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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Folienzelle von Lithium-Ionen-Batterien eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs, mit einer Kühl-/Heizstruktur bzw. eine derartige Kühl-/Heizstruktur.
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Bisherige Bauweisen von Batterien für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, die mit Folienzellen (Pouche-Bag-Zellen oder Coffee-Bag-Zellen) arbeiten, bedingen durch die Art und den Anbau von Kühl-/Heizungseinrichtungen ein vermindertes Masse-Leistungs-Verhältnis (Leistungsgewicht). In Abhängigkeit vom konstruktiven Aufbau wird bis zu 30% und teilweise mehr des Gesamtbatteriebauraums dafür verwendet.
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Da eine thermische Überlastung von Batteriezellen, insbesondere Folienzellen, unbedingt zu vermeiden ist, und die Batteriezellen immer im optimalen thermischen Betriebsfenster zu halten sind, um eine vom Hersteller prognostizierte Lebensdauer zu erreichen, ist es unabdingbar, die Batteriezellen thermisch zu regulieren. Dabei wird der Vorteil des gewichts- und bauraumreduzierten Aufbaus von Batteriezellen in einer Traktionsbatterie häufig durch den zusätzlich benötigten Bauraum und das vermehrte Gewicht von eingebrachten Kühl-/Heizungseinrichtungen zunichte gemacht. Hinzu kommen noch Überwachungseinrichtungen, wie z. B. extern zugeführte Thermosensoren, die den Bauraum und das Gewicht einer Batterie vergrößern können.
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DE 10 2008 034 854 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren jeweils ein Zellgehäuse aufweisenden Batteriezellen und einer Kühlplatte zu deren Kühlung. Für eine vorgespannte Befestigung der jeweiligen Batteriezelle an der Kühlplatte ist eine zugehörige Verspannvorrichtung vorgesehen, welche als elastische und Kraft übertragende Einrichtung ausgebildet ist.
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DE 10 2007 021 309 A1 offenbart eine Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs, die mit mehreren nach außen durch jeweils eigene Zellengenpaket zusammengefassten Batteriezellen und wenigstens einer Kühlflüssigkeit führenden Rohr zum Abtransport von Wärmeenergie der Batteriezellen versehen. Eine vom Rohr ausgehende, wärmeführende Lamelle liegt abschnittsweise flächig an einem Zellengehäuse an.
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DE 10 2008 034 862 A1 betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Kühlplatte zu deren Kühlung und zwischen den Batteriezellen angeordnete Wärmeleitelemente und elastische Wärmekontaktelemente, welche jeweils eine Batteriezelle und ein Wärmeleitelement thermisch miteinander verbinden. Die Wärmeleitelemente sind stoffschlüssig, formschlüssig und kraftschlüssig mit der Kühlplatte verbunden, und die Wärmekontaktelemente sind auf gleicher Weise an den Wärmeleitelementen oder den Batteriezellen angebracht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder E-Fahrzeugs flexibel und raumsparend zu klimatisieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Kühl-/Heizstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Wärmeaustausch direkt zwischen der Batteriezelle und einem Kühl-/Heizmedium zu ermöglichen, ohne dass dazwischen ein anderer Kühlkörper für die Wärmeübertragung noch notwendig ist, und folglich der gesamte Bauraumbedarf von Batteriezellen wesentlich reduziert werden kann. Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Folienzelle von Lithium-Ionen-Batterien eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs, mit mindestens einer Kühl-/Heizstruktur vorgesehen, wobei die Kühl-/Heizstruktur zum Kühlen und/oder Heizen der Batteriezelle derart gestaltet und auf einer Außenoberfläche der Batteriezelle angeordnet ist, dass mindestens ein Hohlraum zwischen der Kühl-/Heizstruktur und der Außenoberfläche der Batteriezelle zur Aufnahme eines Kühl-/Heizmediums, insbesondere eines flüssigen Kühl-/Heizmediums, gebildet ist. Der oder die Hohlräume können je nach Bedarf z. B. längs, quer, rund oder mäander- aber auch kissenförmig gestaltet werden, wobei die Hohlräume untereinander verbindbar sind. Dadurch, dass die Kühl-/Heizstruktur auf der Batteriezelle integriert aufgebaut wird, können die Batteriezelle und die Kühl-/Heizstruktur gemeinsam als eine doppelwandige Zelleneinheit – die Batteriezellenaußenwand als die innere Wand und die Kühl-/Heizstruktur als die äußere Wand der Zelleneinheit – angesehen werden.
