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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen von Batteriezellen einer Batterie, wobei die Kühlanordnung ein Gehäuse mit mehreren Aufnahmebereichen zur Aufnahme jeweils einer der Batteriezellen aufweist, wobei das Gehäuse mindestens ein Trennelement aufweist, welches zwei benachbart angeordnete Aufnahmebereiche der mehreren Aufnahmebereiche voneinander räumlich separiert, und eine Kühleinrichtung, welche eine Kühlkanalanordnung mit mindestens einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist, sowie mindestens einen Kühlmittelzuführanschluss zum Zuführen eines Kühlmittels in die Kühlkanalanordnung, und mindestens einen Kühlmittelabführanschluss zum Abführen des Kühlmittels aus der Kühlkanalanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einer solchen Kühlanordnung und ein Verfahren zum Temperieren von Batteriezellen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, um Batteriezellen, insbesondere von Kraftfahrzeugbatterien, wie zum Beispiel Hochvolt-Batterien, zu kühlen. Beispielsweise beschreibt die
WO 2010/060856 A1 ein Batteriemodul mit einem Gehäuse und wenigstens einer in dem Gehäuse angeordneten Batterie, sowie ein Mittel zum Kühlen oder Erwärmen der wenigstens einen Batterie, wobei das Mittel zumindest ein Wärmerohr zum Temperieren der wenigstens einen Batterie umfasst. Zudem kann zwischen zwei Batterien eine Finne aus einem wärmeleitenden Material, zum Beispiel Metall, angeordnet sein, die wiederum wärmeleitend mit dem Wärmerohr verbunden ist.
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Weiterhin beschreibt die
EP 3 588 665 A1 eine Vorrichtung zum Ableiten von Wärme aus einer Anordnung aus wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern. Diese Vorrichtung umfasst eine Heatpipe und ein Wärmeeinkoppelelement. Die Vorrichtung kann dabei als ein Wärmeableiteinleger ausgebildet sein, der im Nachbarschaftszwischenraum zwischen zwei oder mehr Akkus eines Akkupacks angeordnet ist.
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Die oben beschriebenen Kühlmechanismen eignen sich dabei vor allem für als Rundzellen ausgebildete Batteriezellen. Prismatische Batteriezellen werden dagegen typischerweise in Form eines Zellstapels bereitgestellt, der über eine Bodenplatte gekühlt wird. In diesem Zusammenhang beschreibt die
EP 2 854 211 A1 eine Heiz- und Kühlvorrichtung für eine Batterie mit einer Bodenplatte, in welcher wenigstens ein Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Kühlmittel oder Kältemittel vorgesehen ist, mit einer Isolierplatte und wenigstens einem Trägerteil, in welchem jeweils wenigstens ein thermisch mit der Bodenplatte gekoppeltes elektrisches Heizelement aufgenommen ist. Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung auch eine Abdeckplatte. Die Bodenplatte, die Isolierplatte, das wenigstens eine Trägerteil und die Abdeckplatte sind dabei benachbart zueinander angeordnet. Die Einleitung des Kühlmittels oder Kältemittels erfolgt mit Hilfe einer Fluidzuführleitung, die eine Einlassöffnung bereitstellt und an der Bodenplatte angeordnet ist. Auch kann auf der Bodenplatte eine gemeinsame Fluidabführungsleitung mit einer Auslassöffnung vorgesehen sein.
