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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul bestehend aus mehreren
aneinander angeschlossenen Zellen, die jeweils einen positiven und einen
negativen Anschluss aufweisen und befasst sich insbesondere mit
Akkumulatoren, insbesondere Lithiumionenzellen, die zur Bildung
einer Traktionsbatterie bzw. -batteriemodul für Fahrzeuge mit elektrischem
Antriebsstrang verwendet werden. Solche Batteriemodule können z.
B. in elektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren oder
Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzellen eingesetzt werden. Durch den
modularen Aufbau eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es
auch für andere
Zwecke verwendet werden, z. B. bei stationären Anwendungen oder Kleintraktionsanwendungen, wie
beispielsweise in einem Rollstuhl.
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Das
erfindungsgemäße Batteriemodul
wird bevorzugt auf der Grundlage von Lithiumionenzellen aufgebaut,
es kann aber im Prinzip auch jede andere verfügbare wieder aufladbare Batteriezelle
zur Anwendung kommen.
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Ein
Batteriemodulsystem, das aus mehreren gleichartigen Batteriemodulen
zusammengebaut ist, kann beispielsweise ausgelegt werden, um einen Leistungsbereich
abzudecken mit einem Energieinhalt zwischen 1 kWh und 400 kWh oder
mehr und kann ohne weiteres in einem Spannungsbereich zwischen 12
und 800 V arbeiten. Insbesondere kann ein Batteriemodul beispielsweise
ausgelegt werden, um mit zwölf
einzelnen Zellen die jeweils eine Zellenspannung von 3,6 V aufweisen,
ein Batteriemodul mit einem gesamten Energieinhalt von 1,728 kWh
aufzubauen, das je nach Verschaltung der einzelnen Zellen Ausgangsspannungen
im von Bereich 10,8 V bis 43,2 V bei Stromabnahme im Bereich zwischen
160 A/h und 40 A/h aufweist. Beispielsweise bei einer 3s4p-Schaltung,
d. h. mit jeweils vier parallel verschalteten Zellen, die drei Mal
in Reihe hintereinander geschaltet sind, kann eine Ausgangsspannung von
10,8 V (3 × 3,6
V) erzeugt werden und eine solches Batteriemodul ermöglicht dann
eine Stromabnahme von bis zu 160 A/h. Mit einer Konfiguration von
12s1p, d. h. mit zwölf
Zellen in Reihe kann eine Ausgangsspannung von 43,2 V erreicht werden
(12 × 3,6
V) und es ist eine Stromabnahme von 40 A für eine Stunde möglich. Im
Allgemeinen ist die Notation: XsYp so zu verstehen, dass X die Anzahl
der Serienzellen angibt, und Y die Anzahl der parallelen Zellen bedeutet.
Durch die Verschaltungsvarianten ergeben sich also bei gleicher
Modulgröße und gleichem Grundaufbau
verschiedene Modulspannungen.
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Um
höhere
Spannungen zu erreichen, können
dann eine entsprechende Anzahl von Batteriemodulen elektrisch in
Reihe geschaltet werden, wobei die Verschaltung der einzelnen Batteriemodule miteinander
auch nach dem Muster XsYp erfolgen kann.
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Ein
Referenzsystem zum Einsatz in batterieelektrischen Kompaktfahrzeugen
kann sich beispielsweise an folgenden Eckpunktdaten orientieren: Gesamtenergieinhalt
der Module 13,824 kWh (d. h. acht Batteriemodule je 1,732 kWh),
Spannungslage 400 V und Dauerleistung ±20 kW. Hierzu ist anzumerken,
dass für
die Erzeugung einer Spannungslage von 400 V es notwendig sein kann,
die Gesamtausgangsspannung der Batterie mit Hilfe eines Umrichters
bzw. eines Transformators heraufzusetzen. Beispielsweise würde bei
Verwendung von acht Batteriemodulen der oben genannten Art in einer
6s2p Konfiguration mit 21,6 V Ausgangsspannung je Batteriemodule
eine Gesamtausgangsspannung bei einer Reihenschaltung aller acht
Batteriemodule von 8 × 21,6
V = 172,38 V erreicht.
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Selbst
wenn ein Batteriemodulsystem dieser Art ausgelegt ist für eine Dauerleistung
von ±20
kW, können
dennoch zu Beschleunigungszwecken Spitzenleistungen von beispielsweise
100 kW kurzfristig von der Batterie abverlangt werden, wodurch ausgezeichnete
Beschleunigungswerte sich erzielen lassen.
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Im
Ladebetrieb kann beispielsweise mit einer Ladeleistung von 40 kW
gearbeitet werden.
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Die
oben angegebenen Werte sind rein beispielhaft genannt, stellen aber
andererseits Werte dar, die durchaus mit kommerziell verfügbaren Lithiumionenbatterien
erreicht werden können.
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Grundsätzlich kann
auf der Zellebene die geeignetste erscheinende Technologie der Batterieauslegung
nach den Kriterien technisches Potential wie z. B. Energie- und
Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer, Kostenpotential und
Ressourcenverfügbarkeit
ausgewählt
werden. Auf der Systemebene bzw. Modulebene müssen zusätzlich die Sicherheit, die
Langlebigkeit und Komfort im Betrieb berücksichtigt werden. Ferner sollen
die zusätzlichen
Maßnehmen,
die erforderlich sind, um ein funktionsfähiges Batteriesystem zu erreichen,
ein Minimum an Zusatzkosten-Gewicht
und -Volumen beanspruchen. Solche zusätzliche Maßnahmen betreffen z. B. das
elektrische Management des Batteriemoduls, das thermische Management
des Batteriemoduls, die Integration auf Zell- und Modulebene sowie
die Integration in einem Fahrzeug.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriemodul
bzw. ein Batteriemodulsystem bestehend aus mehreren gleichartigen
Modulen zur Verfügung
zu stellen, das kompakt aufgebaut ist und thermisch optimiert ausgelegt
ist, wodurch die Betriebstemperatur des Batteriemoduls bzw. des
Batteriemodulsystems innerhalb von engen Grenzen gehal ten werden
kann, um das lokale Überhitzen
einzelner Zellen oder erhöhte
Temperaturen einer oder mehrerer Zellen möglichst zu vermeiden.
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Ferner
soll, ausgehend von einer Grundkonstruktion, die Auslegung der jeweiligen
Batteriemodule je nach den konkret geforderten Einsatzbedingungen
variabel gestaltet werden und das Erreichen einer kompakten und
leicht anschließbaren
Auslegung des Batteriemoduls bzw. des Batteriemodulsystems sowie
die preisgünstige
Herstellung von solchen Batteriemodulen und Batteriemodulsystemen preisgünstig ermöglicht werden.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
wird erfindungsgemäß ein Batteriemodul
der eingangs genannten Art vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet,
dass die flächigen
und mit Aussparungen versehenen Anschlüsse in mindestens zwei Reihen
derart angeordnet sind, dass die Breitseiten benachbarter flächiger Anschlüsse einer
jeweiligen Reihe einander zugewandt sind, dass die Anschlüsse jeder
Reihe durch gezielt angeordnete, leitende Abstandselemente und ggf.
isolierende Abstandselemente in Abstand zueinander gehalten sind,
dass innerhalb des Moduls die Zellen durch gezielte Anordnung ihrer
positiven und negativen Anschlüsse
in der einen oder der anderen Reihe elektrisch in Reihe und/oder
parallel zueinander geschaltet sind und dass die Anschlüsse jeder Reihe
sowie die dazwischen angeordneten Abstandselemente durch eine Spanneinrichtung
aneinander pressbar sind.
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Ein
solcher mechanischer Aufbau des Batteriemoduls ermöglicht es
zunächst,
je nach der gezielten Anordnung der positiven und negativen Anschlüsse der
Zellen innerhalb des Moduls verschiedene Betriebsspannungen und
Betriebsströme
mit einer grundsätzlich ähnlichen
Auslegung des Batteriemoduls zu erreichen, so dass die meisten Komponenten
in den verschiedenen Varianten verwendet werden können und
wenige Sonderbauteile wenn überhaupt
benötigt
werden, die sonst die Herstellungskos ten erhöhen würden. Auch ist es grundsätzlich möglich, die
Anzahl der Zellen je Batteriemodul flexibel zu wählen und dennoch viele gemeinsame Komponenten
bei der Herstellung der jeweiligen Batteriemodule zu verwenden.
Die Batteriegröße ist durch
den modularen Ansatz und die elektrischen und hydraulischen Verbindungsmöglichkeiten
in weiten Bereichen skalierbar. Die Konstruktionsprinzipien lassen
sich schnell und einfach mit geänderten
Zellgeometrien oder Leistungsdaten an andere Flachzellen anpassen.
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Das
erfindungsgemäße Batteriemodul
kann somit flexibel gestaltet werden und weist quasi selbst einen
modularen Aufbau auf.
