DE102010046933A1

DE102010046933A1 - Temperlierbare Batteriezellenanordnung

Info

Publication number: DE102010046933A1
Application number: DE201010046933
Authority: DE
Inventors: Dr. Busch Michael; Sven Wüstenhagen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: DE102010046933B4

Abstract

Beschrieben wird eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium, wobei die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen ausbildet, von denen jeder Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige, flexible Taschenwände zuordenbar ist, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist, und jeweils zwei lagenweise benachbarte Aufnahmetaschen so mittel- oder unmittelbar miteinander gefügt sind, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Rahmenelemente (R) durch Aneinanderfügen eine Aufnahmetasche einschließen, dass jeweils ein Rahmenelement (R) einen membranartigen Flächenbereich (1) aufweist, der eine obere und untere Membranoberfläche (1o, 1u) besitzt, dass die obere Membranoberfläche (1o) an ihrem peripheren Umfangsrand von einer die Membranoberfläche (1o) überragenden Begrenzungsrippe (2) vollumfänglich begrenzt ist, ...

Description

Technisches Gebiet
Elektrische Energiespeicher sind die Schlüsselkomponente für die verstärkte Nutzung elektrischer Systeme. Unter dem nachfolgend gewählten Begriff der „Batterie” oder „Batteriezellen” soll in diesem Zusammenhang sowohl eine nicht wiederaufladbare und insbesondere eine wiederaufladbare Speichereinheit verstanden werden.
Unter den verfügbaren Speichertechnologien stellen insbesondere Batterien auf der Basis von Lithium-Ionen-Zellen derzeit eine interessante Option dar. Insbesondere Li-Ionen-Batterien können jedoch nur in einem bestimmten Temperaturfenster um eine „Wohlfühltemperatur” der Zellen herum effizient betrieben werden, und der Temperaturgradient in einer Batteriezelle und innerhalb der Batterie von Zelle zu Zelle sollte ebenfalls nur gering differieren. Bei unzureichender oder nicht homogener Temperierung geht ihre Leistung und Kapazität teilweise ganz erheblich zurück, und die Zellen erreichen nur eine deutlich verringerte Lebensdauer.
Die Erfindung bezieht sich auf eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl von Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie ein mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbares Temperiermedium.
Stand der Technik
Je nach Zelltyp, Einsatzanforderung, Montagefreundlichkeit und Kostenaspekten gelangen verschiedene Varianten temperierbarer Batterieanordnungen zur Anwendung. Man unterscheidet zwischen Temperierung durch Luft und Temperierung über einen thermischen Kontakt. Bei der Lufttemperierung umströmt die temperierte Luft die Zelle und temperiert dabei deren frei zugängliche Oberflächen. Bei der Temperierung über einen thermischen Kontakt stehen die Zellen in direktem thermischem Kontakt zu einem Wärmeableiter, über den die Wärme abgeleitet wird. Die Temperierung über thermischen Kontakt ist der Lufttemperierung insbesondere hinsichtlich Bauraum und Temperiereffizienz überlegen. Bei der Gestaltung der thermischen Kontaktierung ist sie jedoch aufwändiger. Für eine gute Wärmeableitung ist einerseits ein guter Kontakt zwischen Zellen und Wärmeableiter erforderlich. Andererseits ändern die Zellen ihre Dicke im Betrieb: die Zellen „atmen”. Dieses Atmen sollte nicht oder zumindest nicht nennenswert behindert werden, da es sonst zur katastrophalen Zerstörung der Zelle kommen kann. Die Zelle sollte sich dementsprechend möglichst frei ausdehnen und zusammen ziehen können, ohne dabei aber den guten thermischen Kontakt zum Wärmeableiter zu verlieren. Dies ist konstruktiv bislang unzureichend gelöst. Als weiteres Problem kommt hinzu, dass häufig aus Sicherheitsgründen eine elektrische Isolierung des Zellengehäuses erforderlich ist, die meisten guten Wärmeableiter aber auch gute elektrische Leiter sind, so dass dies häufig nicht ohne weiteres gegeben ist.