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Gerade im Hinblick auf Hochvolt-Batterien, die typischerweise vielzählige Batteriezellen umfassen, ist eine effiziente Temperierung, insbesondere eine effiziente Kühlung dieser Batteriezellen besonders wichtig, um diese auf ihre optimale Betriebstemperatur, zum Beispiel von 40 Grad Celsius, zu regulieren. Aufgrund der dabei erforderlichen hohen Kühlleistung ist es wünschenswert, eine solche Kühleinrichtung energetisch so effizient wie möglich ausgestalten zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlanordnung, eine Batterie und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Kühlung von Batteriezellen einer Batterie erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung, eine Batterie und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen von Batteriezellen einer Batterie weist dabei ein Gehäuse mit mehreren Aufnahmebereichen zur Aufnahme jeweils einer der Batteriezellen auf, wobei das Gehäuse mindestens ein Trennelement aufweist, welches zwei benachbart angeordnete Aufnahmebereiche der mehreren Aufnahmebereiche voneinander räumlich separiert. Weiterhin umfasst die Kühlanordnung eine Kühleinrichtung, welche eine Kühlkanalanordnung mit mindestens einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist, mindestens einen Kühlmittelzuführanschluss zum Zuführen eines Kühlmittels in die Kühlkanalanordnung, und mindestens einen Kühlmittelabführanschluss zum Abführen des Kühlmittels aus der Kühlkanalanordnung. Dabei ist zumindest ein erster Teil der Kühlkanalanordnung in das mindestens eine Trennelement integriert.
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Dadurch lässt sich vorteilhafterweise eine Kühlung auch zwischen den einzelnen Batteriezellen bereitstellen, und zwar eine aktive Kühlung, indem ein Teil einer Kühlkanalanordnung mit mindestens einem Kühlkanal in das Trennelement zwischen zwei Aufnahmebereiche des Gehäuses zur Aufnahme jeweils einer Batteriezelle integriert ist. Mit anderen Worten können so Kühlkanäle in das Trennelement zwischen zwei Zellen, die in einem jeweiligen Aufnahmebereich angeordnet sind, eingefügt werden. Im Gegensatz zu einer nur bodenseitigen Kühlung eines Batteriemoduls, bei welcher sich die Batteriezellen üblicherweise weit entfernt von den Kühlkanälen befinden, können nunmehr die den mindestens einen Kühlkanal zumindest teilweise umfassenden Trennelemente direkt an den Zellen angeordnet werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung der Zellen mit deutlich weniger Verlustleistung. Die beschriebene Kühlanordnung sowie auch die nachfolgend noch näher erläuterten Ausführungsbeispiele eignen sich darüber hinaus nicht nur zum Kühlen von Batteriezellen, sondern korrespondierend auch zum Beheizen von Batteriezellen. Ob durch die Kühlanordnung eine Kühlung oder Beheizung der Batteriezellen bereitgestellt werden soll, hängt dabei lediglich von der eingestellten bzw. einstellbaren Temperatur des Kühlmittels ab, welches der Kühlanordnung zugeführt wird. Daher wird das Kühlmittel nachfolgend auch zum Teil als Temperiermittel bezeichnet. Beim Kühl- bzw. Temperiermittel handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser. Mit anderen Worten kann der gleiche Aufbau der Kühlanordnung auch zum Beheizen von Batteriezellen verwendet werden. Durch eine schnellere Erwärmung der Zellen, die ebenso durch die Erfindung ermöglicht wird, kann zum Beispiel auch die Peakleistung der Batterie viel früher als bei aktuellen Heizkonzepten erreicht werden. Durch die durch die Erfindung bereitgestellte Möglichkeit des Einbringens von Kühlmittel direkt neben den Zellen können die Zellen mit höheren Kühlmitteltemperaturen als bei aktuellen Kühlkonzepten gekühlt werden. Mit anderen Worten muss zur Erreichung der gleichen Kühleffizienz das Kühlmittel nicht so stark wie üblich heruntergekühlt werden. Daher ist es auch möglich, auf die zusätzliche Unterstützung eines Chillers im Kühlmittelkreislauf zu verzichten. Hierdurch können zusätzlich weitere Komponenten im Kühlkreislauf eingespart werden. Eine Verringerung der zur Regulierung der Zelltemperatur erforderlichen Energie führt gleichzeitig auch zu einer Erhöhung der Reichweite des Kraftfahrzeugs, in welchem die Kühlanordnung sowie die von dieser gekühlten Batterie Anwendung findet. Eine Verringerung der Systemkomplexität kann damit auch die Systemkosten senken.