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Durch
die Verwendung von flächigen
Anschlüssen
gelingt es einerseits, die einzelnen Zellen, die vorzugsweise quaderförmig in
Draufsicht sind, relativ flach auszubilden, wodurch aus den einzelnen Zellen über die
flächigen
Anschlüsse
Wärme abgeführt werden
kann. Durch die sich hierdurch ergebende flache Quaderform der Zellen
kann auch Wärme von
den Flachseiten der Zelle gut abgeführt werden, wodurch eine Voraussetzung
für das
Erzielen eines engen Betriebstemperaturbereichs in der Zelle geschafft
werden kann. Dadurch, dass die Anschlüsse jeder Reihe durch eine
jeweilige Spanneinrichtung aneinander bzw. an den dazwischen angeordneten Abstandselementen
gepresst sind, kann sichergestellt werden, dass Widerstandsverluste
an den verschiedenen Anschlüssen
nicht entstehen bzw. nur in geringem Maße entstehen und dass das Batteriemodul
stets die gewünschte
Ausgangsspannung aufweist.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die flächigen Anschlüsse durch
Verlängerungen
der Elektroden der Zellen gebildet sind und zur aktiven Kühlung der Zellen
für eine
gezielte Wärmeabfuhr
von den Zellen ausgelegt und an eine wärmeabführende Kühleinrichtung angeschlossen
sind. Hierdurch wird die Abfuhr von Wärme aus dem Inneren der Zelle
begünstigt.
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Die
Spanneinrichtung ist vorzugsweise durch mindestens einen Spannbolzen,
insbesondere durch mindestens einen bevorzugt rohrförmigen Spannbolzen
für jede
Reihe gebildet.
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Bei
Verwendung von rohrförmigen
Spannbolzen, die aus Gewichtersparnisgründen günstig sind, wäre es auch
denkbar, diese im Inneren mit einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit,
zu kühlen,
um die Abführung
von Wärme
zu begünstigen.
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Ein
solcher rohrförmiger
gekühlter
Spannbolzen kann an mindestens einer Stelle thermisch an die leitenden
oder nicht leitenden Abstandselemente (und somit thermisch an die
Zellanschlüsse) und/oder
direkt an die Zellanschlüsse
angebunden sein. Somit kann auch die Spanneinrichtung verwendet
werden, um Wärme
aus den Zellen gezielt abzuführen.
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Die
Spannbolzen werden im Regelfall von einer isolierenden Hülse umgeben,
um unerwünschte Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Zellen zumindest im Wesentlichen die Form eines
flachen Quaders aufweisen, wobei die positiven und negativen flächigen Anschlüsse jeder
Zelle vorzugsweise in einer Ebene oder in jeweiligen Ebenen angeordnet sind,
die zu den Breitseiten der quaderförmigen Zelle parallel angeordnet
ist bzw. sind.
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Hierdurch
wird nicht nur eine kompakte Anordnung begünstigt, sondern jede Zelle
kann je nach Auslegung des Batteriemoduls entweder in einer Richtung
eingebaut werden, bei der beispielsweise der positive Anschluss
auf der linken Seite der Zelle und der negative Anschluss auf der
rechten Seite der Zelle vorliegen oder sie können umgedreht eingebaut werden,
so dass der negative flächige
Anschluss auf der linken Seite und der positive Anschluss auf der rechten
Seite zu liegen kommen. Auch kann bei einer derartigen Anordnung
diese so getroffen werden, dass stets mit die gleiche Form aufweisenden
Abstandselementen gearbeitet werden, wodurch die Abstandselemente
für sich
kostengünstiger
und rationell in größeren Serien
herstellbar sind.
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Bei
einer praktischen Ausführungsform
ist es günstig,
wenn der Pol des Batteriemoduls an ein erstes Ende der einen Reihe
angeschlossen und der andere Pol an das dem genannten ersten Ende
entgegengesetzten zweiten Ende der gleichen Reihe angeschlossen
ist. Der Pol an dem zweiten Ende der Reihe wird dann über eine
Verlängerung
zum dem genannten ersten Ende benachbarten ersten Ende der anderen
Reihe geführt.
Hierdurch können
elektrische Verbindungen zu den beiden Polen an einer gemeinsamen
Seite des Batteriemoduls vorgenommen werden, beispielsweise können die
Polanschlüsse dann
an der Oberseite der Batterie liegen, wo sie gut zugänglich sind.
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Bei
dieser Konstruktion ist es ohne Weiteres möglich, ein Abstandselement
der genannten anderen Reihe zur Halterung der Verlängerung
seitlich der anderen Reihe zu verlängern.
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Besonders
günstig
ist es, wenn ein Kühlmodul
vorgesehen ist, das an ersten und zweiten einander gegenüberliegenden
Seiten des Batteriemoduls Kühlplatten
aufweist, sowie mit sich zwischen diesen Seiten erstreckenden wärmeleitenden
Verbindungsplatten versehen ist, die zwischen sich die Zellen aufnehmende
Fächer
bilden.
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Wie
nachfolgend später
erläutert
wird, ist es dann möglich,
bei einer kompakten Bauweise die beiden Kühlplatten mittels einer Kühlflüssigkeit
wirksam über
zumindest im Wesentlichen ihrer gesamten Fläche zu kühlen und hierdurch auch möglich, Wärme von
den beiden Kühlplatten
ver bindenden wärmeleitenden
Verbindungsplatten abzuziehen, wodurch die Zellen die benachbart
zu den Kühlplatten
angeordnet sind, ebenfalls intensiv gekühlt werden.
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Besonders
günstig
bei einer derartigen Ausführungsform
ist eine Anordnung, bei der jeweils zwei insbesondere flache quaderförmige Zellen
in jedem Fach angeordnet sind, wobei gegebenenfalls jeweils eine
Zelle auf der äußeren Seite
der äußeren Verbindungsplatten
angeordnet werden kann. Hierdurch ist jede Zelle auf mindestens
einer Seite einer wärmeabführenden
Verbindungsplatte benachbart angeordnet, wodurch Wärme günstig aus
der schmalen flachen Zelle über
die entsprechende Breitseite der Zelle abgezogen wird.
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Die
seitlich angeordneten Kühlplatten
sind vorzugsweise von einer Kühlflüssigkeit
durchströmbar
ausgebildet, die vorzugsweise durch schlangenartige Passagen der
Platten gegebenenfalls durch eine Verbindungsleitung zwischen den
Kühlplatten hindurchgepumpt
werden kann. Auf diese Weise können
die Kühlplatten
vollflächig
gekühlt
werden, wodurch ebenfalls eine günstige
Wärmeabfuhr
von den Verbindungsplatten erreichbar ist.
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Die
schlangenartigen Passagen weisen jeweils einen Eingang und einen
Ausgang auf, wobei die Eingänge
und die Ausgänge
vorzugsweise auf einer Seite des Batteriemoduls vorgesehen sind,
insbesondere auf der gleichen Seite wie die Pole. Dies bedeutet,
dass bei der Verwendung von mehreren Batteriemodulen in einem Batteriemodulsystem
nicht nur die elektrische Verbindung zwischen den Modulen sondern
auch die Kühlflüssigkeitsverbindungen zwischen
den Modulen besonders günstig
von ein und derselben Seite vorgenommen werden können. Auch macht eine derartige
Anordnung die Auslegung des Modulgehäuses einfacher, in dem das
Batteriemodul eingebaut wird.
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Die
Kühlplatten
selbst sind vorzugsweise jeweils durch mindestens eine Kanäle aufweisende Grundplatte
und eine Abdeckplatte gebildet, wobei die Abdeckplatte mit der Grundplatte
verschweißt oder
verklebt ist. Die Platte mit den Kanälen kann dann als einfaches
Pressteil erzeugt werden, während
die Abdeckplatte durch ein zumindest im Wesentlichen nicht verformtes
Blechteil gebildet ist. Dies stellt eine preisgünstige Möglichkeit dar, eine solche Kühlplatte
herzustellen. Alternativ kann die Kühlplatte auch als ein schlangenförmig/mäandernd
gewundenes Rohr funktional ersetzt werden.
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Insbesondere
soll mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul
ein jeweiliges isolierendes vorzugsweise zweiteiliges Gehäuse zur
Anwendungen gelangen, aus dessen einem Teil die Pole und die gegebenenfalls
vorhandenen Kühlmittelanschlüsse heraus
führbar
sind.
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Das
Gehäuse
kann ein Vorspannmittel, beispielsweise in Form einer Schaumstoffeinlage
auf dessen beiden einander zugewandten Innenseiten aufweisen, die
auf der entgegengesetzten Seite des Batteriemoduls angeordneten
Zellen an die diesen Zellen benachbart angeordneten wärmeleitenden Verbindungsplatten
anzudrücken.
Durch diese Vorspannung wird die Wärmeabfuhr von den außen angeordneten
Zellen begünstigt.
Die Zellen, die paarweise in den Fächern unterhalb des Kühlmoduls
angeordnet sind, können
entweder eng an den die jeweiligen Fächer bildenden Verbindungsplatten
anliegen oder mittels einer Schaumstoffeinlage oder eine wärmeleitende
Paste zwischen den Zellen in enger wärmeleitender Verbindung mit
den Verbindungsplatten gebracht werden.