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Das Kühl-/Heizmedium kann sich in der Struktur in Ruhe befinden und/oder zirkulierend fließen. Durch die Aufnahme von Kühl-/Heizmedium zwischen der Außenoberfläche der Batteriezelle und der Kühl-/Heizstruktur, welche direkt auf einer Außenfläche der Batteriezelle aufgelegt wird, kann ein Wärmeaustausch direkt zwischen der Batteriezelle und dem Kühl-/Heizmedium erfolgen, damit die Batteriezelle besser klimatisiert wird. Die Kühl-/Heizstruktur kann in Form einer dünnen Kühl-/Heizbeschichtung, wie z. B. mit einer Dicke von 0,5 mm, gestaltet und direkt auf der Batteriezelle aufgelegt bzw. integriert werden. Durch unmittelbares Anbringen von füllbaren Hohlräumen für die Aufnahme eines Kühl-/Heizmediums an der Außenfläche der Batteriezelle z. B. bei deren Herstellungsprozess werden der notwendige Bauraum und das Gewicht von Batterien reduziert. Zudem wird die eigentliche Batteriezelle durch diese Struktur gegen externe mechanische und thermische Beschädigungen geschützt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Kühl-/Heizstruktur so gestaltet, dass das Kühl-/Heizmedium nicht nur im gebildeten Hohlraum aufgenommen wird, sondern auch durch ihn hindurch fließen kann. Das Kühl-/Heizmedium kann sich zwischen der Batteriezelle und der Kühl-/Heizstruktur in Ruhe befinden und/oder zirkulierend fließen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kühl-/Heizstruktur mindestens ein Struktursegment. Dadurch, dass die Struktur in Form von mehreren Segmenten ausgebildet wird, kann sie in einer flexiblen Maßgröße hergestellt werden und sich an die Form oder den Umriss der Batteriezelle besser anpassen. Die Größe und die Art der Kühl-/Heizflächen auf der Batteriezelle werden je nach Bedarf gestaltet. Die Struktursegmente können bspw. durch schlauchförmige leicht steck-/schraub- und lösbare Verbindungsleitungen zusammengeschaltet werden. Dies erleichtert die Konfigurierung von größeren Gesamtsystemen (z. B. Traktionsbatterien) aus mehreren derartigen Batteriezellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Struktursegment mindestens eine Ein- und/oder Auslassöffnung zum Durchlassen des Kühl-/Heizmediums auf. Dabei kann das Struktursegment mit der Außenoberfläche der Batteriezelle mindestens einen Hohlraum zur Aufnahme des Kühl-/Heizmediums bilden. Solche Ein- und/oder Auslassöffnungen können leicht miteinander, nämlich mit der oder den Öffnungen eines anderen Hohlraums, verbunden, getrennt sowie verschlossen werden, um ein Durchlaufsystem für das Kühl-/Heizmedium zu schaffen. Auf einer ähnlichen Weise kann das Struktursegment mit einem anderen Struktursegment der Struktur dieser Batteriezelle und/oder einer anderen Batteriezelle verbunden werden, so dass ein Austausch des Kühl-/Heizmediums zwischen den Struktursegmenten stattfinden kann. Dies ermöglicht, mehrere Batteriezellen zu einem größeren Batteriesystem mit integriertem Kühl-/Heizsystem zusammenzufassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nimmt die Kühl-/Heizstruktur mindestens einen Thermosensor, insbesondere einen flächigen Thermosensor, auf, über den das Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs Temperaturen der Kühl-/Heizstruktur erfassen kann, damit die Steuerung und Regelung der Klimatisierungsleistung der Kühl-/Heizstruktur unter Berücksichtigung des von dem Thermosensor gelieferten Temperaturwertes erfolgen können, und die Batteriezelle dann im optimalen thermischen Betriebsfenster gehalten wird. Die Integration des Thermosensor ermöglicht, den Hohlraum durch das Vorhandensein des Thermosensors zu füllen, wodurch die Stabilität und Steifigkeit der Batteriezelle erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Kühl-/Heizstruktur bzw. das Struktursegment mindestens eine Klappe zur Begrenzung und/oder Veränderung des Kühl-/Heizmediumflusses auf. Die Klappe kann z. B. ebenfalls