Bei der Temperierung über thermischen Kontakt sind mehrere Varianten bekannt: Besteht das Zellengehäuse aus einem gut Wärme leitenden Material, kann das Gehäuse selbst für die Wärmeableitung verwendet werden, indem die Zellen z. B. einfach auf eine temperierte Platte als Wärmeableiter gestellt werden. Wenn der Wärmetransport durch das Zellgehäuse nicht ausreichend ist, werden Wärmeableiter zwischen den Zellen in Form von Wärmeleitrippen oder Flüssigkeit führenden Platten eingebracht. Diese Varianten führen zu einem hohen Montageaufwand in der Serienfertigung, weil sehr viele solcher Platten bei der Montage der Zellen in der Batterie dicht verbunden werden müssen. Die Flüssigkeit führenden Platten können außerdem entweder reine Temperierplatten sein, die die Wärme zwischen der sie durchströmenden temperierten Flüssigkeit und der zu temperierenden Zellwand austauschen, oder sie können aktiv kühlende Platten, z. B. Plattenverdampfer oder Heatpipes, sein, wobei in dieser Fall jedoch nur eine Kühlung oder eine Erwärmung möglich ist. Eine effiziente Variante stellt die Temperierung des Zellinneren direkt über die Ableiter und die Elektroden der Zelle, d. h. über den direkten metallischen Pfad und damit den Weg entlang einer guten Wärmeleitfähigkeit in den Elektrodenstapel hinein, dar.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist der DE 10 2005 017 057 A1 zu entnehmen, die in einem Druckgehäuse eine Vielzahl darin untergebrachter Batteriezellen vorsieht. Das Druckgehäuse ist an einen Strömungskanal angeschlossen, über den mittels einer Pumpe druckbeaufschlagt Kühlluft in das Gehäuse einströmt, die in thermischen Oberflächenkontakt mit den einzelnen Batteriezellen gelangt und anschließend über Austrittsöffnungen aus dem Gehäuse nach Außen strömt.
Die DE 10 2006 059 989 A1 beschreibt eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie. Die einheitlich ausgebildeten Einzelzellen sind von zylindrischer Bauart und jeweils parallel nebeneinander zu einem Bündel zusammengestellt. In den von den Einzelzellen einander begrenzten Zwickelräumen sind Füllstücke von hoher Wärmeleitfähigkeit eingebracht, die einseitig stirnseitig zu den Einzelzellen auf einem ein Temperiermedium führenden Leitungssystem montiert sind. Das Bündel der zylindrischen Zellen wird zudem durch ein Zugband mit den Füllstücken in gegenseitigem Formschluss gehalten, wodurch eine Volumenänderung der Einzellzellen in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand, das so genannte „Atmen”, möglich ist. Nachteilig sind jedoch der mangelnde Formschluss und der damit verbundene variierende thermische Oberflächenkontakt zwischen den Einzellzellen und den Füllstücken in Abhängigkeit der jeweiligen Volumenänderung der Einzellzellen.
Die DE 101 30 369 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für Fahrzeugbatterien, die stapelbare, mit einem Temperiermedium, vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, durchströmbare, plattenförmige Kühlelemente vorsieht, die Zwischenräume einschließen, die die gleichfalls plattenförmigen Batteriezellen aufnehmen, so dass sie zusammen mit den Kühlelementen eine Stapelanordnung bilden. Die plattenförmigen Kühlelemente sind über Verbindungen miteinander starr für ein gesamtheitliches Durchströmen mit der Kühlflüssigkeit verbunden. Die starre Ausbildung der einzelnen plattenförmigen Kühlelemente mit festem Abstand zueinander hat zur Folge, dass die zwischen den Kühlelementen befindlichen Zellen bei einer Volumenvergrößerung unter Druck geraten, d. h. das Atmen der Zellen wird erheblich behindert, oder dass bei einer Volumenverringerung der Flächenkontakt zwischen den Kühlelementen und den Zellen verringert wird oder ganz verloren geht.
Die WO 2007/08766 beschreibt eine Hochleistungsbatterie, deren elektrochemische Zellen in einer regelmäßigen Anordnung parallel mit Zwischenraum aufgestellte Zylinder sind. Zur Kühlung der Zylinder ist eine Hülle vorgesehen, die aus einem Schlauch besteht, der um die Zellen der Batterie gewickelt ist, wobei der Schlauch mit jeder Windung eine Zelle nach der anderen zumindest teilweise umschlingt. Beispielsweise umschlingt der die Hülle bildende Schlauch eine Zelle in einem Halbkreis außen und eine benachbarte Zelle in einem Halbkreis innen.
Die DE 10 2007 015 506 A1 offenbart eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung bei der einzelne, zylinderförmig ausgebildete Speicherzellen in zylinderförmige, vorzugsweise aus elastomerem Material bestehende Halteglieder eingeschoben werden. Die einzelnen zylinderförmig ausgebildeten Halteglieder sind array- bzw. matrixförmig angeordnet und jeweils längs einer gemeinsamen Stirnseite mit einer ebenen Verbindungsfläche fest verbunden. Ein derartig ausgebildeter Haltegliedverbund wird in ein Gehäuse gesetzt, das von einem Kühlmedium durchströmt wird. Somit gelangt das Kühlmedium bei Durchströmen durch die zwischen den Haltegliedern vorhandenen Zwischenräume in thermischem Kontakt zu den einzelnen Speicherzellen und vermag diese zu temperieren.
Aus der DE 2006 000 885 B3 ist eine Kühlanordnung für vorzugsweise zylinderförmig ausgebildete Stabbatterien zu entnehmen, die jeweils zwischen lagenweise angeordneten, jeweils von einem Kühlmedium durchströmbaren und aus elastomeren Material bestehenden Zwischenbandlagen gefügt sind. Jede einzelne Zwischenbandlage verfügt über eine Vielzahl nebeneinander angeordneten, jeweils in entgegengesetzter Richtung von Kühlmittel durchströmbaren Kanälen.