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Besonders
günstig
ist es, wenn das Gehäuse ferner
eine Anschlussstelle für
ein Batteriemanagementsystem aufweist, die vorzugsweise an der gleichen
Seite des Gehäuses
vorgesehen ist wie die Pole und die Kühlmittelanschlüsse. Beim
Einbau des Batteriemoduls in ein Fahrzeug können dann sowohl die elektrischen
Anschlüsse
zu den Polen wie auch die Kühlmittelanschlüsse zu dem
Kühlmodul
und auch der Anschluss des Batteriemanagementsystems von einer Seite
der Batterie aus erfolgen, wobei im Falle des Batteriemanagementsystems
ein einfacher herkömmlicher
Schnittstellenstecker oder Busstecker verwendet werden kann.
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Wie
oben erwähnt,
können
die erfindungsgemäßen Batteriemodule
zu einem Batteriemodulsystem bestehend aus mehreren gleichartigen
Batteriemodulen zusammengesetzt werden, wobei dies vorzugsweise
so erfolgt, dass mehrere parallele Kühlkreise insbesondere von sieben
bis neun parallele Kühlkreise
vorgesehen sind, die über
ein Verteilerrohr gespeist sowie an ein Sammelrohr angeschlossen
sind. Besonders günstig
ist es, wenn jeweils zwei bis vier und insbesondere zwei Batteriemodule
in Reihe aneinander angeschlossen werden, wobei die Kühlpassagen
innerhalb der Batteriemodule vorzugsweise mit einem Strömungsquerschnitt
entsprechend dem eines Rohres mit einem lichten Durchmesser von
8 bis 9 mm ausgebildet sind.
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Mit
einer derartigen Flüssigkeitskühlung können das
Verteilerrohr und das Sammelrohr mit einer Hauptleitung kommunizieren,
die eine Pumpe und einen Kühler
gegebenenfalls mit Lüfter
aufweist. Über den
Kühler
und den vorzugsweise verwendeten Lüfter kann dann Wärme dem
Kühlsystem
entzogen werden.
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Die
Hauptleitung bzw. ein etwaiger Vorratsbehälter für die Kühlflüssigkeit, von der die Hauptleitung
abgeht, können
ferner eine Heizeinrichtung aufweisen, die zur Vorwärmung der
Kühlflüssigkeit
und dementsprechend der einzelnen Zellen herangezogen werden kann,
beispielsweise dann, wenn aufgrund der Außentemperatur die Betriebstemperatur der
Batterien sonst zu niedrig wäre.
Mit anderen Worten, kann das vorhandene Kühlsystem ohne Weiteres herangezogen
werden, um die Batteriemodule vorzuwärmen, d. h. auch als Heizsystem
verwendet werden.
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Die
Hauptleitung kann ferner einen (gegebenenfalls zusätzlichen)
Wärmetauscher
mit mindestens einem weiteren Kreislauf aufweisen, der eine Heizungsanlage
bzw. eine Klimaanlage speist. Hierdurch kann die Wärme die
vom Batteriemodulsystem abgezogen wird, zur Klimatisierung bzw.
zum Heizen der Fahrgastzelle des Fahrzeugs verwendet werden.
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Das
Batteriemodulsystem kann in Kombination mit einem Ventil stehen,
das derart ansteuerbar ist, dass die Abluft von dem Kühler wahlweise
mindestens teilweise in den Innenraum einer Fahrgastzelle zur Heizung
oder nach außen
lenkbar ist, falls die Fahrgastzelle ohnehin ausreichend erwärmt ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
erläutert
anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmoduls,
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2A eine
perspektivische Darstellung der Vorderseite des Kühlmittels
der 1 mit eingesetzten Lithiumionenzellen sowie einer
vorderen Platte, d. h. der Vorderseite eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls
ohne Gehäuse,
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2B eine
Draufsicht auf eine Zelle, die in der Ausführung gemäß 2A zum
Einsatz kommt,
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2C eine
Seitenansicht der Zelle der 2B entsprechend
dem Pfeil IIC der 2B,
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3A eine
vordere Ansicht des Batteriemoduls der 2 mit
der genannten vorderen Platten entfernt, nur mit den Anschlüssen der
Zellen sichtbar,
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3B eine
Sicht von oben auf die Darstelldung gemäß 3A,
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3C eine
perspektivische Darstellung einer Grundplatte des Batteriemoduls
der 2 und 3 mit
Darstellung der Spannbolzen,
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4 eine
Darstellung von einigen möglichen
elektrischen Konfigurationen eines erfindungsgemäßen Traktionsbatteriemoduls
einschließlich
der 6s2p Konfiguration, die bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul
gemäß 2 und 3 verwendet
wird,
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5 eine
zweite schematische Darstellung der Verschaltung des Batteriemoduls
gemäß 3A entsprechend
der 6s2p Konfiguration der 4,
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6 eine
weitere schematische Darstellung, die es erleichtert, den Schaltplan
gemäß 5 in
Einklang mit der Darstellung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 3A zu
bringen,
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7A–7E Zeichnungen,
die der Konstruktion der Kühlplatte
gemäß 1 genauer
angeben, wobei die 7A eine perspektivische Darstellung
der erfindungsgemäßen linken
Kühlplatte
des Kühlmoduls
gemäß 1 zeigt,
bei der Einlass- und Auslassrohre noch nicht angebracht sind,
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7B eine
Schnittzeichnung des gepressten inneren Seitenteils der Kühlplatte
der 7A an der Schnittebene VIIB-VIIB der 7D zeigt,
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7C eine
vergrößerte Darstellung
des kreisförmigen
Bereichs der 7B zeigt,
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7D eine
Draufsicht auf die gepresste innere Platte der 7A zeigt
und die
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7E eine
perspektivische Darstellung der zu einem kleinen Maßstab des
verpressten inneren Seitenteils der Kühlplatte 18 der 7A zeigt,
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8A eine
perspektivische Darstellung von vorne und von oben auf die untere
Hälfte
eines Gehäuses
für das
Batteriemodul gemäß 2,
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8B eine
perspektivische Darstellung auf der Unterseite der Gehäusehälfte der 5A jedoch in kleinerem Maßstab,
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8C eine
perspektivische Darstellung von vorne, von rechts und von oben auf
die obere Hälfte des
Gehäuses
des Batteriemoduls,
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8D eine
perspektivische Darstellung auf die Innenseite der oberen Gehäusehälfte der 5C jedoch zu einem kleineren Maßstab,
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8E eine
perspektivische Darstellung von vorne, von rechts und von oben auf
das Gehäuse
des fertig gestellten Batteriemoduls,
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9 eine
perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführung der
Kühlplatten
aus 7a durch die Verwendung eines oder mehrerer mäanderförmig gebogener
Rohre anstelle einer Blechkonstruktion,
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10A–10C drei Zeichnungen, die zur Erläuterung
der möglichen
Auslegung der Kühlung bei
einem erfindungsgemäßen Batteriemodulsystem mit
acht einzelnen Batteriemodulen,
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11A ein erfindungsgemäßes Kühlsystem mit jeweils zwei Batteriemodulen
in Reihe,
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11B ein erfindungsgemäßes Kühlsystem ähnlich dem der
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13A aber mit zwei getrennten Kühlpfaden
je Batteriemodul,
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11C eine weitere erfindungsgemäße Auslegung eines Kühlsystems
mit jeweils vier Batteriemodulen in Reihe,
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11D eine Zeichnung entsprechend der 11B, jedoch um vier weitere Module ergänzt,
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12A, 12B zwei
Tabellen zur weiteren Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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13 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems
mit einer Pumpe und einem Kühler
mit Lüfter,
und
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14 eine
Darstellung ähnlich
der 13, jedoch mit einem weiteren Wärmetauscher.
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Bezug
nehmend zunächst
auf die 1 und 2 wird
ein Kühlmodul 10 in
perspektivischer Darstellung gezeigt, das in nachfolgend näher zu erläuternden
Weise zur Wärmeabfuhr
von den einzelnen Zellen 12 eines Batteriemoduls 14 verwendet
wird. Das Kühlmodul 10 weist
an ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Seiten des Moduls
Kühlplatten auf
und ist ferner mit sich zwischen diesen Seiten erstreckenden wärmeleitenden
Verbindungsplatten 20 versehen, die zwischen sich die Zellen 12 aufnehmenden
Fächer 22 bilden.
Die Verbindungsplatten 20 verfügen über rechtwinklig abgebogene
Seitenteile 24, die vollflächig mit den Kühlplatten 16, 18 verklebt sind
oder an diesen angeschweißt
oder angelötet sind,
um einen hochwertigen Wärmeübergang
zwischen den Verbindungsplatten 20 und den Kühlplatten 16, 18 sicherzustellen.
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Es
ist erfindungsgemäß festgestellt
worden, dass eine Verbindungsplatte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
mit einer Dicke von etwa 1 mm vollkommen ausreicht, um eine ausreichende Wärmeabfuhr
und eine ausreichend gleichmäßige Temperatur
der einzelnen Zellen zu erreichen.