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Das von der Kühlanordnung umfasste Gehäuse kann beispielsweise ein Modulgehäuse darstellen. Eine Batterie, wie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, kann dabei im Allgemeinen mehrere Batteriezellen umfassen, die zu Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Mit anderen Worten kann eine Hochvolt-Batterie mehrere Batteriemodule aufweisen, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Einem jeweiligen Batteriemodul kann dabei auch ein eigenes Modulgehäuse zugeordnet sein. Das von der Kühlanordnung umfasste Gehäuse kann folglich ein solches Modulgehäuse darstellen. Das Gehäuse kann aber auch ein Gesamtbatteriegehäuse darstellen. Mit anderen Worten müssen die von einer Hochvolt-Batterie umfassten Batteriezellen nicht notwendigerweise in Module zusammengefasst sein, sondern können auch ohne separates Modulgehäuse in einem Gesamtbatteriegehäuse angeordnet sein. In diesem Fall kann das von der Kühlanordnung bereitgestellte Gehäuse zu diesem Gesamtbatteriegehäuse korrespondieren. Das von der Kühlanordnung bereitgestellte Gehäuse kann aber auch ein separates Gehäuse darstellen. Mit anderen Worten kann zum Beispiel zusätzlich ein Modulgehäuse bereitgestellt sein, in welchem das Gehäuse der Kühlanordnung aufgenommen ist. Dadurch, dass das Gehäuse der Kühlanordnung gleichzeitig ein Modulgehäuse oder Gesamtbatteriegehäuse bereitstellen kann, hat den großen Vorteil, dass hier wiederum zusätzlich Komponenten eingespart werden können. Auch weist ein herkömmliches Modulgehäuse typischerweise Trennelemente zwischen den einzelnen Aufnahmebereichen zur Aufnahme einzelner Batteriezellen auf. In diese Trennelemente können nun einfach ebenfalls Kühlkanäle integriert werden, um so auf möglichst effiziente Weise eine Kühlung zwischen den Batteriezellen bereitzustellen, die insbesondere direkt an die Batteriezellen angebunden ist, da sich die Trennelemente zwischen den Aufnahmebereichen der jeweiligen Batteriezellen befinden. Die Trennelemente können beispielsweise auch die einzige Elemente darstellen, die zwischen zwei in benachbarten Aufnahmebereichen angeordneten Batteriezellen angeordnet sind. Dadurch wird durch ein einzelnes Trennelement dann vorteilhafterweise eine direkte Kühlung von gleichzeitig zwei direkt benachbart angeordneten Batteriezellen ermöglicht.
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Das Gehäuse kann dabei im Allgemeinen als eine Art Kasten mit Fächern ausgebildet sein, in welchem die Batteriezellen aufnehmbar sind, oder beispielsweise auch lediglich als eine Art Rahmenstruktur, das heißt zum Beispiel ohne eigenen Boden. Zudem kann das Gehäuse und seine Komponenten grundsätzlich aus jedem beliebigen Material gefertigt sein, zum Beispiel einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff, oder ähnlichem. Ein Metall oder eine Legierung, wie beispielsweise Aluminium, ist dabei hinsichtlich der guten Wärmeleiteigenschaften besonders vorteilhaft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein jeweiliger Aufnahmebereich zur Aufnahme einer prismatischen Batteriezelle ausgebildet, und weist insbesondere eine quaderförmige Geometrie auf. Mit anderen Worten findet die Kühlanordnung bevorzugt bei prismatischen Batteriezellen Anwendung. Gerade bei prismatischen Batteriezellen lässt sich somit auf besonders baumraumeffiziente und vorteilhafte Weise nunmehr auch eine Kühlung zwischen den einzelnen Zellen bereitstellen, indem Kühlkanäle in die Trennelemente zwischen den Zellen integriert werden. Die Trennelemente selbst müssen dabei nicht notwendigerweise in Stapelrichtung dicker als üblich ausgebildet werden, sondern können auch weiterhin sehr dünn, zum Beispiel mit einer Dicke im einstelligen Millimeterbereich, zum Beispiel 1 bis 2 Millimetern, ausgebildet sein. Dadurch vergrößert sich die Ausdehnung des Zellstapels aus mehreren in Stapelrichtung nebeneinander in den Aufnahmebereichen angeordneter Batteriezellen nicht merklich. Dies wird zudem dadurch noch begünstigt, indem beispielsweise bereits bestehende Komponenten eines Modulgehäuses genutzt werden können, um in diese entsprechende Kühlkanäle zu integrieren, wie zum Beispiel die beschriebenen Trennelemente. Die Trennelemente weisen vorzugsweise beidseitig, das heißt in Richtung der angrenzenden Aufnahmebereiche, eine vorzugsweise möglichst flache Oberfläche auf. Damit kann der Kontaktbereich zu einer in den jeweiligen