In der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 005 097.5 wird eine temperierbare Batteriezellenanordnung beschrieben, die einen neuartigen Ansatz verfolgt und das Atmen der Zellen nicht oder zumindest nicht nennenswert behindert und zugleich unabhängig von ihrem Volumenzustand, den sie beim Atmen einnimmt, eine zuverlässige Temperierung der Batteriezellen ermöglicht. Eine derartige temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen aufweist, wobei jede Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige, flexible Taschenwände vorsieht, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist. Jeweils zwei lagenweise unmittelbar benachbarte Aufnahmetaschen sind so mittel- oder unmittelbar miteinander gefügt, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von einer vorstehend beschriebenen Batteriezellenanordnung gilt es eine möglichst robuste, montagetechnisch einfach und darüber hinaus möglichst kostengünstig zu realisierende Ausführungsform für eine temperierbare Batteriezellenanordnung zu schaffen, die den hohen mechanischen und thermischen Anforderungen im praktischen Betrieb gerecht werden soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
Ausgehend von einer temperierbaren Batteriezellenanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich die lösungsgemäße temperierbare Batteriezellenanordnung dadurch aus, dass sie aus weitgehend gleichen oder vorzugsweise identischen Bauteilen, den so genannten Rahmenelementen zur Aufnahme weitgehend beliebig vieler einzelner Batteriezellen zusammenfügbar ist. So schließen jeweils zwei Rahmenelemente, die fluiddicht zusammengefügt sind und ein Rahmenelement-Paar bilden, eine Aufnahmetasche ein, in die jeweils eine Batteriezelle einschiebbar ist. Die Rahmenelemente sind dabei derart ausgebildet, dass sie in nahezu beliebiger Anzahl übereinander stapelbar sind und somit die Aufnahmekapazität von einer großen Anzahl einzelner zu temperierenden Batteriezellen bilden können. Die Rahmenelemente verfügen daüber hinaus über die konstruktive Besonderheit, dass jeweils zwei im Stapel unmittelbar übereinander angeordnete Rahmenelementpaare einen für ein Temperiermedium durchströmbaren Durchgangskanal einschließen.
Jedes einzelne Rahmenelement weist hierzu einen membranartigen Flächenbereich auf, der über eine obere und eine untere Membranoberfläche verfügt. Vorzugsweise ist der membranartige Flächenbereich quadratisch oder rechteckig ausgebildet, je nach Größe und Form der in die Aufnahmetaschen einzuschiebenden Batteriezellen.
Die obere Membranoberfläche des membranartigen Flächenbereiches ist an ihrem peripheren Umfangsrand von einer die Membranoberfläche überragenden Begrenzungsrippe voll umfänglich begrenzt. Vorzugsweise verfügt die Begrenzungsrippe hierbei über eine konstante Rippenhöhe und -breite. Die untere Membranoberfläche des membranartigen Flächenbereiches ist an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Seitenbereichen des membranartigen Flächenbereiches jeweils von einem die untere Membranoberfläche überragenden, rippenartig ausgebildeten Randsteg begrenzt, in den jeweils eine nutförmige Ausnehmung eingebracht ist, die an der zur unteren Membranoberfläche abgewandten Randstegseite offen mündet. Die nutförmige Ausnehmung innerhalb der wenigstens. zwei die untere Membranoberfläche seitlich begrenzenden Randstege ist ferner jeweils mit einer an der oberen Membranoberfläche mündenden Membranöffnung fluidisch kommunizierend verbunden.
Durch Aneinanderfügen zweier derart ausgebildeter Rahmenelemente längs ihrer über die jeweils untere Membranoberfläche erhabenen rippenartig ausgebildeten Randstege, beispielsweise mittels adhäsiver Klebung oder thermischen Schweißens, bildet sich die innere Aufnahmetasche aus, die lateral von den Randstegen beider Rahmenelemente sowie jeweils den unteren Membranoberflächen beider Rahmenelemente begrenzt ist. Ferner wird beim Zusammenfügen beider Rahmenelemente jeweils ein von den Randstegen beider Rahmenelemente eingeschlossener Hohlkanal begrenzt. Durch einen der beiden sich beim Fügen ausbildenden Hohlkanäle wird das Temperiermedium zu, durch den anderen abgeführt.