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Jede
Kühlplatte 16 bzw. 18 verfügt über einen
jeweiligen rohrförmigen
Eingang 26 und einen rohrförmigen Ausgang 28 für eine Kühlflüssigkeit,
die beispielsweise, wie in 9 gezeigt,
durch eine schlangenförmige
Kühlpassage
in jeder Kühlplatte 16, 18 von
dessen Eingang 26 zu dessen Ausgang 28 strömen kann.
Dabei können
die rohrförmigen Eingänge und
Ausgänge 26, 28 beispielsweise
an geeigneten Stellen an die Kühlplatten 16, 18 angeschweißt bzw.
angeklebt sein und mit der jeweiligen Schlangenpassage kommunizieren.
Die rohrförmigen
Eingänge
und Ausgänge 26, 28 sind
mit einer Schlauchtülle 30 bzw. 32 versehen,
damit flexible Schläuche
flüssigkeitsdicht
an die Schlauchtüllen
angeschlossen werden können.
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Eine
in 1 nicht gezeigte, in 9 aber doch
dargestellte Verbindungsleitung 34 kann den Ausgang der
linken Kühlplatte 18 (Ausgang
in 1 nicht ersichtlich) mit dem Eingang 26 der
rechten Kühlplatte 16 verbinden.
Wie insbesondere aus 2 hervorgeht,
werden die einzelnen Zellen 12 vorzugsweise paarweise in
den Fächern
des Kühlmoduls
eingesetzt, wobei zusätzlich
eine Zelle 12' auf der
Oberseite der oberen Verbindungsplatte 20' in 1 und eine
weitere Zelle (nicht sichtbar) unterhalb der untersten Verbindungsplatte 20'' in 1 angeordnet
wird. Da in diesem Beispiel fünf
Fächer 22 mittels
sechs einzelnen Verbindungsplatten 20 gebildet sind, die
jeweils zwei Zellen aufnehmen und zwei weitere Zellen auf der äußeren Seite
der äußeren Verbindungsplatten 20', 20'' angeordnet werden, umfasst das
Batteriemodul 14 gemäß 2 zwölf einzelne
Zellen 12. Selbstverständlich
könnte
diese Anzahl der einzelnen Zellen durch die Verwendung von weiteren
Verbindungsplatten 20 und die entsprechende Ausbildung
von weiteren Zellen 12 aufnehmenden Fächern 22 erhöht werden,
beispielsweise auf vierzehn oder mehr. Dennoch scheint die Verwendung
von zwölf
Zellen 12 bei jedem Batteriemodul 14 eine besonders
günstige
Auslegung zu sein.
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Auch
kann die Auslegung des Kühlmoduls
so gewählt
werden, dass nur eine Zelle 12 in jedes Fach aufgenommen
wird. Zur Steigerung der Wärmeübertragung
von den Zellen an die Verbindungsplatten (und gegebenenfalls umgekehrt)
kann zwischen den Zellen und den Verbindungsplatten eine wärmeleitende
Paste (Leitpaste) oder Kleber vorgesehen werden.
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Jede
Zelle 12 weist in diesem Beispiel einen positiven und einen
negativen Anschluss 36 bzw. 38 auf, wobei die
positiven und negativen Anschlüsse 36 bzw. 38 insbesondere
in Form von schwarzen waagrechten Linien aus den 2 und 3 ersichtlich sind. Sie sind in zwei Reihen,
eine linke Reihe 40 und eine rechte Reihe 42 angeordnet,
wobei in diesem Beispiel beide Reihen an der gleichen (vorderen)
Seite des Batteriemoduls 14 angeordnet sind. Dies ist allerdings
nicht zwingend erforderlich, die eine Reihe könnte beispielsweise an der
Vorderseite des Batteriemoduls und die andere Reihe an der Rückseite des
Batteriemoduls angeordnet werden. Wie insbesondere aus der 3A hervorgeht,
sind die Breitseiten benachbarter flächiger Anschlüsse 36, 38 einer
jeweiligen Reihe 40, 42 einander zugewandt angeordnet.
Aus 3A geht hervor, dass die Anschlüsse 36, 38 jeder
Reihe 40, 42 durch gezielt angeordnete leitende
Abstandselemente 44 und isolierende Abstandselemente 46 in
Abstand zueinander gehalten sind. Wie insbesondere auch aus den 5 und 6 ersichtlich
und etwas später
näher erläutert wird,
sind innerhalb des Batteriemoduls 14 die Zellen 12 durch
gezielte Anordnung ihrer positiven und negativen Anschlüsse 36, 38 in
der einen oder anderen Reihe 40, 42 paarweise
elektrisch parallel zueinander geschaltet und die sechs so gebildeten Zellenpaare
sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dabei ist die Anschlussanordnung
der 3A relativ leicht in 5 zu erkennen,
und man kann dann die genaue Verschaltung der Zellen aus 6 besser sehen,
die relativ leicht in Einklang mit 5 gebracht
werden kann.
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Die
in 3A, 5 und 6 gezeigte
Anordnung der Zellen entspricht der 6s2p Variante der 4,
auch die anderen Varianten der 4, d. h. die
12s1p, 4s3p und 3s4p Varianten können
durch entsprechende Anordnung der Anschlüsse 36 und 38 in
den zwei Reihen 40 und 42 mit entsprechender Positionierung
von leitenden und isolierenden Abstandselementen 44, 46 realisiert
werden, und zwar unter Anwendung der gleichen Teile wie in der Ausführung gemäß 3A.
Durch den flexiblen modularen Aufbau entstehen viele Freiheitsgrade.
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Die
Anschlüsse 36, 28 jeder
Reihe sowie die dazwischen angeordneten Abstandselemente werden
durch eine Spanneinrichtung 48 aneinander gepresst.
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Die
Spanneinrichtung 48 für
jede Reihe ist durch mindestens einen Spannbolzen 50 gebildet, vorzugsweise
durch zwei solche Spannbolzen 50 (wie in 3A gezeigt).
Die wärmeleitende
Platte 52 (oder Grundplatte) ist hier an ihren beiden Enden 54, 56 an
die jeweilige rechte und linke Kühlplatte 16, 18 wärmeleitend
angeschraubt.
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Jeder
Spannbolzen 50 ist in diesem Beispiel durch eine Nietverbindung 57 in
Form einer Bördelung
mit der wärmeleitenden
Grundplatte 52 verbunden. Stattdessen könnte aber auch eine Klebeverbindung
oder eine Schweißverbindung
verwendet werden. Die Verwendung von zwei Spannbolzen bzw. Verschraubungen
pro Pol ermöglicht
es, den Anpressdruck zu erhöhen
und sorgt zudem für
eine besserte Verteilung der Kraft und der Redundanz. Die Polabgänge 66, 70 sind
unabhängig
von den Durchgangsbohrungen für
die Spannbolzen 50 ausgeführt. Sie können somit flexibel nach Bedarf
herausgeführt werden.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Spannbolzen 50 zur Erzeugung einer wärmeleitenden
Verbindung aus Aluminium ausgeführt
sind. Der Aufbau kann so gewählt
werden, dass die Spannbolzen jeweils durch ein Aluminiumrohr mit
einer sehr dünnen elektrisch
isolierenden, mechanisch sehr stabilen und thermisch möglichst
gut leitfähigen
Beschichtung ausgeführt
werden (anstatt eine getrennte isolierende Hülse vorzusehen, die der Wärmezufuhr
abträglich
ist). Die Verwendung von durchgehenden Spannbolzen 50 minimiert
den Montageaufwand. Ferner besteht die Möglichkeit zur thermischen Anbindung der
als Rohre ausgeführten
Spannbolzen 50 diese mit durchströmender Kühlflüssigkeit zur Ableiterkühlung vorzusehen.
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Die
Isolation der Pole gegen die Verschraubung und Grundplatte kann
beispielsweise über
Pertinax oder Nomex-Papier erfolgen.
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Die
isolierenden Abstandselemente können ferner
aus Pertinax oder Keramik bestehen.
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Die
elektrische Isolierung der durch Rohre gebildeten Spannbolzen kann
auch durch Faserwerkstoffe oder Oberflächenbehandlung erfolgen.
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Um
elektrische Kurzschlüsse
zu vermeiden, sind die Spannbolzen 50 jeweils von einer
isolierenden Hülse 58 umgeben.
An ihren in 3 oberen Enden 60 sind
die Spannbolzen jeweils mit einem Gewinde versehen, auf das eine
jeweilige Mutter 62 aufgeschraubt wird, wobei jede Mutter 62 über eine Scheibe 63 angeordnet
ist und angezogen werden kann, um die einzelnen Batterieanschlüsse 36, 38 an den
dazwischen liegenden Abstandselementen 44, 46 zu
verspannen und hierdurch dafür
zu sorgen, dass Übergangswiderstände zwischen
den einzelnen Zellenanschlüssen 36, 38 und
den dazwischen liegenden leitenden Anschlusselementen 44 ausgeschlossen
bzw. minimiert werden. Die Scheiben 63 können durch
einzelne Scheiben gebildet sein oder die Form einer länglichen
Platte mit zwei Löchern
zur Aufnahme der Spannbolzen 50 aufweisen. Wie insbe sondere
aus der 2B ersichtlich, haben die Zellen 12 zumindest
im Wesentlichen die Form eines flachen Quaders, wobei die positiven
und negativen flächigen
Anschlüsse 36, 38 jeder
Zelle 12 in einer Ebene oder in jeweiligen Ebenen angeordnet
sind, die zu den Breitseiten der quaderförmigen Zelle parallel angeordnet
ist bzw. sind.