sensorisch durch das Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs gesteuert werden. Das Kühl-/Heizmedium wird dann dorthin vermehrt oder vermindert gefördert, wo der Kühl-/Heizbedarf, der infolge der von den Batteriezellen geforderten Gesamtleistung entsteht, zu decken ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Kühl-/Heizstruktur aus einem dünnen und elastischen Material, wie z. B. Folienmaterial. Die Kühl-/Heizstruktur kann ohne Aufwand auf der Batteriezelle oder den Batteriezellen aufgelegt und wieder von der Batteriezelle getrennt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Kühl-/Heizstruktur zweilagig oder mehrlagig, also zu zwei oder zu mehreren übereinander und/oder nebeneinander auf der Batteriezelle ausgestaltet werden. Dabei werden mindestens zwei Kühl-/Heizstrukturen derart nebeneinander auf der Außenoberfläche der Batteriezelle angeordnet, dass mindestens ein Hohlraum zwischen jeder der Kühl-/Heizstrukturen und der Außenoberfläche der Batteriezelle zur Aufnahme und/oder zum Durchlassen eines Kühl-/Heizmediums gebildet ist. Alternativ können mindestens zwei Kühl-/Heizstrukturen derart übereinander auf der Batteriezelle angeordnet werden, dass zumindest ein erster Hohlraum zwischen einer der Kühl-/Heizstrukturen und der Außenoberfläche der Batteriezelle zur Aufnahme und/oder zum Durchlassen eines ersten Kühl-/Heizmediums gebildet ist, und zumindest ein zweiter Hohlraum durch die mindestens zwei Kühl-/Heizstrukturen zur Aufnahme eines zweiten Kühl-/Heizmediums gebildet ist und sich zwischen den mindestens zwei Kühl-/Heizstrukturen befindet. Das erste und das zweite Kühl-/Heizmedium können ein gleiches Medium, oder zwei unterschiedliche Medien sein, z. B. Flüssigkeit und Gas, wobei der erste und der zweite Hohlraum dementsprechend durch die Kühl-/Heizstrukturen dafür geeignet ausgebildet sind. Durch zweilagig oder mehrlagigen Aufbau der Kühl-/Heizstruktur können die Kühl-/Heizkapazität erhöht und die Batteriezelle besser klimatisiert werden. Darüber hinaus, können die Steifheit der Batteriezelle erhöht und die Batteriezelle vor externer mechanischer Beschädigung besser geschützt werden.
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Weiterhin wird eine Kühl-/Heizstruktur für eine Batteriezelle, insbesondere eine Folienzelle von Lithium-Ionen-Batterien eines Hybrid-/E-Fahrzeugs, vorgesehen, wobei die Kühl-/Heizstruktur zur Anordung auf einer Außenoberfläche der Batteriezelle aus einem elastischen Material derart gestaltet ist, dass ein Kühl-/Heizmedium, insbesondere ein flüssiges Kühl-/Heizmedium, zwischen der Kühl-/Heizstruktur und der Außenoberfläche der Batteriezelle aufnehmbar ist und/oder dazwischen durchfließen kann, um die Batteriezelle zu Kühlen und/oder zu Heizen.
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Durch unmittelbare Auflegung der dünnen Struktur direkt an eine Außenfläche der Batteriezelle kann ein notwendiger Bauraum für Kühlungsmittel, wie z. B. Kühlungsplatte, eingespart und das Gewicht von der gesamten Batterie reduziert werden. Die Kühl-/Heizstruktur kann entweder während des Herstellungsprozesses der Batteriezelle mit dieser zusammen gefertigt werden, oder die Struktur mit integriertem Kühl-/Heizmedium kann auch separat gefertigt und dann nachträglich auf eine oder mehrere bereits bestehenden Batteriezellen eingebracht werden, wenn die Batterie nachträglich positioniert wird, die einen stärkeren Bedarf an Kühl-/Heizleistung benötigt. Im letzteren Fall wird die Struktur jedoch mit einem oder mehreren Hohlräumen in sich zur Aufnahme eines Kühl-/Heizmediums gestaltet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: eine Ansicht einer Batteriezelle von oben mit einer erfindungsgemäßen Kühl-/Heizstruktur,
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2: eine Seitenansicht einer Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Kühl-/Heizstruktur.