Um einen von dem Temperiermedium durchströmbaren Durchgangskanal auszubilden bzw. zu begrenzen, ist entweder eine Deckplatte an die Begrenzungsrippe wenigstens eines der beiden sich im Fügeverbund befindenden Rahmenelemente, die eine Aufnahmetasche begrenzen, fluiddicht angefügt oder ein weiteres Rahmenelement ist längs seiner Begrenzungsrippe an die Begrenzungsrippe eines der beiden im Fügeverbund stehenden Rahmenelemente, die eine Aufnahmetasche begrenzen, fluiddicht gefügt. Auf diese Weise ergibt sich oberhalb der jeweils oberen Membranoberfläche ein fluiddicht abgeschlossener Durchströmungskanal, der fluidisch mit beiden Hohlkanälen, wie vorstehend erläutert verbunden ist.
Der besondere Charme der lösungsgemäß ausgebildeten temperierbaren Batteriezellenanordnung ist darin zu sehen, dass die zum stapelförmigen Aufbau erforderlichen Rahmenelemente Bauteile darstellen, die mittels kunststofftechnischer Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Spritzgussverfahren, schnell und günstig herstellbar sind. In nicht notwendiger jedoch in vorteilhafter Weise bestehen die Rahmenelemente aus einem einstückigen, vorzugsweise flexiblen oder elastomeren Material. Denkbar sind jedoch auch Rahmenelemente mit einem membranartigen Flächenbereich, der aus einem anderen Material gefertigt ist im Vergleich zu den den membranartigen Flächenbereich umgebenden bzw. angrenzenden Komponenten, wie Begrenzungsrippe und Randstege. Bspw. könnte es in manchen Anwendungs- und Ausbildungsformen vorteilhaft sein, die Begrenzungsrippe und den Randsteg aus einem stabileren, d. h. starren Material zu formen, wohingegen der membranartige Flächenbereich aus einem hochelastischen Material besteht, um temperaturbedingten Volumenänderungen seitens der Batteriezellen besser nachgeben zu können und somit den Batteriezellen das „Atmen” zu erleichtern. Wird der membranartige Flächenbereich aus einem weniger flexiblen und eher steifen Material ausgebildet, ermöglichen aufgedickte Strecken von Materialstegen, welche Schnittpunkte in stochastischer Verteilung aufweisen, ein knicken der membranartigen Fläche an den somit vorgegebenen Linienverläufen.
Nicht notwendiger jedoch in besonders vorteilhafter Weise sind die Rahmenelemente identisch ausgebildet, um die Herstellungskosten möglichst gering und das Montageverfahren einfach zu gestalten. Von der Identität abweichende Strukturmerkmale, die vor allem die Ausbildung der Begrenzungsrippen betreffen, dienen der Ausbildung einer Formschlussverbindung zwischen zwei Rahmenelementen, die längs ihrer Begrenzungsrippen zum Umschließen jeweils eines Hohlraumes für einen durchströmbaren Durchgangskanal fluiddicht miteinander verbunden werden. So bietet es sich bspw. an die jeweils obere stirnseitige Begrenzungsrippenfläche zweier Rahmenelemente als Feder-Nut-Verbindungsstruktur auszubilden, indem die obere Begrenzungsrippenfläche eines Rahmenelementes eine umlaufende nutförmige Ausnehmung und die obere Begrenzungsrippenfläche des anderen Rahmenelementes eine entsprechende über die Begrenzungsrippenfläche erhabene Rippenkontur aufweist. Selbstverständlich sind beliebig vergleichbare, miteinander verzahnende Fügestrukturen denkbar, die an den Begrenzungsrippen entsprechend vorgesehen werden können. Ähnliche Strukturbildende Massnahmen können auch längs der miteinander in fluiddichte Verbindung zu bringenden Randstege vorgesehen werden. Derartige Formschlussstrukturen machen jedoch aller Voraussicht den Einsatz von Klebe- oder Schweisstechniken zur Herstellung von Stoffschlussverbindungen zwischen den einzelnen miteinander zu verfügenden Rahmenelemente nicht unverzichtbar.
Durch die nahezu beliebig skalierbare Ausbildung der einzelnen Rahmenelemente und auch die beliebige Wahl der Anzahl jeweils vertikal übereinander zu stapelnder Rahmenelemente können die Aufnahmekapazität für die zu kühlenden Batteriezellen sowie auch die Kühlleistung der Batteriezellenanordnung individuell gewählt werden ohne dabei einen erhöhten Montageaufwand leisten zu müssen. Zum einen gilt es die Größe und die jeweilige Geometriewahl der einzelnen Rahmenelemente und zum anderen die Anzahl der vertikal übereinander zu stapelnden und miteinander fluiddicht zu fügenden Rahmenelemente festzulegen.
Zu Zwecken der kontrollierten Zu- und Abführung eines zumeist flüssigen Temperiermediums sind, wie die weiteren Ausführungen unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zeigen werden, Verteilereinheiten an dem stapelförmigen Verbund der aus einer Vielzahl zusammengefügter Rahmenelemente besteht, jeweils im Bereich ihrer stirnseitig offen mündenden Hohlkanäle vorzusehen. Die Verteilereinheiten sind gleichsam wie die Rahmenelemente mittels kostengünstiger Spritzgussverfahren herstellbar und gleichsam mit den bereits genannten Fügetechniken stirnseitig an den stapelförmigen Verbund im Bereich der offen mündenden Hohlkanäle fluiddicht fügbar.