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Um
die Einführung
der Zellen in das Batteriemodul entsprechend der 2A zu
ermöglichen, haben
die Anschlüsse 36, 38 je
zwei U-förmige
Ausnehmungen 37, 39 – wie aus der 2B ersichtlich – die es
ermöglichen,
die Zellen 12 von hinten in das Kühlmodul 10 einzusetzen
und nach vorne zu schieben, damit sie in den Klemmbereich der Spannbolzen gelangen.
Ebenfalls wäre
es möglich,
die Zellen 12 vorher in das Kühlmodul 10 einzusetzen,
von vorne oder von hinten, und die Spannbolzen 50 und Abstandselemente 44, 46 von
vorne zwischen den Anschlüssen 36, 38 einzuführen, damit
die Spannbolzen 50 in die U-förmigen Ausnehmungen gelangen.
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Das
Bezugszeichen 66 deutet auf den positiven Pol des Batteriemoduls 14 und
ist an einem ersten Ende 68 der linken Reihe 40 der
Anschlüsse
angeschlossen, während
der andere, der negative Pol 70 an das dem genannten ersten
Ende 68 entgegengesetzten zweiten Ende 72 der
linken Reihe angeschlossen ist. Der zweite Pol 70 ist über eine
leitende Platte 74 und eine Verlängerung nach oben 76 zu dem
genannten ersten Ende 68 der linken Reihe benachbarten
ersten Ende 78 der rechten Reihe geführt, damit elektrische Verbindungen
zu den beiden Polen 60 und 70 an einer gemeinsamen
Seite des Batteriemoduls 14 vornehmbar sind. In diesem
Beispiel sind sowohl der positive Pol 66 wie auch der negative
Pol 70 bzw. die entsprechende Verlängerung 76 mit einem
jeweiligen Innengewinde 80 bzw. 82 versehen. Dies
ermöglicht
es, elektrische Anschlussleitungen (nicht gezeigt) an das jeweilige
Batteriemodul 14 anzuschließen bzw. das jeweilige Batteriemodul 14 mit
weiteren gleichartigen Modulen zur Bildung eines Batteriemodulsystems
anzuschließen.
Ferner sind die Innengewinde 80 und 82 innerhalb
nach oben vorstehender zylindrischer Bünde vorgesehen (nicht gezeigt),
die beim Einbau des Batteriemoduls in ein (isolierendes) Gehäuse einerseits
den erforderlichen elektrischen Kontakt sicherstellen und andererseits
aber eine Abdichtung gegen Wassereintritt ermöglichen, beispielsweise mittels
eines an den zylindrischen Bund platzierten O-Rings, der gegen das Gehäuse den
zylindrischen Bund und die Unterseite eines elektrischen Anschlusses
abdichtet.
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Ein
Abstandselement 46 der rechten Reihe ist zur Halterung
der Verlängerung 76 seitlich
der rechten Reihe 42 verlängert, d. h. mit einer entsprechenden
Verlängerung 84 versehen.
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An
dieser Stelle soll kurz erwähnt
werden, dass die Enden der Verbindungsplatte 74 zwar ebenfalls
von den Spannbolzen 50 der linken und rechten Reihe 40, 42 durchsetzt
ist. Es wird aber zwischen der leitenden Verbindungsplatte 74 und
dem unteren positiven Zellenanschluss 36 der rechten Reihe
eine isolierende Platte gesetzt, da sonst ein Kurzschluss zwischen
den rechten und linken Anschlüssen
der untersten Zelle 12' erfolgen
wird, was natürlich
nicht sein darf. Die oberen enden 68 und 78 der
linken und rechten Reihe 40, 42 sind ebenfalls
mit einer isolierenden Platte 79 miteinander verbunden,
durch die sich die Spannbolzen 50 erstrecken.
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Wie
oben kurz angedeutet, werden die seitlich eingeordneten Kühlplatten 16, 18 des
Kühlmoduls 10 im
Betrieb von einer Kühlflüssigkeit
durchströmt,
die vorzugsweise schlangenartig durch entsprechende Passagen der
Platten 16, 18 und gegebenenfalls durch eine Verbindungsleitung 36 zwischen
den Kühlplatten 16, 18 hindurchgepumpt
werden kann.
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Die
konkrete Ausbildung der Kühlplatten geht
im Detail aus den 7A bis 7E hervor. Wie
die 7A zeigt, wird der rohrförmige Eingang der Kühlpassage,
der in diesem Beispiel linken Platte von oben nach unten geführt und
ist dort an einen seitlichen Lappen 86 der Kühlplatte 16 angebracht, was
beispielsweise durch eine Lötverbindung,
eine Schweißverbindung
oder eine geklebte Verbindung erfolgen kann. Die schlangenförmige Kühlpassage führt dann
im Beispiel der 7A mit einem ersten senkrechten
Abschnitt 88 nach oben, dann mit einem zweiten waagerechten
Abschnitt 90 nach rechts, dann über einen weiteren kurzen senkrechten
Abschnitt 92 nach unten, über den vierten waagerechten
Abschnitt 94 nach links, über einen fünften senkrechten Abschnitt 96 auf
der linken Seite der Kühlplatte
nach unten, über
einen sechsten waagerechten Abschnitt 98 nach rechts, über einen
siebten senkrechten Abschnitt auf der rechten Seite der Kühlplatte
nach unten, über
einen siebten waagerechten Abschnitt 100 der Kühlpassage
nach links und über einen
achten waagerechten Abschnitt 102 der Kühlpassage nach links zu einem
weiteren senkrechten Abschnitt 104, der anschließend über einen
weiteren waagrechten Abschnitt 106 nach rechts zu einem weiteren
Lappen 108 führt,
an dem der rohrförmige Ausgang 28 angeschlossen
ist (hier ebenfalls mittels einer Lötverbindung, einer Schweißverbindung
oder einer Klebeverbindung).
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Die
Passagen 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 und 106 selbst
werden, wie aus der 7B ersichtlich ist, durch eine
entsprechende Verpressung eines Blechteils bzw. einer Grundplatte 85 erzeugt,
die zu Rippen 109 zwischen den Kühlpassagen 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108 sowie
oben und unten am Blechteil führen,
an denen ein ebenes Abschlussblech 110 angeschlossen werden
kann, auch hier mittels einer Lötverbindung,
einer Schweißverbindung
oder einer Klebeverbindung. Das Ergebnis ist in perspektivischer
Darstellung (zu einem kleineren Maßstab) der 7E zu entnehmen.
Die linken und rechten Kühlplat ten 6, 18 sind
identisch aufgebaut, so dass nur drei verschiedene Teile erforderlich
sind, um beide Kühlplatten
zu bilden. Es handelt sich um das verrippte Blechteil der 7B,
das Abschlussblech 110 sowie das gedrehte Rohrteil, die
die Eingangs- und Ausgangsrohre 26, 28 bilden.
Alle Teile bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Durch
die Verwendung eines rohrförmigen Eingangs 26 und
eines rohrförmigen
Ausgangs 28 kann auf diese Weise der eigentliche Eingang
und der eigentliche Ausgang auf der gleichen Seite des Batteriemoduls
vorgesehen werden, und zwar vorzugsweise auf der gleichen Seite
wie die Polanschlüsse 80 und 82,
d. h. die obere Seite des Batteriemoduls 14, wie man dem
konkreten Beispiel gemäß 2A und 3A entnehmen
kann. Es wäre allerdings
schon möglich,
die Eingangs- und Ausgangsverbindungen zu den schlangenartigen Kühlplatten
andersartig zu realisieren, beispielsweise dadurch, dass man die
Anschlüsse 36, 38 beide
an der oberen Seite der Kühlplatte
gemäß 7A vornimmt oder
der Eingang 36 oder der Ausgang 38 oben und der
jeweils andere Ausgang 38 bzw. Eingang 36 unten
anordnet. Es soll wohl auch zum Ausdruck gebracht werden, dass es
nicht absolut zwingend erforderlich ist, die linken und rechten
Platten 16, 18 des Kühlmoduls 10 als direkt
gekühlte
Platten auszubilden, in dem Sinne, dass dort Flüssigkeitspassagen für eine Kühlflüssigkeit
vorliegen, sondern es wäre denkbar,
auch eine rückseitige
Platte des Kühlmoduls
vorzusehen und diese mit Kühlpassagen
entsprechend auszubilden, während
die linke und rechte Platte 18, 16 des Kühlmoduls 10 durch
einfache Blechplatten ausgebildet werden. Die bevorzugte Anordnung
ist jedoch die Ausführung
gemäß 1 bzw. 7A bis 7E und 9.
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Die
Geometrie der Kühlpassagen
gemäß 7A kann
so geändert
werden, dass die Kanäle parallel
durchflossen werden. So entsteht weniger Druckverlust und es können mehrere
Kühlplatten bzw.
