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Die Erfindung betrifft eine Temperier- und Abstützeinrichtung für ein Batteriemodul einer Batterie zum Temperieren und Abstützen von Batteriezellen des Batteriemoduls. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemodul für eine Batterie sowie eine Batterie.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Batterien, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche Batterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen auf, welche wiederum eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezelle aufweisen. Für einen optimalen Betrieb des Kraftfahrzeugs ist die Temperierung der Batteriezellen, also das Heizen und Kühlen, von besonderer Bedeutung, da eine Leistung und einer Lebensdauer der Batterie maßgeblich von einer Temperatur der Batteriezellen abhängen. Dabei ist es beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt, die Batteriemodule mit Temperiereinrichtungen auszustatten. Beispielsweise kann die Temperiereinrichtung eines Batteriemoduls eine Temperierplatte aufweisen, welche an einer Seite der in einem Zellverbund angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls angeordnet wird und welche von einem Temperierfluid durchströmt wird. Durch eine solche einseitige Temperierung der Batteriezellen kann jedoch eine vergleichsweise geringe Temperierleistung bereitgestellt werden.
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Auch kommen einer sicheren Lagerung und Montage der Batteriezellen eine hohe Bedeutung zu, vor allem solcher Batteriezellen, welche sich im Betrieb ausdehnen. Beispielsweise werden die Batteriezellen eines Batteriemoduls gemeinsam mit elastischen Abstandshaltern montiert. Diese Abstandshalter stützen die Batteriezellen ab und können Kräfte aufnehmen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders effiziente und bauraumsparende Temperierung und Abstützung für Batteriezellen eines Batteriemoduls bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Temperier- und Abstützeinrichtung, ein Batteriemodul sowie eine Batterie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Temperier- und Abstützeinrichtung für ein Batteriemodul einer Batterie dient zum Temperieren und Abstützen von Batteriezellen des Batteriemoduls. Die Temperier- und Abstützeinrichtung weist zumindest ein elastisch komprimierbares Temperierelement zum Anordnen an zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls auf, welches zumindest einen, von einem Temperierfluid durchströmbaren Temperierkanal aufweist. Außerdem weist die Temperier- und Abstützeinrichtung zumindest eine elastisch komprimierbare Stützstruktur auf. Die Stützstruktur ist in dem zumindest einen Temperierkanal angeordnet und dazu ausgelegt, eine von der zumindest einen Batteriezelle ausgeübte und das zumindest eine Temperierelement komprimierende Kraft aufzunehmen. Außerdem ist die Stützstruktur dazu ausgelegt, bei der Kompression des Temperierelementes einen vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt des Temperierkanals für das Temperierfluid aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriemodul für eine Batterie aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen sowie eine erfindungsgemäße Temperier- und Abstützeinrichtung. Die Batteriezellen des Batteriemoduls sind insbesondere prismatische Batteriezellen, welche abwechselnd mit Temperierelementen der Temperier- und Abstützeinrichtung entlang einer Stapelrichtung gestapelt sind, sodass zwischen zwei Batteriezellen jeweils ein Temperierelement zum Bereitstellen einer Zellzwischentemperierung angeordnet ist. Ferner gehört zur Erfindung eine Batterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriemodul.
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Die Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie bzw. ein Akkumulator, welcher insbesondere als eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Batterie als eine Hochvoltbatterie mit einer Spannungslage von zumindest 100 V ausgebildet sein. Die Batteriezellen sind pro Batteriemodul in zumindest einem Zellverbund angeordnet. Die Batteriezellen sind vorzugsweise prismatische Batteriezellen, können aber auch als Rundzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Zellgehäuse der Batteriezellen weisen üblicherweise einen Gehäusedeckel, einen dem Gehäusedeckel in einer Hochrichtung (z-Richtung) gegenüberliegenden Gehäuseboden sowie einen Gehäusemantel auf. Bei prismatischen Batteriezellen, welche ein flachquaderförmiges Zellgehäuse aufweisen, ist der Gehäusemantel durch zwei, in einer Tiefenrichtung (y-Richtung) gegenüberliegende Breitseiten sowie zwei, in einer Breitenrichtung (x-Richtung) gegenüberliegende Schmalseiten ausgebildet. Die Breitseiten bilden eine Frontwand und eine Rückwand des Zellgehäuses aus und die Schmalseiten bilden Seitenwände des Zellgehäuses aus.