Auch kann es für ein verbessertes Wärmemanagement vorteilhaft sein, in die Durchgangskanäle zusätzlich Phasenwechselmaterialien, kurz PCM, als Latentwärmespeicher einzubringen. So kann bspw. wenigstens eine aus Phasenwechselmaterial bestehende oder zumindest PCM anteilig enthaltende Zusatzkomponente in den jeweiligen zwischen zwei Rahmenelementen eingeschlossenen Durchgangskanal eingebracht werden. Alternativ oder in Kombination mit der vorstehenden Massnahme können Teile eines einzelnen Rahmenelementes, z. B. die jeweils den Durchgangskanal beidseitig begrenzenden membranartigen Flächenbereiche der Rahmenelemente, aber auch das gesamte Rahmenelement aus einem Phasenwechselmaterial enthaltenden Kunststoff gefertigt sein
Eine weitere Vorkehrung zur Erhöhung bzw. Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des membranartigen Flächenbereiches jedes einzelnen Rahmenelementes, betrifft das Vorsehen von erhabenen Strukturen an der jeweils oberen Membranfläche des membranartigen Flächenbereiches. Durch derartige Strukturen lassen sich wandnahe Strömungswirbel innerhalb des die Durchgangskänale durchströmenden Temperiermediums hervorrufen, beispielsweise eignen sich hierzu Strukturen die sich schuppen-, steg- oder rippenartig über die obere Membranoberfläche erheben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b Illustration zwei identisch ausgebildeter Rahmenelemente und Möglichkeiten ihrer gemeinsamen Fügung zum Aufbau eines Verbundstapels,
1c alternative Ausführungsform zweier Rahmenelemente sowie
2 Stapelanordnung bestehend aus mehreren zusammengefügter Rahmenelemente.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1a sind zwei Rahmenelemente R in perspektivischer Darstellung leicht versetzt übereinander dargestellt. Da die Rahmenelemente R identisch ausgebildet sind ermöglicht die Darstellung gemäß 1a die Illustration eines Rahmenelementes R sowohl von der Ober- als auch Unterseite.
Jedes Rahmenelement R weist einen membranartigen Flächenbereich 1 auf, der vorzugsweise aus einem elastischen Material besteht, durch das der membranartige Flächenbereich 1 orthogonal zur Flächenerstreckung dehnfähig ist. Der membranartige Flächenbereich 1, der im gezeigten Ausführungsbeispiel rechteckflächig ausgebildet ist, ist mit einer den Flächenbereich 1 voll umfänglich umgebenden Begrenzungsrippe 2 verbunden, vorzugsweise einstückig verbunden, wobei die Begrenzungsrippe 2 formstabil ausgebildet ist und den Flächenbereich 1 rahmenartig umgibt und diesen regelrecht flächig einspannt. Die Begrenzungsrippe 2 überragt die obere Membranoberfläche 1o des membranartigen Flächenbereiches 1 mit einer einheitlichen Rippenhöhe h. Somit umschließt die Begrenzungsrippe 2 gemeinsam mit der oberen Membranoberfläche 1o des Flächenbereiches 1 ein einseitig offenes Volumen das durch die Flächengröße der oberen Membranoberfläche 1o und der Rippenhöhe h festgelegt ist.
Zusätzlich münden jeweils zwei gegenüberliegende Membranöffnungen 5 an der oberen Membranoberfläche 1o in unmittelbarer Nähe zur Seitenkante des rechteckig ausgebildeten Flächenbereiches 1. Beide Membranöffnungen 5 durchragen das Rahmenelement R vollständig und münden an der Unterseite des Rahmenelementes R, wie dies aus dem in 1a unteren Rahmenelement R zu entnehmen ist, längs einer nutförmigen Ausnehmung 4 jeweils innerhalb eines Randsteges 3, der jeweils an den sich gegenüberliegenden Seitenkanten des membranartigen Flächenbereiches 1 angebracht ist und die untere Membranoberseite 1u jeweils mit einer Steghöhe s überragt.
Die jeweils in beiden Randstegen 3 eingearbeitete nutförmige Ausnehmung 4 mündet offen an der zur unteren Membranoberfläche 1u abgewandten Randstegseite 3s sowie zu der in 1a vorderen stirnseitigen Seitenkante des Rahmenelementes R. Demgegenüber ist jeweils das hintere Ende der Ausnehmung 4 von dem Randsteg 3 endseitig abgeschlossen bzw. vom Randsteg umfasst. Sowohl der Randsteg 3 als auch die Randstegseite 3s enden beide in Steghöhe s.