Kühlmodule
in Reihe verschaltet werden. Dies bedeutet, dass die rohrförmigen Anschluss-
und Abflussrohre 26, 28 jeweils an mehreren parallel
zueinander verlaufenden Kühlpassagen
der Kühlplatten angeschlossen
werden müssen,
anstelle der schlangenförmigen
Anordnung gemäß 7A bis 7E.
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Das
Kühlmodul 10 gemäß 1 mit
den eingesetzten Zellen 12 gemäß 2 und 3 wird in einem zweiteiligen isolierenden
Gehäuse 111 aufgenommen,
von denen Details den 8A bis 8E zu
entnehmen sind. Die 8A zeigt, dass die untere Hälfte 112 des
Gehäuses 111 zumindest
im Wesentlichen quaderförmig
ist, dessen Unterseite 114 gemäß 8B zur
Versteifung mit Rippen 116 versehen ist. Auf der Innenseite
der unteren Hälfte 2 des Gehäuses befindet
sich eine Schaumstoffeinlage 108, die die unterste Zelle 12 gegen
die unterste Verbindungsplatte 204 des Kühlmoduls 10 vorspannt bzw.
andrückt,
um den Abtransport von Wärme
aus dieser Zelle zu begünstigen.
Man sieht ferner in der 8A, dass
jeweils zwei Gewindeeinsätze 120 auf der
ersten und zweiten Längsseite 122, 124 der
unteren Hälfte 122 des
Gehäuses
vorgesehen sind und dass weitere Gewindeeinsätze 126 in entsprechendem
Abstand von der inneren Seite des Bodenteils der unteren Gehäusehälfte vorgesehen
sind. Diese dienen der Anschraubung und Befestigung des Kühlmoduls 10 bzw.
des Batteriemoduls innerhalb des Gehäuses.
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Die
obere Hälfte 128 des
Gehäuses
ist ähnlich
ausgebildet, nur wird hier die Verrippung 130, die zur
Versteifung der oberen Seite der oberen Hälfte 128 des Gehäuses 111 vorgesehen
ist, auf der Innenseite der oberen Hälfte des Gehäuses vorgesehen. Diese
Verrippung 120 liegt im zusammengebauten Zustand des Gehäuses 111 mit
eingebautem Batteriemodul 14 an der oberen Breitseite der
oberen Zelle 12' gegebenenfalls über eine
Schaumstoffzwischenlage und drückt
die obere Zelle 12' gegen
die obere Verbindungsplatte 201, um auch dort eine gute
Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
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8C entnimmt
man auf der vorderen Längsseite 132 der
oberen Hälfte
des Gehäuses zwei
Bohrungen 134, die es ermöglichen, Schrauben einzusetzen,
die in den entsprechenden Gewindeeinsätzen 120 der ersten
Längsseite 122 der
unteren Hälfte 112 des
Gehäuses 111 eingreifen.
Zwei weitere Bohrungen sind an der hinteren Längsseite 136 der oberen
Hälfte 128 des
Gehäuses 111 gemäß 8C vorgesehen,
sind jedoch dort nicht ersichtlich, dagegen in der Darstellung der 8D schon.
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Wie
dem fertig gestellten Gehäuse
mit eingebautem Batteriemodul gemäß 8E zu
entnehmen ist, sind die zwei Pole 66 und 70 bzw.
den dort vorhandenen Innengewinden durch die Bohrungen 138 zugänglich,
so dass dort der elektrische Anschluss vorgenommen werden kann.
Der elektrische Anschluss erfolgt daher von der oberen Seite des
Batteriegehäuses,
jedoch unterhalb der oberen Seite. Die elektrischen Verbindungskabel
können
auch unterhalb der oberen Seite des Gehäuses geführt werden, beispielsweise
innerhalb der Stufen, die sich um die obere Seite herum erstrecken,
so dass die elektrischen Leitungen weder die Bauhöhe des Moduls noch
die Einbauhöhe
im Fahrzeug vergrößern. Der rohrförmige Eingang 26 und
der rohrförmige
Ausgang 28 für
das Kühlsystem
bzw. die entsprechenden Schlauchtüllen 30, 32 ragen
durch die Bohrungen 140 der oberen Gehäusehälfte hindurch. Auch hier erfolgt
der Kühlmittelanschluss
unterhalb der oberen Seite des Batteriemoduls und auch hier ist
es möglich,
die externen Anschlussschläuche
so zu führen, dass
sie weder die Bauhöhe
des Batteriemoduls noch dessen Einbauhöhe vergrößern. Gegebenenfalls können die
genannten Stufen größer bzw.
tiefer ausgeführt
werden, um dies zu ermöglichen.
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Ferner
ist das Batteriemanagementsystem mit einem Stecker versehen, der
durch die Öffnung 142 an
der oberen Seite 146 der oberen Hälfte 128 des Gehäuses 111 zugänglich ist,
wobei das Gehäuse 111 hier
mit zwei Gewindeeinsätzen
ausgestattet ist, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben des
Steckers dienen.
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Das
Gehäuse
ist ein zweiteiliges Spritzgussteil und kann folgende Auslegung
haben: Die kritische Dimension ist die kurze Seite (Bauhöhe 155 mm).
Daher sind alle Anschlüsse
(Pole, Kühlung
und Daten) versenkt ausgeführt.
Der Datenstecker wird in der Praxis mit einem angepassten Stecker
noch weiter versenkt, um eine Abdichtung ohne zusätzlichen Bauraum
zu ermöglichen.
Die Abmessungen können wie
folgt gewählt
werden:
- Grundmaße:
ca. 300 × 245 × 155 mm
- Volumen: ca. 11 l
- Energiedichte: ca. 152 Wh/l
- Masse: ca. 14,15 kg
- Spezifische Energie: ca. 122 Wh/Kg.
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Die
zwei Gehäusehälften 112, 114 können mit
einem umlaufenden Nut- und
Federsystem zur Abdichtung aneinander geschlossen werden. Gegebenenfalls
kann das Batteriemanagementstecker mit einer abdichtenden Kappe
versehen werden und Dichtungen zwischen Gehäuse und Kühlmittelanschlussrohren 26, 28 versehen
werden.
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Die
Module können
allerdings mit oder ohne Gehäuse
zu einer Batterie integriert werden. Die Systemgrenze und die damit
zu realisierenden Funktionen, wie z. B. Dichtung gegen Verunreinigung
von außen,
EMV und mechanische Sicherheit, können somit flexibel um ein
Modul bis hin zur gesamten Batterie gelegt werden. Das Modul ohne
Außengehäuse (Zellstack)
kann z. B. in eine Folie eingeschweißt werden. Diese Stacks werden
dann in der Anzahl größer 1 in
ein Systemgehäuse
verbaut.
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Ausgehend
von einem Batteriemodulsystem mit acht einzelnen Batteriemodulen 14 der
oben beschriebenen Art werden nunmehr einige erfindungsgemäße Überlegungen
zum Kühlsystem
beschrieben.
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Bevor
die Ausbildung des Kühlsystems
näher beschrieben
wird, ist es angebracht, einige Worte zur Kühlung eines Traktionsbatteriesystems
und zum Klimatisierungsbedarf eines Fahrzeugs, das das Batteriesystem
aufweist, zu sagen.
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Ein
Hauptziel des erfindungsgemäßen Kühlsystems
ist, die Betriebssicherheit des Traktionsbatteriesystems sicherzustellen,
mit der Motivation, das Überschreiten
von spezifizierten Temperaturgrenzen zu vermeiden, das sonst zu
einer dauerhaften Schädigung
des Batteriesystems und im Extremfall zu Feuer oder Explosion führen könnte. Um
dies zu erreichen, wird das Batteriesystem gekühlt, und zwar mit dem Ziel,
gefährliche
und schädliche
Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten.
Für viele
Batterietechnologien soll die Temperatur nicht über 30°C steigen, um eine maximale
Lebensdauer zu erhalten. Erfahrungsgemäß führt jede Temperaturerhöhung von 10°C über 30°C hinaus,
zu einer Lebensdauerreduktion um ca. die Hälfte, was aber technologieabhängig ist.
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Bei
einem Traktionsbatteriesystem besteht auch ein Klimatisierungsbedarf.
Zum Beispiel um das Kaltstartverhalten zu verbessern. Dies ist deshalb notwendig,
weil bei tiefen Temperaturen die Leistungsfähigkeit der verwendeten Zellen
stark abnimmt. Um dem zu begegnen, muss das Batteriesystem beispielsweise
im Winterbetrieb beheizt werden.
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Ferner
ist es angebracht, die einzelnen Batteriemodule für sich und/oder
im Verbund thermisch gegen die Umgebung zu isolieren, um einerseits
die Eigenwärme
der Batterien zu speichern und andererseits Wärmeverluste bei Beheizung der
Batterien herabzusetzen. Wenn z. B. das Batterie system im Betrieb
eine Temperatur nahe 30°C
aufweist, kann durch geeignete Isolierung innerhalb der Modulgehäuse und/oder
außerhalb
der Modulgehäuse
der Wärmeverlust
des Batteriesystems herabgesetzt werden, so dass das Batteriesystem
nicht sehr schnell auskühlt
und ausreichend warm bleibt, um nach einer Fahrpause wieder den
Betrieb wirtschaftlich aufnehmen zu können.