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Die Batteriezellen sind dabei insbesondere derart angeordnet, dass ein Zellzwischenraum zwischen zumindest zwei benachbarten Batteriezellen gebildet wird, in welchem jeweils ein Temperierelement der Temperier- und Abstützeinrichtung angeordnet werden kann. Die Temperierelemente weisen jeweils zumindest einen Temperierkanal auf, welcher zum Temperieren der Batteriezellen von einem flüssigen oder gasförmigen Temperierfluid, beispielsweise einem Kühlmittel, durchströmt werden kann. Beispielsweise können die Temperierelemente als hohle, elastisch verformbare Temperierkörper ausgebildet sein. Insbesondere sind die Temperierelemente als komprimierbare, einschichtige oder mehrschichtige Folienbeutel ausgebildet. Zumindest ein Folienbeutel kann in einem Rahmen angeordnet sein, oder nur verschweißt sein, um den Temperierkanal auszubilden. Der Temperierkanal sowie die Strömungsrichtung des Temperierfluids verlaufen dabei insbesondere entlang der Hochrichtung.
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Im Falle von prismatischen Batteriezellen können diese entlang einer Stapelrichtung zu einem Zellverbund in Form von einem Zellstapel gestapelt werden. Die Stapelrichtung ist entlang der y-Richtung orientiert, sodass die Breitseiten der Zellgehäuse fluchtend zueinander bzw. überlappend miteinander angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Batteriezellen sowie vorderseitig und rückseitig an dem Zellstapel können die Temperierelemente angeordnet sein. Die Temperierelemente liegen dabei insbesondere an den Breitseiten der Zellgehäuse der Batteriezellen an, sodass jede Batteriezelle über die durch die Temperierelemente bereitgestellte Zwischenzelltemperierung zweiseitig temperiert werden kann. Die Temperierelemente können beispielsweise als hohle, quaderförmige Temperierelemente ausgebildet sein, sodass sich ein Temperierkanal mit einem rechteckigen Strömungsquerschnitt für das Temperierfluid ergibt.
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Die Temperierelemente können dabei Kräfte, welche beispielsweise durch einen Unfall, eine betriebsbedingte Ausdehnung der Batteriezellen oder toleranzbedingte Unterschiede der Batteriezellen im Neuzustand auftreten, aufnehmen. Im Falle der zu Zellstapeln gestapelten prismatischen Batteriezellen wirken die Kräfte beispielsweise quer zur Strömungsrichtung in y-Richtung und komprimieren das oder die elastischen Temperierelemente. Dies führt zu einer Verengung des Temperierkanals des jeweiligen Temperierelementes und damit zu einer Verringerung des Strömungsquerschnitts des Temperierkanals. Um die Batteriezellen abzustützen bzw. halten zu können und dabei gleichzeitig den vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt der Temperierkanäle aufrechterhalten zu können, sind in den Temperierkanälen Stützstrukturen angeordnet. Die Stützstruktur ist ebenfalls elastisch komprimierbar und dient als Abstandshalter. Anders ausgedrückt verhindert Die Stützstruktur, dass sich der Temperierkanal derart verengt, dass beispielsweise ein Durchfluss des Temperierfluids nicht oder nur kaum möglich ist und die Batteriezellen somit nicht mehr oder nur noch unzureichend temperiert werden können. Die Stützstruktur gewährleistet also, dass die Kompression des Temperierelementes nur bis zu einem vorbestimmten Grad möglich ist. Dadurch, dass die Stützstruktur in das zumindest eine Temperierelement integriert ist, ist sie außerdem besonders bauraumsparend ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Stützstruktur mit einer, mit einem Kompressionsgrad des Temperierelementes steigenden Steifigkeit ausgebildet. Die Stützstruktur weist also einen nicht-konstanten Steifigkeitsverlauf auf. Bei einer geringen Kompression des Temperierelementes und der Stützstruktur, beispielsweise aufgrund einer Ausdehnung der Batteriezellen im Betrieb, soll die Steifigkeit der Stützstruktur gering sein. Bei einer starken Kompression, beispielsweise aufgrund eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, soll die Steifigkeit hoch sein, insbesondere um den vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt aufrechterhalten zu können.