Das in 1a illustrierte Rahmenelement R lässt sich, wie bereits erwähnt, mittels etablierter kunststofftechnischer Fertigungsverfahren, vorzugsweise mittels Spritzgusstechnik herstellen. Form und Größe der einzelnen, das Rahmenelement R prägenden Strukturen lassen sich bedarfsweise individuell wählen und sind insbesondere an die Form und Größe der zu temperierenden Batteriezellen anzupassen.
Zur Ausbildung einer lösungsgemäßen temperierbaren Batteriezellenanordnung bedarf es einer Vielzahl einzelner Rahmenelemente R, die es gilt, stapelweise übereinander mediendicht zu verfügen.
Für die Ausbildung einer einzigen Aufnahmetasche gilt es die in 1a dargestellten beiden Rahmenelemente R miteinander in Deckung zu bringen und über ihre in dieser Anordnung vertikal gegenüberliegenden Randstege 3 fluiddicht fest miteinander zu verbinden. Hierbei gelangen die Randstegseiten 3s der jeweiligen Randstege 3 in gegenseitigen Flächenkontakt wie es mit Hilfe eines Adhäsivklebers oder im Rahmen eines Schweißprozesses zueinander fluiddicht zu Fügen gilt.
1c zeigt eine Variante für die Ausbildung der Rahmenelemente R, bei denen im Unterschied zu einer identischen Ausbildung der Rahmenelemente, gemäß 1a, für ein verbessertes fluiddichtes gegenseitiges Fügen zweier Rahmenelemente R1, R2, die Begrenzungsrippen 2 der Rahmenelemente jeweils eine sich beim Fügen gegenseitig verzahnende Formschlussverbindungsstruktur aufweisen. In 1c weisen hierzu die Rahmenelemente R1 und R2 eine Feder-Nut-Verbindungsstruktur auf. Das Rahmenelement R1 seht längs der oberen Stirnkante der Begrenzungsrippe 2 eine stegartige Überhöhung 9 vor, die beim entsprechenden Fügen mit dem Rahmenelement R1 in eine nutartige Vertiefung 10 längs der Begrenzungsrippe 2 des Rahmenelementes R1 einsetzbar ist. Neben der sich auf diese Weise ergebenden Formschlussverbindung ist es für einen fluiddichten Abschluss zumindest vorteilhaft, wenn nicht notwendig beide Rahmenelemente R1 und R2 per Klebe- oder Schweißtechnik zu verbinden.
Ferner ist es möglich auch den membranartigen Flächenbereich 1 jedes Rahmenelementes aus einem steifen Material auszubilden und nicht wie vorstehend erläutert aus einem elastischen Material. Bei einer möglichen Ausführung in steifen Materialien ermöglichen linienförmige Materialaufdickungen 1I die Ausbildung von Knicken, um die Verformung des membranartigen Flächenbereiches orthogonal zur Flächenerstreckung zu unterstützen, um auf diese Weise das Atmen der Batterien zu ermöglichen.
Alle übrigen aus 1c entnehmbaren Merkmale und Bezugszeichen entsprechen denen aus 1a, auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird.
In 2 ist eine Stapelanordnung V von mehreren vertikal übereinander gefügter Rahmenelemente R ersichtlich, bei der jeweils zwei Rahmenelemente, die über ihre jeweiligen Randstege 3 miteinander verbunden sind, eine Aufnahmetasche A für eine zu temperierende, nicht dargestellte Batteriezelle einschließen. Zusätzlich bilden sich dabei Hohlkanäle 7, 7' durch Zusammenfügen der nutförmigen Ausnehmungen 4 innerhalb der Randstegen 3 beider Rahmenelemente R aus. Die Hohlkanäle 7, 7' sind jeweils über die Membranöffnungen 5 mit dem von der Begrenzungsrippe 2 und der oberen Membranfläche 10 begrenzten Volumen, d. h. dem durchströmbaren Durchgangskanal fluiddicht verbunden.
Werden nun mehrere jeweils eine Aufnahmetasche A begrenzende Rahmenelemente R über ihre Begrenzungsrippe 2 fluiddicht miteinander verbunden, wie dies in 2 dargestellt, so werden jeweils Durchgangskanäle für das Temperiermedium geschaffen, die beidseitig von den jeweils oberen Membranoberflächen zweier Rahmenelemente sowie deren Begrenzungsrippen fluiddicht umschlossen sind. Die dabei entstehenden Durchgangskanäle weisen idealerweise jeweils eine Kanalhöhe von 2 h auf.
Zur kontrollierten Zu- und Abführung eines vorzugsweise flüssigen Temperiermediums werden die jeweils stirnseitig frei mündenden Hohlkanäle 7, 7' stirnseitig fluiddicht mit Verteilereinheiten 8, 8' verbunden, über die über eine entsprechende Zu- bzw. Ableitung ein Temperiermedium zu- bzw. abgeführt wird. In 2 sei angenommen, dass die Verteilereinheit 8 fluiddicht bündig an der vorderen Stirnseite des Stapelverbundes angebracht ist und für eine gleich verteilte Zuführung eines flüssigen Temperiermediums zu den Stromkanälen 7 sorgt. In gleicher Weise ist eine identisch ausgebildete Verteilereinheit 8' vorgesehen, die für eine zentrale Abführung des aus den Hohlkanälen 7' austretenden Temperiermediums sorgt. Die Verteilereinheiten 8, 8' sind gleichsam zu den Rahmenelementen R als Spitzgussteile gefertigt und können im Wege einer adhäsiven Fügung oder einer Schweißverbindung stirnseitig an die stapelförmige Anordnung V fluiddicht gefügt werden.