Aufnahmebereichen angeordneten Batteriezelle maximiert werden. Dadurch wird auch die Temperiereffizienz maximiert. Unter einem Temperieren wird im Allgemeinen ein Heizen und/oder Kühlen verstanden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Aufnahmebereiche in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet, wobei je zwei in der ersten Richtung benachbarte Aufnahmebereiche der mehreren Aufnahmebereiche durch ein jeweiliges Trennelement voneinander separiert sind, in welchen zumindest ein erster Teil der Kühlkanalanordnung integriert ist. Diese jeweiligen Trennelemente können dabei wie zum mindestens einen Trennelement bereits beschrieben ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann eine Kühlung nicht nur in ein einzelnes Trennelement, sondern grundsätzlich in entsprechender Weise in allen Trennelementen integriert sein, die durch das Gehäuse bereitgestellt werden, und die je zwei benachbart angeordnete Aufnahmebereiche des Gehäuses separieren. Somit kann nun eine effiziente Kühlung vielzähliger in den jeweiligen Aufnahmebereichen angeordneter Batteriezellen in gleicher Weise bereitgestellt werden.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Gehäuse eine Vorderseitenwand und eine Rückseitenwand aufweist, die die Anordnung der Aufnahmebereiche bezüglich der ersten Richtung beidseitig begrenzen, wobei in die Vorderseitenwand und/oder in die Rückseitenwand zumindest ein zweiter Teil der Kühlkanalanordnung integriert ist.
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Somit kann auch für Batteriezellen, die in bezüglich der ersten Richtung ersten und letzten Aufnahmebereich des Gehäuses angeordnet sind, eine beidseitige Kühlung, einerseits durch ein Trennelement, andererseits durch die Vorderseitenwand beziehungsweise Rückseitenwand, bereitgestellt werden.
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Grundsätzlich ist es dabei denkbar, dass jedes Trennelement, und insbesondere auch die Vorderseitenwand und die Rückseitenwand seinen eigenen Kühlmittelzuführanschluss und Kühlmittelabführanschluss aufweist. Bevorzugt ist es jedoch, dass die jeweiligen Trennelemente, genauer gesagt die in den Trennelementen integrierten Teile der Kühlkanalanordnung, und/oder die Teile der Kühlkanalanordnung in der Vorderseitenwand und der Rückseitenwand, fluidisch miteinander verbunden sind. Eine solche fluidische Verbindung kann wiederum durch andere Bauteile des Gehäuses bereitgestellt werden.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Gehäuse eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand aufweist, die die Anordnung der Aufnahmebereiche bezüglich einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, beidseitig begrenzen, wobei in die erste Seitenwand und/oder in die zweite Seitenwand zumindest ein dritter Teil der Kühlkanalanordnung integriert ist. Somit kann eine Kühlung der Zellen auch über die betreffenden Seitenwände des Gehäuses bereitgestellt werden. Zudem ist es bevorzugt, dass die jeweiligen Trennwände, die senkrecht zu dieser ersten und zweiten Seitenwand verlaufen, insbesondere zwischen diesen beiden Seitenwänden verlaufen, auch direkt an die erste und zweite Seitenwand angrenzen. Die Teile der Kühlkanalanordnung der ersten und zweiten Seitenwand, sowie die der Trennelemente und der Vorderseitenwand sowie der Rückseitenwand, können dabei auch fluidisch miteinander verbunden sein. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Durchströmung der Kühlkanalanordnung und es können Kühlmittelzuführanschlüsse und Kühlmittelabführanschlüsse eingespart werden. Insbesondere ist es denkbar, dass die Kühlkanalanordnung nur einen Kühlmittelzuführanschluss und nur einen Kühlmittelabführanschluss aufweist. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn zumindest die ersten, zweiten und dritten Teile der Kühlkanalanordnung fluidisch miteinander verbunden sind. Das heißt also dass die Trennwände, in die Vorder- und Rückseitenwand und in die erste und zweite Seitenwand des Gehäuses integrierten Teile der Kühlkanalanordnung fluidisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann das Kühlmittel der ersten Seitenwand zugeführt werden, durchströmt dann durch die fluidische Verbindung die Trennwände, sowie parallel auch die Vorder- und Rückseitenwand, mündet dann anschließend in die zweite Seitenwand, aus welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelabführanschluss herausgeführt werden kann.