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Auch
soll ein Temperaturausgleich zwischen den Zellen der einzelnen Batteriemodule 14 erfolgen, mit
der Motivation, die Kapazität
der Zellen maximal auszunutzen und die verfügbare Leistung maximal über den
gesamten Lebenszyklus bereitzustellen. Auch dies erfordert das Kühlen oder
gar das Heizen der einzelnen Zellen 12 der Batteriemodule 14.
Man strebt ein gleichmäßiges Temperaturniveau
an, was zu äquivalentem
Zellverhalten und gleichmäßiger Entladung
und Alterung der Zellen führt.
Mit anderen Worten kann man durch das richtige Temperaturniveau
und einen entsprechenden Temperaturausgleich dafür sorgen, dass alle Zellen 12 die
maximale Leistung über
den längstmöglichen
Zeitraum zur Verfügung
stellen und dass bei Erreichen der maximalen Lebensdauer alle Zellen 12 am
Ende ihrer jeweiligen Lebensdauer sind, so dass ein wirtschaftlicher
Austausch von Batteriemodulen 14 erfolgen kann, da man
einzelne Batteriemodule nicht vorzeitig austauschen muss und beim
Versagen eines Batteriemoduls 14 alle Zellen 12 ebenfalls
am Ende ihres Arbeitslebens sind.
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Es
sind grundsätzlich
zwei Möglichkeiten
der Wärmeübertragung
von bzw. an die Zellen 12 eines einzelnen Batteriemoduls 14 denkbar.
Es kann ein Energieaustausch der Zelle 12 mit der Umgebung entweder über Luftkühlung erfolgen
oder durch Flüssigkeitskühlung. Mit
einer Luftkühlung
ist ein direkter Kontakt zwischen Zellengehäuse und Umgebungsluft erforderlich,
jedoch bedingen die schlechte Wärmeleitfähigkeit
und die geringe Dichte der Luft große Volumenströme und große Austauschflächen sowie eine
ausgeprägte
Geräuschentwicklung.
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Bei
der Flüssigkeitskühlung dagegen
kann eine bessere Übertragung
der Energie über
Wärmeleitung
und Konvektion von Gehäuse 111 in
eine Kühlflüssigkeit
und im Anschluss über
Konvektion in die Umgebungsluft erfolgen. Bei einer Flüssigkeitskühlung kann
eine bessere Wärmeleitfähigkeit
erreicht werden, da die wärmeleitenden
Elemente 16, 18, 20, 52, 46, 36, 38 in
direkter Berührung
mit den Zellen 12 stehen und diese zusammen mit einem die Kühlflüssigkeit
kühlenden
Wärmetauscher
erlauben, kleinere Volumenströme
und Austauschflächen
sowie eine geringe Geräuschentwicklung.
Die Verwendung einer Flüssigkeitskühlung macht
allerdings zusätzliche
Komponenten in Form von Schlauchverbindungen und Dichtungen sowie
einen Wärmetauscher zur
Umgebung notwendig.
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Wenn
man sich für
eine Flüssigkeitskühlung entscheidet,
muss man gleichzeitig Überlegungen anstellen
im Zusammenhang mit der hydraulischen Auslegung des gesamten Kühlsystems.
In den Rohren/Schläuchen/Kühlpassagen
und Komponenten des Kühlsystems
entstehen Druckverluste. Bei Strömungselementen
in Form von Rohren mit rundem Querschnitt und entsprechenden Umlenkungen
kann man diese Druckverluste mit empirischen Formeln abschätzen. Zusätzlich zu
den Widerständen
in jedem Kühlmodul
bringen die externen Schlaufen sowie der Kühler Widerstände in den
Kreis ein, die zusätzlich
berücksichtigt
werden müssen,
sobald ein konstruktiver Ansatz vorhanden ist. Die Pumpe, die zur
Zirkulierung des Kühlmittels
erforderlich ist, prägt gegen
diese Widerstände
einen hiervon abhängigen Volumenstrom
ein und erzeugt einen stabilen Arbeitspunkt, dort wo der von der
Pumpe lieferbare Druck die Kennlinie des Kühlsystems in Form des Volumenstroms
als Funktion des angebrachten Drucks schneidet. Besonders günstig ist
es, wenn eine kleinere Pumpe für
die Kühlflüssigkeit
zur Anwendung kommt, beispielsweise eine kleine Automotive-Umwälzpumpe
mit einer typischen Leistung von 10 bis 30 W, die bei einem Druckverlust
im System von 75 bis 150 mbar einen Volumenstrom pro Modul von > 50 l/n erreichen kann.
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Die 10A zeigt eine Möglichkeit, die Kühlmodule 10 aller
acht Batteriemodule 14 in Reihe zu schalten. Dies ist aber
keine günstige
Anordnung, da die Temperatur des Kühlsystems bestehend aus den acht
in Reihe aneinander geschlossenen Kühlmodule 10 kontinuierlich
steigt, so dass das letzte Modul 10' bzw. 14' am wärmsten ist.
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Werden
dagegen gemäß 10B alle Kühlmodule 10 parallel
geschaltet, so kann man auf diese Weise sicherstellen, dass alle
Module die gleiche Kühlmitteltemperatur
aufweisen.
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Werden
allerdings alle acht Module gemäß diesem
Beispiel parallel durchströmt
werden, muss man einen zusätzlichen
Aufwand treiben, um sicherzustellen, dass der Volumenstrom für jedes
Modul 10 gleich ist.
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Günstiger
ist es, wie in 10C gezeigt, Mischformen zu
verwenden, in denen mehrere Kühlpfade
parallel zueinander angeordnet sind und in jedem Kühlpfad mehrere
Module 10 in Reihe geschaltet werden. Es gilt zu ermitteln,
wie viele Module in Reihe geschaltet werden können, ohne dass die entstehende
Temperaturdifferenz zu groß wird.
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Nach
umfangreichen Überlegungen
und Untersuchungen ist die Anmelderin der Überzeugung, dass die Temperaturdifferenz,
die tolerierbar ist, 5°C nicht überschreiten
soll.
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Ferner
ist gefunden worden, dass ein Kühlsystem,
das wirtschaftlich arbeitet und wirtschaftlich zu realisieren ist,
sich dann am günstigen
realisieren lässt,
wenn, bei einem Batteriemodulsystem bestehend aus mehre ren gleichartigen
Batteriemodulen 14 mit jeweiligen Kühlmodulen 10, diese
derart zusammengeschlossen bzw. zusammenschließbar sind, dass mehrere parallele
Kühlkreise 150 entstehen,
die über
ein Verteilerrohr 152 gespeist sowie an einem Sammelrohr 154 angeschlossen
sind. Jeder Kühlkreis 150 kann
jeweils zwei bis vier Kühlmodule 10 bzw.
Batteriemodule 14 in Reihe umfassen, wobei die Kühlpassagen
innerhalb der Batteriemodule 14 jeweils einen freien Strömungsquerschnitt
entsprechend dem eines Rohres mit einem lichten Durchmesser von
8 bis 9 mm aufweist.
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Einige
Beispiele eines solchen Kühlsystems sind
den 11A bis 11D zu
entnehmen.
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Bei
der Ausführung
gemäß 11A sind jeweils zwei Batteriemodule bzw. Kühlmodule 10 entsprechend
den 1 bis 3 in Reihe
geschaltet, d. h. jedes Batteriemodul 14 bzw. Kühlmodul 10 hat
einen Eingang 26 und einen Ausgang 28, welcher
durch die hydraulische Auslegung jedes Kühlmoduls entsprechend der 9 realisiert
werden kann, wobei der Ausgang 28 des ersten Kühlmoduls 10 der
zwei in Reihe geschalteten Module 10, 10' an den Eingang 26 des
nächsten
Moduls 10' in
Strömungsrichtung angeschlossen
ist und der Eingang 26 des ersten der zwei in Reihe geschalteten
Module 10, 10' an
ein Verteilerrohr 152 angeschlossen ist und der Ausgang 28 des
zweiten Moduls 10' der
zwei in Reihe geschalteten Module 10' an ein Sammelrohr 156 angeschlossen
ist. Alternativ hierzu könnte
gemäß der 11B gearbeitet werden. Hier werden die Kühlpassagen durch
die einzelnen Kühlplatten 16, 18 des
jeweiligen Moduls 10 nicht durch eine Verbindungsleitung 34 verbunden,
sondern jedes Modul hat zwei getrennte Eingänge 26 und zwei getrennte
Ausgänge 28,
nämlich
einen Eingang und einen Ausgang für jede Kühlplatte 16, 18.
Bei einer derartigen Anordnung können ohne
weiteres bis zu vier Module 10 in Reihe geschaltet werden,
wie in 11B gezeigt, so dass parallele
Strömungs pfade 158 (vier
parallele Strömungspfade 158 in 11B) erzeugt werden, die jedoch sich ergebende
zwei Reihen 160 von Modulen bisher an ein Verteilerrohr 152 und
ein Sammelrohr 156 angeschlossen sind.