Die lösungsgemäße temperierbare Batteriezellenanordnung kann unter Verwendung und Einsatz beliebig vieler Rahmenelemente modular erweitert werden, um eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen in die sich jeweils ergebenden Aufnahmefächer aufnehmen zu können. Zur fluiddichten Begrenzung eines im Stapelverbund jeweils untersten und obersten Rahmenelementes R dient eine Deckplatte 6 (siehe 1b), die zur fluiddichten Begrenzung des obersten bzw. untersten Durchgangskanals jeweils auf die Begrenzungsrippe des obersten und untersten Rahmenelementes fluiddicht gefügt wird. Ebenso wie die Rahmenelemente R sowie auch die Verteilereinheiten 8, 8' stellt die Deckplatte 6 ein kostengünstiges Bauteil dar, das mit herkömmlichen Fügetechniken an den Stapelverbund gefügt werden kann.
Zusammenfassend stellt die neuartige temperierbare Batteriezellenanordnung eine sehr kostengünstige, robuste und beliebig skalierbare Aufnahmestruktur für die Aufnahme von zu temperierenden Batteriezellen dar. Selbstverständlich ist es möglich, die konkrete geometrische Ausgestaltung des membranartigen Flächenbereiches in Abhängigkeit von Form und Größe der zu temperierenden Batteriezellen anzupassen.
Auch kann es für ein verbessertes Wärmemanagement vorteilhaft sein, in die Durchgangskanäle zusätzlich Phasenwechselmaterialien (nicht dargestellt), kurz PCM, als Latentwärmespeicher einzubringen. So kann bspw. wenigstens eine aus Phasenwechselmaterial bestehende oder zumindest PCM anteilig enthaltende Zusatzkomponente in den jeweiligen zwischen zwei Rahmenelementen eingeschlossenen Durchgangskanal eingebracht werden. Alternativ oder in Kombination mit der vorstehenden Massnahme können Teile eines einzelnen Rahmenelementes, z. B. die jeweils den Durchgangskanal beidseitig begrenzenden membranartigen Flächenbereiche der Rahmenelemente, aber auch das gesamte Rahmenelement aus einem Phasenwechselmaterial enthaltenden Kunststoff gefertigt sein
Alternativ oder in Kombination kann zur Verbesserung des Wärmeaustausches die jeweils obere Membranoberfläche 10 mit wirbelerzeugenden Strukturen versehen werden, um so einen effektiveren Strömungsaustausch längs der oberen Membranoberfläche zu unterstützen.
Die lösungsgemäß ausgebildete Batteriezellenanordnung vermag aufgrund der Eigenelastizität der membranartigen Flächenbereiche eine vibrationsgedämpfte Lagerung der einzelnen in den Aufnahmetaschen befindlichen Batteriezellen, vorzugsweise Litium-Ionen-Batterien zu gewährleisten. Die jeweils miteinander gefügten, vorzugsweise aneinander verschweißten Rahmenelemente sorgen für eine „schwimmende” Fixierung der einzelnen in den Aufnahmetaschen befindlichen Batteriezellen und ermöglichen auf die Weise auch einen so genannten „Über-Kopf”-Einbau und eine damit verbundene hohe Flexibilität für den weiteren Einsatz. Aufgrund der flexiblen Membranfunktion der membranartigen Flächenbereiche können Volumenänderungen der Batteriezellen beim Atmen der Batteriezellen ausgeglichen werden. Der einfache modulartige bzw. baukastenartige Aufbau sowie die Verwendung sehr günstig herzustellender Rahmenelemente ermöglicht eine kostengünstige und individuell bedarfsgerecht anpassbare Batteriezellenanordnung.