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Denkbar wäre es jedoch auch, dass die entsprechenden Teile der Kühlkanalanordnung, die in die jeweiligen Trennelemente, Vorder- und Rückseitenwand, sowie in die erste und zweite Seitenwand des Gehäuses integriert sind, fluidisch nicht miteinander gekoppelt sind. Dann ist jedes dieser Elemente mit einem separaten Zu- und Abführanschluss zu versehen.
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Optional kann das Gehäuse auch einen Gehäuseboden aufweisen. Beispielsweise kann dieser die Anordnung der Aufnahmebereiche bezüglich einer dritten Richtung begrenzen, die senkrecht zur ersten und insbesondere auch der zweiten Richtung ist, wobei in den Gehäuseboden zumindest ein vierter Teil der Kühlkanalanordnung integriert ist. Auch dieser vierte Teil der Kühlkanalanordnung kann optional mit den übrigen beschriebenen Teilen fluidisch verbunden sein. Somit kann auf besonders einfache und effiziente Weise eine fast allseitige Kühlung jeder einzelnen Batteriezelle bereitgestellt werden. Die Batteriezellen werden dabei bestimmungsgemäß derart in Gehäuse angeordnet, dass ihre jeweilige Zellpole, die an einer betreffenden ersten Seite einer jeweiligen Batteriezelle angeordnet sind, dem Gehäuseboden abgewandt sind. Das Gehäuse kann dabei auf der dem Gehäuseboden abgewandten Seite noch einen Gehäusedeckel aufweisen. Dieser muss nicht notwendigerweise mit Kühlkanälen versehen sein. Nichts desto weniger wäre dies jedoch ebenso denkbar.
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Die Vorderseitenwand, die Rückseitenwand, die erste und zweite Seitenwand, sowie auch die Trennelemente sind dabei vorzugsweise fest miteinander verbunden, zum Beispiel miteinander verschweißt, verschraubt, verklebt, oder bereits als einteiliges Bauteil gefertigt. Die Batteriezellen können zum Beispiel einfach oberseitig in die jeweiligen Aufnahmebereiche eingesteckt werden und dann oberseitig miteinander verschaltet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise auch einen besonders einfachen Zusammenbau eines Batteriemoduls.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Kühlmittelzuführanschluss an der ersten Seitenwand des Gehäuses angeordnet und der mindestens eine Kühlmittelabführanschluss an der zweiten Seitenwand des Gehäuses angeordnet. Dies ermöglicht die oben bereits beschriebene vorteilhafte Durchströmung des gesamten Gehäuses von der ersten Seitenwand durch die Trennelemente zur zweiten Seitenwand.
