 10 heraus. Die Zellüberwachungseinrichtung 9 ist hier an demjenigen Rahmenelement 7a des Halterahmens 7 befestigt, welcher dem Innenraum des Speichergehäuses und damit den restlichen Speichermodulen zugewandt ist. Dazu weist eine Außenseite 12 dieses Rahmenelementes 7a Vorsprünge 13 zur Befestigung und Abstützung des Kunststoffgehäuses 10 auf. Die Vorsprünge 13 sind beispielsweise als Schraubdome 14 ausgebildet, welche zur Befestigung des Kunststoffgehäuses 10 mittels Schrauben 15 dienen. Außerdem weist die Außenseite 12 wandartige Begrenzungselemente 16 auf, welche den Einbaubereich des Kunststoffgehäuses 10 an der Außenseite 12 des Rahmenelementes 7a begrenzen. An diese bzw. auf diese Begrenzungselemente 16 kann das Kunststoffgehäuse 10 zum Positionieren und Halten gelegt werden kann.

Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses 10 und der geringflächigen thermischen Anbindung des Kunststoffgehäuses 10 an dem Halterahmen 7 über die Schraubdome 14 kann Abwärme der Zellüberwachungselektronik nur unzureichend an den Halterahmen 7, welcher insbesondere als Aluminium-Gussteil ausgebildet ist, abgeführt werden. Daher weist die Baugruppe 2 zusätzlich ein Wärmeleitblech 17 auf, welches in einer Zwischenebene zwischen dem Halterahmen 7 und dem Kunststoffgehäuse 10 angeordnet ist. Das Wärmeleitblech 17 wird anliegend an dem Kunststoffgehäuse 10 angeordnet, sodass es eine Wand des Kunststoffgehäuses 10 vollständig bedeckt. Das Wärmeleitblech 17 weist Durchgangslöcher 18 auf, welche fluchtend zu Durchgangsöffnungen 19 des Kunststoffgehäuses 10 sowie zu den Schraubdomen 14 angeordnet sind. Dadurch können die Schrauben 15 durch die Durchgangsöffnungen 19 und die Durchgangslöcher 18 in die Schraubdome 14 eingeführt werden und dadurch das Wärmeleitblech 17 und die Zellüberwachungseinrichtung 9 an dem Halterahmen 7 befestigt werden. Über die Schraubdome 14 ist das Wärmeleitblech 17 thermisch mit dem Halterahmen 7 gekoppelt. Fig. 3 zeigt den Halterahmen 7 mit dem daran befestigten Wärmeleitblech 7 ohne die Zellüberwachungseinrichtung 9. Fig. 4 zeigt nur das Wärmeleitblech 17.

Das Wärmeleitblech 17 weist außerdem Prägungen 20 auf, welche in demjenigen Bereich des Wärmeleitbleches 17 angeordnet sind, welcher überlappend mit überhitzungsgefährdeten Bereichen der Zellüberwachungselektronik angeordnet ist. Die Prägungen 20 dienen zum Kompensieren von Unebenheiten des Wärmeleitbleches 17, sodass dieses möglichst vollflächig an dem Kunststoffgehäuse 10 anliegt. Außerdem weist das Wärmeleitblech 17 hakenförmige, biegelaschenartige Positionier- und Halteelemente 21 auf, welche zum Halten des Kunststoffgehäuses 10 dienen. Die Positionier- und Halteelemente 21 sind hier im Bereich von sich in Fahrzeugquerrichtung Q gegenüberliegenden, unteren Ecken 22 des Wärmeleitbleches 17 angeordnet, sodass das Kunststoffgehäuse 10 von den Positionier- und Halteelementen 21 eingefasst und an dem Wärmeleitblech 17 gehalten werden kann.