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Stützstruktur zusätzlich dazu ausgelegt ist, zum Erhöhen eines Strömungswiderstands des Temperierfluids und damit zum Erhöhen einer Temperierwirkung Turbulenzen des Temperierfluids in dem zumindest einen Temperierkanal zu erzeugen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Temperierleistung bzw. Temperierwirkung unter anderem von einer Geometrie des zumindest einen Temperierkanals abhängt. Die Geometrie beeinflusst eine Art der Strömung des Temperierfluids und damit ein Strömungswiderstand des Temperierfluids. Eine turbulente Strömung weist dabei eine höhere Temperierwirkung auf als eine laminare Strömung. Um diese turbulente Strömung zu erzeugen, kann die Stützstruktur verwendet werden, welche sich in dem Temperierkanal und damit im Strömungspfad des Temperierfluids befindet. Die Stützstruktur sorgt dafür, dass das Temperierfluid permanent umgelenkt wird, und erzeugt damit Turbulenzen des Temperierfluids. Die turbulente Strömung führt, auch aufgrund einer Homogenisierung der Strömungsverteilung des Temperierfluids, zu einer besseren Temperierung. Durch die Stützstruktur können somit in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Funktionen bereitgestellt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stützstruktur trapezblechartig mit abwechselnd nebeneinander angeordneten Hochsicken und Tiefsicken ausgebildet. Eine Profilhöhe der trapezblechartigen Stützstruktur, welche durch einen Abstand zwischen Sickenböden der Hochsicken und Sickenböden der Tiefsicken definiert ist, ist zum Aufnehmen der das Temperierelement komprimierenden Kraft reversibel veränderlich ausgebildet. Die Hochsicken und die Tiefsicken erstrecken sich insbesondere entlang einer Strömungsrichtung des Temperierfluids in dem Temperierkanal und unterteilen den Strömungsquerschnitt des Temperierkanals in trapezförmige Teilbereiche. Die trapezblechartige Stützstruktur weist ein trapezförmiges Profil auf, welches durch die Hochsicken und die Tiefsicken ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist das trapezförmige Profil als Schwalbenschwanzprofil ausgebildet.
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Insbesondere sind die Sickenböden der Hochsicken und die Sickenböden der Tiefsicken anliegend an einander gegenüberliegenden Kanalwänden des Temperierkanals angeordnet. Die Kanalwände der Temperierkanals, welche der durch die benachbarten Batteriezellen ausgeübten Kraft ausgesetzt sind, liegen sich in y-Richtung gegenüber und sind beispielsweise anliegend an den Breitseiten der Zellgehäuse der benachbarten Batteriezellen angeordnet. Durch den Kontakt zwischen der Stützstruktur und den Kanalwänden und damit zwischen der Stützstruktur und den Batteriezellen über die Sickenböden ist eine großflächige Abstützung der Batteriezellen mit einer geringen Flächenpressung bereitgestellt. So kann bei der Ausdehnung oder bei einer Bewegung der Batteriezellen entlang der y-Richtung eine Beschädigung der Batteriezellen durch die Stützstruktur verhindert werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass schräg verlaufende Sickenwände der Hochsicken und Tiefsicken, welche die Sickenböden der Hochsicken und die Sickenböden der Tiefsicken über bogenförmige Verbindungsabschnitte miteinander verbinden, zum Verringern des Abstands zwischen den Sickenböden der Hochsicken und den Sickenböden der Tiefsicken elastisch biegbar ausgebildet sind. Die Sickenwände der Tiefsicken können sich also reversibel biegen, wenn das Temperierelement und damit die Stützstruktur komprimiert werden. Bei Komprimieren bewegen sich die einander gegenüberliegenden Kanalwände und damit die Sickenböden der Hochsicken und die Sickenböden der Tiefsicken aufeinander zu, sodass eine Sickentiefe und damit die Profilhöhe der Stützstruktur verringert werden.