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Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse kann die Kühleinrichtung zudem eine am Gehäuse angeordnete Entlüftungsrichtung aufweisen. Diese kann mit der Kühlkanalanordnung ebenfalls fluidisch gekoppelt sein beziehungsweise einen mit der Kühlkanalanordnung fluidisch gekoppelten Entlüftungskanal bereitstellen, der in Bezug auf die dritte Richtung an einer Oberseite eines Gehäusebauteils des Gehäuses angeordnet ist. Der Begriff Oberseite bezieht sich hierbei auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Kühlanordnung in einem Kraftfahrzeug. Da Luft aus dem Kühlmittel nach oben entweicht, ist es vorteilhaft, einen solchen Entlüftungskanal oberseitig an einem Gehäusebauteil des Gehäuses, vorzugsweise an der ersten und/oder zweiten Seitenwand, anzuordnen. Dadurch lassen sich die Strömungsverhältnisse in den Kühlkanälen optimieren.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie.
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Die Batterie umfasst dabei vorzugsweise mehrere Batteriezellen, die in den jeweiligen Aufnahmebereichen des beschriebenen Gehäuses angeordnet sind. Die Batteriezellen können dabei als prismatische Zellen, und insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Batterie kann dabei auch mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei ein jeweiliges Batteriemodul eine erfindungsgemäße Kühlanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist, sowie jeweils mehrere im Gehäuse der betreffenden Kühlanordnung angeordnete Batteriezellen. Die Batterie kann beispielsweise als eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Temperieren von Batteriezellen einer Batterie mittels einer Kühlanordnung, die ein Gehäuse mit mehreren Aufnahmebereichen zur Aufnahme jeweils einer der Batteriezellen aufweist, wobei das Gehäuse mindestens ein Trennelement aufweist, welches zwei benachbart angeordnete Aufnahmebereiche der mehreren Aufnahmebereiche voneinander räumlich separiert, sowie eine Kühleinrichtung, welche eine Kühlkanalanordnung mit mindestens einem von einem Temperiermittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist, mindestens einen Kühlmittelzuführanschluss zum Zuführen eines Temperiermittels in die Kühlkanalanordnung, und mindestens einen Kühlmittelabführanschluss zum Abführen des Temperiermittels aus der Kühlkanalanordnung. Dabei wird zum Temperieren der Batteriezellen ein Temperiermittel zumindest einem in das mindestens eine Trennelement integrierten Teil der Kühlkanalanordnung zugeführt.
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Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausgestaltung beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Ein jeweiliger Aufnahmebereich ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser zur Aufnahme nur einer der Batteriezellen ausgebildet ist. Dass die Aufnahmebereiche jeweils zur Aufnahme nur einer der Batteriezellen ausgebildet sind, kann dabei so verstanden werden, dass ein solcher Aufnahmebereich geometrisch so ausgeführt ist, dass in diesem maximal eine Batteriezelle aufgenommen werden kann. Vorzugsweise ist ein solcher Aufnahmebereiche geometrisch an die Abmessungen einer aufzunehmenden Batteriezelle, insbesondere prismatischen Batteriezelle, angepasst. Eine in einem jeweiligen Aufnahmebereiche angeordnete Batteriezelle kontaktiert dabei auf einer Seite mindestens ein Trennelement und auf der anderen Seite entweder ein weiteres Trennelement oder die Vorder- oder Rückseitenwand, insbesondere möglichst großflächig. Auch ein Kontakt, insbesondere möglichst großflächiger Kontakt, zu der ersten und zweiten Seitenwand ist wünschenswert, um die Kühleffizienz zu steigern, und kann ebenso umgesetzt sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Explosionsdarstellung einer Batterie mit einer Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Kühlanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10 für eine Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 ist dabei in einer Explosionsdarstellung dargestellt, um die einzelnen Komponenten besser veranschaulichen zu können. Das Batteriemodul 10 umfasst dabei zum einen mehrere prismatische Batteriezellen 12, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Batteriezellen 12 sind dabei in Form eines Zellstapels