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Bei
Bedarf können
mehrere Kühlmodule 10, d.
h. Batteriemodule 14 aneinander angeschlossen werden, wobei
das System gemäß 11A bzw. 11B entsprechend
ergänzt
wird. Zum Beispiel, wenn beispielsweise anstatt acht Batteriemodule 14 mit
acht Kühlmodulen 10 zwölf Batteriemodule 14 mit zwölf Kühlmodulen 10 vorgesehen
sind, dann werden entsprechend der 11D jeweils
drei Batteriemodule bzw. Kühlmodule 10, 10', 10'' in Reihe geschaltet, anstelle
von zwei Batteriemodulen bzw. Kühlmodulen,
wie in 11A gezeigt. Dagegen werden
bei einer entsprechenden Ausdehnung des Beispiels gemäß 11B in 11C jeweils
sechs Module in Reihe geschaltet, anstelle von vier Modulen 10 in 11B.
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Die
Tabellen gemäß 12A und 12B zeigen
an, für
zwei verschiedene Entnahmeleistungsraten (1,5 C und 2 C), wie sich
die Temperaturdifferenz bei den Kühlmodulen bzw. Batteriemodulen in
der Praxis gestaltet, je nachdem, wie viele Module parallel zueinander
geschaltet werden und je nachdem wie viele serielle Module in Betracht
kommen. Die in den 12A und 12B angegebenen
Werte gelten für
einen Rohrdurchmesser von 8 mm, was einen äquivalenten Strömungsquerschnitt
durch die Strömungspassagen
der Zellen bestimmt.
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Die
mit einem Punkt versehenen Bereiche der Tabelle gemäß 12A und 12B zeigen Systeme
an, die für
verschiedene Leistungsentnahmen mit einer Temperaturdifferenz zwischen
Einlauf und Auslauf kleiner als 5°C
arbeiten. Man sieht, dass die Temperaturdifferenz von der Leistungsentnahmerate
(in diesen Beispielen 1,5 C bzw. 2 C) abhängt und dass beispielsweise
eine Variante mit zwölf
Zellen und bis zu drei serielle Module gut geeignet ist, da Reserven
auf bis zu 2 C vorhanden sind. Natürlich muss man bei dieser Betrachtung
nicht nur die Entnahmerate, sondern zugleich auch die Höhe der notwendigen
Leistung berücksichtigen,
die bei einem kleineren Fahrzeug durchaus im Bereich zwischen 16
und 40 KWh liegen kann. Gegenüber
einem lichten Rohrdurchmesser von 6 mm zeigt sich bei einem lichten
Rohrdurchmesser von 8 mm ein deutlich besserer Wirkungsgrad, da
der Temperaturunterschied ΔT
ca. 50% kleiner ist. Dagegen führt
eine Steigerung des lichten Rohrdurchmessers auf 9 mm zu keiner
weiteren ausgeprägten
Besserung.
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In
der 13 sieht man, dass das Verteilerrohr 152 und
das Sammelrohr 156 mit einer Hauptleitung 160 kommunizieren,
die eine Pumpe 162 und einen Kühler 164 in diesem
Beispiel mit Lüfter 166 aufweist.
Wenn die Temperatur des Kühlmittels
droht, eine bestimmte Grenze zu überschreiten,
wird der Lüfter 166 eingeschaltet,
um die durch eine Hauptleitung und den Kühler fließende Kühlflüssigkeit zusätzlich zu
kühlen,
d. h. zusätzlich
zu der normalen Luftströmung
durch den entsprechend im Fahrzeug platzierten Kühler 164, der von
der an dem Fahrzeug vorbei strömenden
Luft durchströmt
wird.
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Wie
in 14 zusätzlich
gezeigt, kann die Hauptleitung 160 ferner einen Wärmetauscher 168 mit
mindestens einem weiteren Kreislauf aufweisen, der eine Heizung
bzw. Klimaanlage 172 speist. Auf diese Weise kann die überschüssige Wärme, die über das
Kühlsystem
von den Batteriemodulen 14 entfernt wird, zur Heizung des
Innenraums eines Fahrzeugs verwendet werden, das mit dem Traktionsbatteriesystem
ausgestattet ist. Bei Bedarf kann auch die Heizung von außen mit
Energie versehen werden, um über
das Kühlsystem
die Zellen 12 der einzelnen Batteriemodule 14 aufzuwärmen, sofern dies
notwendig ist, um die Zellen auf ein vernünftiges Batteriebetriebstemperaturniveau
zu bringen. Das Kühlsystem
arbeitet dann in diesem Modus als Heizsystem für die Batteriemodule. Sobald
eine ver nünftige
Betriebstemperatur erreicht wird, wird die Zusatzheizung abgeschaltet
und das Fahrzeug kann unter Anwendung der Energie des Traktionsbatteriesystems
in Betrieb genommen werden. Sollte eine externe Energiequelle zur
Aufwärmung
der Batterie nicht zur Verfügung
stehen, beispielsweise dann, wenn das Fahrzeug in der Nacht auf
der Straße
geparkt ist, so kann ein Teil der noch vorhandenen Energie der Batterien
zur Aufwärmung
der Batterien verwendet werden, beispielsweise durch Anschluss der
Batterieleistung an eine elektrische Heizeinrichtung der Heizung 172,
die die Kühlflüssigkeit
vorübergehend
erwärmt,
und wobei auch ein Teil der elektrischen Energie verwendet werden
kann, um die Pumpe 162 zu betreiben und hierdurch die erwärmte Kühlflüssigkeit
durch die einzelnen Zellen 12 zu zirkulieren.
-
- 10
- Kühlmodul
- 12
- Zellen
- 14
- Batteriemodul
- 16
- Kühlplatte
- 18
- Kühlplatte
- 20
- Verbindungsplatte
- 22
- Fach
- 24
- Seitenteile
der Verbindungsplatten
- 26
- rohrförmiger Eingang
- 28
- rohrförmiger Ausgang
- 30
- Schlauchtülle
- 32
- Schlauchtülle
- 34
- Verbindungsleitung
- 36
- positiver
Anschluss
- 37
- U-förmige Ausnehmung
- 38
- negativer
Anschluss
- 39
- U-förmige Ausnehmung
- 40
- linke
Reihe
- 42
- rechte
Reihe
- 44
- leitendes
Abstandselement
- 46
- isolierendes
Abstandselement
- 48
- Spanneinrichtung
- 50
- Spannbolzen
- 52
- wärmeleitende
Platte
- 54
- rechtes
Ende der Platte 52
- 56
- linkes
Ende der Platte 52
- 57
- Nietverbindung
- 58
- isolierende
Hülse
- 60
- Ende
eines Spannbolzens mit Gewinde
- 62
- Mutter
- 63
- Scheibe
- 66
- positiver
Pol
- 68
- erstes
oberes Ende der linken Reihe
- 70
- negativer
Pol
- 72
- zweites
unteres Ende der linken Reihe
- 74
- leitende
Platte
- 76
- Verlängerung
- 78
- erstes
oberes Ende der rechten Reihe
- 79
- isolierende
Platte
- 80
- Innengewinde
des einen Polanschlusses
- 82
- Innengewinde
des anderen Polanschlusses
- 84
- Abstandselement
- 85
- Grundplatte
- 86
- Lappen
- 88
- erster
senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 90
- zweiter
waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
- 92
- dritter
senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 94
- vier
waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
- 96
- fünfter senkrechter
Abschnitt der Kühlpassage
- 98
- sechster
waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
- 100
- siebter
senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 102
- achter
waagrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 104
- neunter
senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 106
- zehnter
waagrechter Abschnitt der Kühlpassage
- 108
- Lappen
- 109
- Rippen
- 110
- Abschlussblech
- 111
- Gehäuse
- 112
- untere
Hälfte
des Gehäuses
- 114
- untere
Seite des Gehäuses
- 116
- Verrippung
der Unterseite des Gehäuses
- 118
- Schaumstoff
- 120
- Gewindeeinsatz
- 122
- erste
Längsseite
der unteren Hälfte
des Gehäuses
- 124
- zweite
Längsseite
der unteren Hälfte
des Gehäuses
- 126
- Gewindeeinsatz
- 128
- obere
Hälfte
des Gehäuses
- 130
- Vorsprung
- 132
- erste
Längsseite
der oberen Hälfte
des Gehäuses
- 134
- Bohrungen
- 136
- hintere
Längsseite
der oberen Gehäusehälfte d128
- 138
- Bohrungen
- 140
- Bohrungen
- 142
- Öffnung
- 144
- Schraubbohrungen
- 146
- obere
Seite des Gehäuses 111
- 148
- Gewindeeinsätze
- 150
- Kühlkreis
- 152
- Verteilerrohr
- 154
- Sammelrohr
- 156
- Sammelrohr
- 158
- paralleler
Kühlpfad
- 160
- Hauptleitung
- 162
- Pumpe
- 164
- Kühler
- 166
- Lüfter
- 168
- Wärmetauscher
- 170
- weiterer
Kreislauf
- 172
- Heizung/Klimaanlage