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Auch können die Sickenwände entlang ihrer Erstreckungsrichtung ein Profil, insbesondere ein Wellenprofil, aufweisen. Dadurch können die Steifigkeit der Stützstruktur sowie die Turbulenzen dem Temperierfluids erhöht werden. Zum Einstellen des vorbestimmten Steifigkeitsverlaufs der Stützstruktur können Abmessungen der Sickenwände und/oder Abmessungen der Sickenböden und/oder die Profilierung der Sickenwände und/oder ein Biegeradius der Verbindungsabschnitte und/oder eine Materialdicke der Stützstruktur entsprechend variiert bzw. vorgegeben werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Stützstruktur zum fluidischen Koppeln von durch die Stützstruktur unterteilten Temperierkanalabschnitten Durchgangsöffnungen für das Temperierfluid auf. Da der Temperierkanal durch die Stützstruktur in Temperierkanalabschnitte unterteilt wird, kann durch die Durchgangsöffnungen in der Stützstruktur gewährleistet werden, dass die Temperierkanalabschnitte miteinander „kommunizieren“ können. Die Durchgangsöffnungen können beispielsweise in den Sickenwänden angeordnet sein.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Temperier- und Abstützeinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Batteriemodul sowie für die erfindungsgemäße Batterie.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der 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 alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Batteriemoduls mit einer Temperier- und Abstützeinrichtung in einem nicht-komprimierten Zustand;
- 2 das Batteriemodul gemäß 1 mit der Temperier- und Abstützeinrichtung in einem komprimierten Zustand; und
- 3 ein exemplarischer Steifigkeitsverlauf der Temperier- und Abstützeinrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen eine Schnittdarstellung eines Batteriemoduls 1 in der x-y-Ebene. Die z-Richtung ist hier senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Das Batteriemodul 1 kann beispielsweise mit weiteren Batteriemodulen 1 zu einer Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verschaltet werden. Das Batteriemodul 1 weist Batteriezellen 2 auf, welche in einer, in y-Richtung orientierten Stapelrichtung hintereinander angeordnet sind und welche hier als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind. Außerdem weist das Batteriemodul 1 eine Temperier- und Abstützeinrichtung 3 zum Temperieren und Abstützen der Batteriezellen 2 auf. Die Temperier- und Abstützeinrichtung 3 weist ein Temperierelement 4 auf, welches zwischen zwei Batteriezellen 2 angeordnet ist. Das Temperierelement 4 weist zwei gegenüberliegende Kanalwände 5 auf, welche anliegend an Breitseiten 6 der Batteriezellen 2 angeordnet sind und welche einen Temperierkanal 7 für ein Temperierfluid begrenzen. Das Temperierfluid fließt dabei in z-Richtung entlang der Breitseiten 6 der Batteriezellen 2. Zum Kühlen der Batteriezellen 2 nimmt das Temperierfluid eine Abwärme der Batteriezellen 2 auf und transportiert diese ab. Zum Heizen der Batteriezellen 2 gibt das Temperierfluid Wärme an die Batteriezellen 2 ab. Der Temperierkanal 7 weist hier einen im Wesentlichen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt Q(K) in der x-y-Ebene auf.