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1 zeigt eine Batteriezelle 1, wie z. B. eine Folienzelle einer Lithium-Ionen-Batterie eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs. Die Batteriezelle 1 wird mit einem Plus- und einem Minuspole 10 versehen. Eine Kühl-/Heizstruktur 2 bestehend aus mehreren Struktursegmenten 3 wird auf einer Außenoberfläche der Batteriezelle 1 aufgelegt, um diese zu kühlen oder zu heizen, wobei die Struktursegmente 3 durch Verbindungsleitungen 9 miteinander verbunden sind. Da die Struktur 2 in kleine Segmente aufgeteilt werden kann, kann sie mit einer beliebigen Baugröße, Außenabmessungen oder Fläche bzw. in einer flexiblen Form gefertigt werden, um die Oberfläche der Batteriezelle 1 bzw. deren Form oder Umriss besser anzupassen. Die Struktur 2 kann ohne Aufwand auf der Batteriezelle 1 aufgelegt und davon wieder abgetrennt werden. Die Struktur 2 kann auch zweilagig oder mehrlagig auf der Batteriezelle 1 aufgelegt werden, um die Kühl- oder die Heizwirkung zu verbessern, und eine flexible Anordnung der Strukturen 2 auf die Batteriezelle 1 zu ermöglichen.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Batteriezelle 1 mit der Kühl-/Heizstruktur 2. Durch die Auflegung der Kühl-/Heizstruktur 2 auf der Batteriezelle 1 wird ein oder werden mehrere Hohlräume 4 zwischen der Kühl-/Heizstruktur 2 und der Außenoberfläche der Batteriezelle 1 zur Aufnahme eines Kühl-/Heizmediums, z. B. einer Kühl-/Heizflüssigkeit, gebildet. Dadurch ist hier z. B. mindestens ein Hohlraum 4 in jedem Struktursegment 3 vorhanden. Somit wird die Kühl-/Heizstruktur 2 auf der Batteriezelle integriert, d. h., die Batteriezelle 1 ist als eine doppelwandige Zelle mit einem oder mehreren Hohlräumen 4 zwischen den Wänden ausgebildet. Jeder Hohlraum 4 verfügt über eine Einlass- 5 und/oder Auslassöffnung 6, um eine serielle und/oder parallele Verbindung von mehreren Hohlräumen 4 für Austausch oder Durchlass des Kühl-/Heizmediums zu schaffen. Die Einlassöffnung 5 eines Segments 3 kann durch eine Verbindungsleitung 9 bspw. mit einer oder mehreren Auslassöffnungen 6 eines oder mehreren anderen Segmenten 3 leicht verbunden, getrennt sowie verschlossen (Endglied der Struktursegmente) werden. Die Verbindung ist z. B. eine Steck- und/oder Schraubverbindung. Die Verbindungsleitung 9 kann als ein Schlauch oder ein Rohr ausgeführt werden. Das Kühl-/Heizmedium kann sowohl sich in dem oder den Hohlräumen 4 in Ruhe befinden als auch zwischen der Struktur 2 und der Batteriezelle 1 durch die Hohlräume 4 zirkulierend fließen.
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Es gibt z. B. mindestens ein Thermosensor 7 in einem Hohlraum 4. Der Thermosensor 7 kann durch das Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs gesteuert werden. Die Batteriezelle 1 wird dann in einem optimalen thermischen Betrieb gehalten. Weiterhin wird eine Klappe 10, die ebenfalls in einem Hohlraum 4 angeordnet ist, zur Sperrung oder Begrenzung des Kühl-/Heizmediumsflusses verwendet. Die Klappe kann ebenfalls sensorisch durch die Batteriesteuerung des Fahrzeugs gesteuert werden. Das Kühl-/Heizmedium wird dann an eine Stelle gezielt gefördert, wo der Kühl- oder Heizbedarf aktuell einen Vorrang oder eine höhere Priorität hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034854 A1 [0004]
- DE 102007021309 A1 [0005]
- DE 102008034862 A1 [0006]
