DE102011075820A1

DE102011075820A1 - Traktionsbatterie und Temperiervorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102011075820A1
Application number: DE201110075820
Authority: DE
Inventors: Stefan Deser; Thomas Kotzbauer; Martin Huber; Guido Hofer; Dr. Rüter Karsten
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-14
Also published as: DE102011075820B4

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Traktionsbatterie (1), bestehend aus einem Gehäuse (10), sowie zumindest einer im Gehäuse (10) befindlichen Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) und zumindest einer von einem Fluid durchströmbaren Temperiervorrichtung (30) die von einer Betriebsstellung, in der diese zumindest bereichsweise in einem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) steht, in eine Montagesstellung überführt werden kann, in der die Temperiervorrichtung (30) nicht in einem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) steht und durch eine Öffnung (11) und/oder unter Bildung einer Öffnung (11) aus Gehäuse (10) entnommen oder in das Gehäuse (10) eingeführt werden kann, und umgekehrt, wobei die Öffnung (11) derart gestaltet ist, dass in der Montagestellung die Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) nicht von außerhalb des Gehäuses (10) zugänglich ist und eine Temperiervorrichtung (30) zur Anordnung in oder an einer Traktionsbatterie (1) gebildet aus einem starren Grundkörper (31) und zumindest an den zur Temperierung einer Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) vorgesehenen Bereichen aus einem flexiblen, folienartigen Material (33).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie mit einer Temperiervorrichtung insbesondere zur Anordnung in einem Fahrzeug mit Hybrid- oder Elektroantrieb.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Temperiervorrichtung für eine Traktionsbatterie.
Stand der Technik
Es ist prinzipiell bekannt, dass es in elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere wenn diese in einem elektrischen Schaltkreis für die Realisierung stark schwankender Lastfälle von Verbrauchern eingesetzt werden, zu einer Wärmeentwicklung kommen kann. Wobei es insbesondere bei Traktionsbatterien, die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen angeordnet sind und vor allem bei sogenannten Lithium-Ionen Zellen entscheidend ist, dass eine Erwärmung der Zellen vermieden wird, die derart stark ist, dass einzelne oder Gruppen von Zellen in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt oder gar zerstört werden.
Aus diesem Grund weisen die im Stand der Technik bekannten Aufbauten für Traktionsbatterien in der Regel ein aktives oder passives Kühlsystem auf, das benachbart oder aber zwischen den Zellen des Energiespeichers angeordnet ist. Dabei setzen aktive Systeme eine über ein Aggregat erzeugte Fluidströmung ein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern, während passive Systeme Wärmeleitelemente aufweisen, die die Wärme aus dem Innern der Anordnung der elektrochemischen Zellen an die Außenseite des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers leiten.
Beispielhaft für die Vielzahl von Anmeldungen auf dem technischen Gebiet sei hier die internationale Patentanmeldung WO 2010/069713 A1 genannt. In diesem Dokument sind die einzelnen Zellen mit dazwischen angeordneten Wärmeleitplatten verspannt, wobei die Wärmeleitplatten und die Zellen von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind. Dabei kann eine Gehäusewand als Wärmeübertragungsfläche ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsfläche ein zusätzliches Wärmereservoir mit integrierten Kanälen zur aktiven Führung eines Wärmetransportmediums auf.
Eine alternative Ausführungsform zeigt die französische Patentanmeldung FR 2 782 399 A1 . Hier ist eine Anordnung von elektrochemischen Zellen an einem Teil der Mantelfläche der zylinderförmigen Zellen von einem fluiddurchströmten Kühlkörper aus einem Folienmaterial umgeben. Dieser Kühlkörper wird über ein Gehäuseteil gegen die Zellen verspannt.
Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist, dass die Montage oder aber Demontage des Kühlsystems nur mit großem technischem Aufwand und unter Gefahr für das damit beauftragte Fachpersonal verbunden ist. So ist es bei fest in die Zellanordnung integrierten und/oder verspannten Kühlsystemen erforderlich die Einzelzellen zu demontieren, oder aber es kann, wie im zuvor explizit genannten Stand der Technik, bei der Demontage des Kühlsystems dazu kommen, dass die unter Spannung stehenden Zellen der Zellanordnung frei zugänglich sind und eine unbeabsichtigte Berührung durch das Montagepersonal erfolgen kann, die eine Gefahr für Leib und Leben zur Folge haben kann.