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Das Temperierelement 4 ist aus einem elastisch komprimierbaren Material ausgebildet und kann entlang der y-Richtung komprimiert werden, sodass der Strömungsquerschnitt Q(K) von einem Kompressionsgrad K des Temperierelementes 4 abhängt. In 1 ist das Temperierelement 4 in einem nicht-komprimierten Zustand gezeigt, sodass der Strömungsquerschnitt Q(K) einem Maximalströmungsquerschnitt Q(K1) entspricht. Die Kompression kann beispielsweise durch die Batteriezellen 2 verursacht werden, welche, beispielsweise herstellungsbedingt und/oder betriebsbedingt, eine Kraft bzw. einen Druck auf das Temperierelement 4 ausüben. Um diesen Druck aufzunehmen und dabei einen vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt Q(K2), wie in 2 gezeigt, für das Temperierfluid aufrechtzuerhalten, weist die Temperier- und Abstützeinrichtung 3 eine elastisch komprimierbare Stützstruktur 8 auf. Der Wert des von dem Kompressionsgrad K abhängigen Strömungsquerschnitts Q(K) bewegt sich also zwischen dem Maximalströmungsquerschnitt Q(K1) und dem Mindestströmungsquerschnitt Q(K2).
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Die Stützstruktur 8 ist hier trapezblechartig ausgebildet und weist ein schwalbenschwanzförmiges Profil auf. Die Stützstruktur 8 weist in x-Richtung abwechselnd nebeneinander liegende, konisch geformte Hochsicken 9a und Tiefsicken 9b auf. Die Hochsicken 9a und die Tiefsicken 9b erstrecken sich dabei in z-Richtung und unterteilen den hier rechteckförmigen Strömungsquerschnitt Q(K) in Teilbereiche. Die Hochsicken 9a und die Tiefsicken 9b weisen Sickenböden 10 auf, welche entlang der x-Richtung orientiert sind und abwechselnd anliegend an den einander gegenüberliegenden Kanalwänden 5 angeordnet sind. Dadurch liegt die Stützstruktur 8 großflächig an den Kanalwänden 5 an und hält eine Flächenpressung der Stützstruktur 8 auf die Batteriezellen 2 klein. Außerdem weisen die Hochsicken 9a und die Tiefsicken 9b Sickenwände 11 auf, welche über bogenförmige Verbindungsabschnitte 12 mit den Sickenböden 10 verbunden sind. Die Sickenwände 11 sind, wie in 1 gezeigt, geradlinig verlaufend, wenn das Temperierelement 4 und damit die Stützstruktur 8 nicht komprimiert sind. Die Sickenwände 11 sind, wie in 2 gezeigt, bogenförmig verlaufend, wenn das Temperierelement 4 und damit die Stützstruktur 8 komprimiert sind.
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In 3 ist ein Verlauf 13 gezeigt, welcher die Steifigkeit S der Stützstruktur 8 über die ausgeübte Kraft F auf den Temperierkörper 4 bzw. über den Kompressionsgrad K des Temperierkörpers 4 zeigt. Die Steifigkeit S steigt dabei mit dem Kompressionsgrad K bzw. der Kraft F und erhält somit den Mindestströmungsquerschnitt Q2 aufrecht. Um diesen Verlauf 13 der Steifigkeit S einzustellen, können Parameter der Stützstruktur 8 variiert werden. Solche Parameter können beispielsweise eine Länge der Sickenböden 10 der Hochsicken 9a, eine Länge der Sickenböden 10 der Tiefsicken 9a, eine Länge der Sickenwände 11, eine Profilierung der Sickenwände 11, ein Biegeradius der Verbindungsabschnitte 12 und/oder eine Materialdicke bzw. Wandstärke der Stützstruktur 8 sein.