Bezugszeichenliste

1: Membranartiger Flächenbereich
1o: obere Membranoberfläche
1u: untere Membranoberfläche
2: Begrenzungsrippe
3: Randsteg
3s: obere Randstegseite
4: nutförmige Ausnehmung
5: Membranöffnung
6: Deckplatte
7, 7': Hohlkanal
8, 8': Verteilereinheit
A: Aufnahmetasche
R: Rahmenelement
V: stapelförmiger Verbund
s: Steghöhe
h: Rippenhöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017057 A1 [0006]
DE 102006059989 A1 [0007]
DE 10130369 A1 [0008]
WO 2007/08766 [0009]
DE 102007015506 A1 [0010]
DE 2006000885 B3 [0011]
DE 102010005097 [0012]

Claims

Temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium, wobei die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen ausbildet, von denen jeder Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige, flexible Taschenwände zuordenbar ist, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist, und jeweils zwei lagenweise benachbarte Aufnahmetaschen so mittel- oder unmittelbar miteinander gefügt sind, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rahmenelemente (R) durch Aneinanderfügen eine Aufnahmetasche einschließen, dass jeweils ein Rahmenelement (R) einen membranartigen Flächenbereich (1) aufweist, der eine obere und untere Membranoberfläche (1o, 1u) besitzt, dass die obere Membranoberfläche (1o) an ihrem peripheren Umfangsrand von einer die Membranoberfläche (1o) überragenden Begrenzungsrippe (2) vollumfänglich begrenzt ist, dass die untere Membranoberfläche (1u) an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Seitenbereichen des membranartigen Flächenbereiches (1) jeweils von einem die untere Membranoberfläche (1u) überragenden rippenartig ausgebildeten Randsteg (3) begrenzt ist, längs dessen jeweils zu einer der unteren Membranoberfläche (1u) abgewandten Randstegseite (3s) wenigstens eine in den Randsteg (3) eingebrachte nutförmige Ausnehmung (4) offen mündet, dass die nutförmige Ausnehmung (4) jeweils mit einer an der oberen Membranoberfläche (10) mündenden Membranöffnung (5) fluidisch kommunizierend verbunden ist, dass das Aneinanderfügen zur Ausbildung einer Aufnahmetasche durch Fügen zweier Rahmenelemente (R) längs ihrer rippenartig ausgebildeten Randstege (3) erfolgt, und dass der von einem Temperiermedium durchströmbare Durchgangskanal (D) durch fluiddichtes Fügen einer Deckplatte (6) oder eines weiteren Rahmenelementes (R) längs seiner Begrenzungsrippe (2) an die Begrenzungsrippe (2) eines der beiden im Fügeverbund stehenden Rahmenelemente (R), die eine Aufnahmetasche begrenzen, eingeschlossen ist.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Vielzahl einzelne Aufnahmetaschen (A) aufweisende Aufnahmestruktur eine Vielzahl zweier jeweils eine Aufnahmetasche (A) begrenzende Rahmenelemente (R) vorsieht, die jeweils längs ihrer Begrenzungsrippen (2) fluiddicht zu einem stapelförmigen Verbund (V) gefügt sind.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der membranartige Flächenbereich (1) quadratisch oder rechteckig ausgebildet ist.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (R) im Wege Kunststofftechnischer Fertigungsverfahren, vorzugsweise im Spritzgussverfahren als einstückige Bauteile herstellbar sind.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeverbund jeweils zwischen zwei Rahmenelementen (R) oder zwischen der Deckplatte (6) und einem Rahmenelement (R) als adhäsiver Klebeverbund oder als Stoffschlussverbund mittels thermischen Energieeintrags ausgeführt ist.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nutförmige Ausnehmung (4) innerhalb beider Randstege (3) pro Rahmenelement (R) jeweils stirnseitig einseitig in Längserstreckung beider Randstege offen mündet und dass sich die nutförmigen Ausnehmungen (4) jeweils zweier in Fügeverbund gebrachter Randstege (3) zweier Rahmenelemente (R) zu einem jeweils stirnseitig einseitig offenen Hohlkanal (7, 7') ergänzen.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungs- und eine Abführungseinheit für das Temperiermedium derart vorgesehen sind, dass die Zuführungseinheit mit einem Hohlkanal (7) zweier fluiddicht zusammengefügter Rahmenelemente (R) und die Abführungseinheit mit dem anderen Hohlkanal (7') der zwei fluiddicht zusammengefügten Rahmenelemente (R) fluiddicht verbunden sind.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl zweier jeweils eine Aufnahmetasche (A) begrenzenden und zu einem stapelförmigen Verbund (V) gefügten Rahmenelemente (R) einseitig stirnseitig zwei Reihen jeweils unmittelbar übereinander angeordnete Hohlkanäle (7, 7') vorsieht, dass eine das Temperiermedium (T) zuführende Verteilereinheit (8) stirnseitig mit der einen Reihe im Stapelverbund (V) unmittelbar übereinander angeordneten Hohlkanäle (7) und eine das Temperiermedium (T) abführende Verteilereinheit (8') stirnseitig mit der anderen Reihe im Stapelverbund (V) unmittelbar übereinander angeordneten Hohlkanäle (7') fluiddicht verbunden sind.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der membranartige Flächenbereich (1) Wärme speicherndes Material, so genanntes Phasenwechselmaterial (PCM) enthält.
Temperierbare Batteriezellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem membranartigen Flächenbereich (1) die Wärmeleitfähigkeit erhöhende Füllstoffe enthalten sind.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die obere Membranfläche (1o) zumindest bereichsweise eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente identisch ausgebildet sind.