in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet, die hier zur dargestellten y-Richtung korrespondiert. Zudem weist die Batterie 10 beziehungsweise das Batteriemodul 10 eine Kühlanordnung 14 zum Kühlen der Batteriezellen 12 auf. Die Kühlanordnung umfasst dabei zum einen ein Gehäuse 16, das sich wiederum in einzelne Gehäusekomponenten gliedert. Im vorliegenden Beispiel ist dieses Gehäuse 16 in Form einer Rahmenstruktur mit Trennelementen 18 ausgebildet. Neben diesen Trennelementen 18 des Gehäuses 16, die die einzelnen Batteriezellen 12 voneinander räumlich in y-Richtung voneinander separieren, umfasst das Gehäuse 16 zudem noch eine erste Seitenwand 20, eine zweite Seitenwand 22, eine Vorderseitenwand 24 und eine Rückseitenwand 26. Die erste und zweite Seitenwand 20, 22 sind dabei einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet, ebenso wie die Vorderseitenwand 24 und die Rückseitenwand 26. Die Vorder- und Rückseitenwand 24, 26 sowie die erste und zweite Seitenwand 20, 22 bilden dabei einen Rahmen um die Zellanordnung 28 in Form des beschriebenen Zellstapels. Die Vorder- und Rückseitenwand 24, 26 begrenzen damit den Zellstapel 28 in y-Richtung, und die erste und zweite Seitenwand 20, 22 in x-Richtung. Die Trennelemente 18 verlaufen dabei zwischen je zwei benachbart angeordneten Batteriezellen 12 und grenzen zudem vorzugsweise direkt an die erste und zweite Seitenwand 20, 22 an und stehen auf diesen beiden Seitenwänden 22, 20 senkrecht. Dadurch untergliedern diese Trennelemente 18 einen durch das Gehäuse 18 bereitgestellten Gesamtaufnahmebereich in jeweilige einzelne Aufnahmebereiche 30 für je eine Batteriezelle 12. Optional kann das Gehäuse 18 auch einen hier nicht dargestellten Gehäuseboden aufweisen. Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 noch weitere Komponenten, zum Beispiel einen Verschaltungsaufsatz 32 zur elektrischen Verschaltung der oberseitig an den Zellen 12 angeordneten Zellpolen, und einen Gehäusedeckel 34, der das Modul 10 nach oben, das heißt in z-Richtung, abschließt.
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Vorteilhafterweise sind nun in diese Trennelemente 18 Kühlkanäle 36 als Teil einer Kühlkanalanordnung 38 integriert. Vorzugsweise verlaufen dabei solche Kühlkanäle 36 oder im Allgemeinen mindestens ein Teil eines Kühlkanals 36 in jedem der Trennelemente 18. Auch in den weiteren Gehäusekomponenten können Teile einer solcher Kühlkanalanordnung 38 angeordnet sein, insbesondere wiederum in Form jeweiliger Kühlkanäle 36, die in die entsprechenden Wände integriert sein können. Im vorliegenden Beispiel ist also auch in der ersten und zweiten Seitenwand 20, 22, sowie in der Vorder- und Rückseitenwand 24, 26 ein Teil einer solchen Kühlkanalanordnung 38 mit mindestens einem Kühlkanal 36 angeordnet. Die an den Kühlkanälen 36 dargestellten Pfeile veranschaulichen dabei die Strömungsrichtung eines die Kühlkanäle 36 durchströmenden Kühlmittels, wie beispielsweise Wasser, ggf. mit Zusätzen, oder eine andere Flüssigkeit. Im vorliegenden Beispiel umfassen also die jeweiligen Trennelemente 18 jeweils einen ersten Teil 38a einer solchen Kühlkanalanordnung 38, die Vorder- und Rückseitenwand 24, 26 jeweils einen zweiten Teil 38b der Kühlkanalanordnung 38, und die erste und zweite Seitenwand 20, 22 jeweils einen dritten Teil 38c der Kühlkanalanordnung 38. Zudem kann die Kühleinrichtung auch noch einen Kühlmittelzuführanschluss 40, sowie einen Kühlmittelabführanschluss 42 aufweisen, die in 1 lediglich schematisch dargestellt sind. Der Kühlmittelzuführanschluss 40 kann zum Beispiel an der ersten Seitenwand 20 bereitgestellt sein, und der Kühlmittelabführanschluss 42 an der zweiten Seitenwand 22, oder umgekehrt. Dadurch wird zum Beispiel eine sehr vorteilhafte Strömung des dem Zuführanschluss 40 zugeführten Kühlmittels bereitgestellt, welches dann von der ersten Seitenwand 20 über die Trennelemente 18 sowie parallel dazu über die Vorder- und Rückseitenwand 24, 26 zur zweiten Seitenwand 22 strömt und aus dieser über den Abführanschluss 42 abgeführt wird. Entsprechend ist es also sehr vorteilhaft, wenn zum Beispiel die jeweiligen Teile 38a, 38b, 38c der Kühlkanalanordnung 38 fluidisch miteinander verbunden sind. Dadurch ist beispielsweise ein einzelner Kühlmittelzuführanschluss 40 und Kühlmittelabführanschluss 42 pro Batteriemodul 10 ausreichend.
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Eine Batterie, wie zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie, kann mehrere solche Batteriemodule 10 umfassen. Diese können beispielsweise in einem Gesamtbatteriegehäuse aufgenommen sein. Ein solches Gesamtbatteriegehäuse kann zum Beispiel auch einen gemeinsamen Boden, insbesondere einen Kühlboden, für diese Batteriemodule 10 bereitstellen.
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2 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Kühlanordnung 14, hier ohne darin aufgenommene Batteriezellen 12. Nichts desto weniger kann die Kühlanordnung 14 wie bereits zu 1 beschrieben ausgebildet sein. Entsprechend sind auch hier wiederum korrespondierende Bauteile mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen. Besser zu erkennen in 2 sind hierbei vor allem die durch das Gehäuse 16 bereitgestellten jeweiligen Aufnahmebereiche 30, die dabei jeweils zur Aufnahme einer Batteriezelle 12, insbesondere genau einer Batteriezelle 12, ausgebildet sind. Auch sind hier der Kühlmittelzuführanschluss 40 sowie der Kühlmittelabführanschluss 42 besser zu erkennen. Der Kühlmittelzuführanschluss 40 kann auch als Kühlmitteleintritt 40 bezeichnet werden und der Kühlmittelabführanschluss 42 als Kühlmittelaustritt. Die erste Seitenwand fungiert zudem als Kühlmittelverteiler und die zweite Seitenwand in diesem Beispiel ebenfalls als Kühlm ittelsamm ler.
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Zudem kann die Kühlanordnung 14 noch eine Entlüftungseinrichtung 44 aufweisen. In diesem Beispiel ist diese durch einen Entlüftungskanal 46 bereitgestellt, der fluidisch mit der Kühlkanalanordnung 38 der ersten Seitenwand 20 fluidisch verbunden ist. Dieser Entlüftungskanal 46 beziehungsweise ein diesen umgebender Anschlussstutzen 44 ist dabei oberseitig an der ersten Seitenwand 20 angeordnet. Dadurch kann Luft aus dem Kühlkanalsystem 38 entweichen, was die Kühleffizienz steigert. Diese Kühlkanalanordnung 14 kann damit also gleichzeitig vorteilhafterweise als Gehäuse für die Batteriezellen 12 fungieren, in das die Batteriezellen 12 einfach eingesteckt werden können. Optional kann eine solche Kühlkanalanordnung 14 mit darin aufgenommenen Batteriezellen 12 in einem zusätzlichen Modulgehäuse oder Gesamtbatteriegehäuse untergebracht werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine HV-Batterie mit Kühlung auf Modulzellenebene bereitgestellt wird, insbesondere eine wassergekühlte Hochvolt-Batterie für den Transportsektor, insbesondere für batterieelektrische Fahrzeuge und Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeuge. Hierbei werden die Kühlkanäle in das Batteriemodul zwischen die Zellen eingefügt. Dadurch kann ein optimales Heizen und Kühlen der Zellen erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010060856 A1 [0002]
- EP 3588665 A1 [0003]
- EP 2854211 A1 [0004]