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die zuvor genannten Probleme zu lösen, und es ist entsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Traktionsbatterie bereitzustellen, die bei einer Montage bzw. Demontage der Temperiervorrichtung zur Kühlung bzw. Erwärmung der im Energiespeicher angeordneten elektrochemischen Zellen die Gefahr einer unbeabsichtigten Berührung der unter Spannung stehenden Einzelzellen vermeidet. Gleichzeitig ist es Aufgabe dieser Erfindung eine Traktionsbatterie und eine Temperiervorrichtung hierfür bereitzustellen, bei dem die Temperiervorrichtung in möglichst wenigen Montageschritten mit dem Gehäuse der Traktionsbatterie und den darin angeordneten elektrochemischen Zellen verbunden werden kann und im Wartungs- bzw. Reparaturfall auch einfach wieder entfernt werden kann.
Diese Aufgaben werden durch eine Traktionsbatterie gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den zu diesem Anspruch abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es eine Temperiervorrichtung bereitzustellen, mit Hilfe derer ein einfacher Aufbau und vor allem eine einfache Montage einer Traktionsbatterie realisiert werden kann.
Dieses Ziel wird durch eine Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 10 erreicht. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den hiervon abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufbau der Traktionsbatterie durch einen möglichst modularen Aufbau dahingehend zu optimieren, dass bei der in wenigen Schritten erfolgenden Montage bzw. Demontage (beispielsweise zu Wartungszwecken) der Temperiervorrichtung die im Gehäuse des Energiespeichers vorhandene bzw. entstehende Öffnung derart gestaltet ist, dass die im Gehäuse befindliche Anordnung von elektrochemischen Zellen nicht von außerhalb des Gehäuses durch diese Öffnung zugänglich ist.
Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie weist dazu prinzipiell ein Gehäuse aus einem geeigneten Material, wie Kunststoff, Keramik oder einem Verbundmaterial, wie beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, auf. Das Verbundmaterial kann auch metallische Schichten oder Partikel aufweisen, um das Gehäuse elektromagnetisch zu schirmen.
Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei einer mehrteiligen Ausbildung des Gehäuses können die einzelnen Teile relativ zueinander von einer Betriebsstellung in eine Montagestellung überführt werden.
Im Gehäuse ist zumindest eine Anordnung aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen angeordnet. Die Zellen können in voneinander beabstandeten Gruppen angeordnet sein oder aber eine kompakte Anordnung bilden. Die einzelnen Zellen der Anordnung sind elektrisch, beispielsweise über eine stromleitende Kollektorplatte, über Stromschienen oder eine anderweitig geeignete Stromführung miteinander verbunden. Zwischen den Zellen der Anordnung können wärmeleitende Materialschichten vorgesehen sein, die zur passiven Abfuhr von Wärme geeignet sind, bspw. Kupfer- und/oder Aluminiumplatten beziehungsweise deren Legierungen oder aber aus einem anderen Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Zusätzlich kann zwischen den wärmeleitenden Materialschichten und den Zellen ein toleranzausgleichendes Material beispielsweise in Form von sogenannten Wärmeleitpads angeordnet sein.
Die Wärmeleitpads können dabei elektrisch isolierend ausgestaltet sein und aus einem Wärme gut leitenden Material bestehen. Denkbare Materialien sind dabei beispielsweise Keramiken. Idealerweise bestehen die Wärmeleitpads aus Kunststofffolien, die aus Silikon, Gummi oder einem Polyimid gebildet sind. Diese Fallen können zur Steigerung der mechanischen Stabilität eine Faserverstärkung aus Natur-, Carbon- oder Glasfasern aufweisen. Die Wärmeleitpads können kissenartig ausgebildet sein, wobei vorzugsweise Kunststofffolien den Mantel des Wärmeleitpads bilden. Die Wärmeleitpads können dabei mit beispielsweise Silikon, Gummi, Polyimid, Keramikpartikel, einem Wärmeleitfluid oder anderem Füllmaterial befüllt sein.
Zumindest eine Seite der Zellanordnung der Traktionsbatterie ist dabei nahezu plan ausgestaltet. Bei zylinderförmigen Zellen handelt es sich dabei um eine der Grundflächen, bei quaderförmigen Zellen kann es sich auch um eine der Seitenflächen handeln.
Zusätzlich zu der Anordnung von elektrochemischen Zellen ist in dem zuvor beschriebenen Gehäuse eine Temperiervorrichtung angeordnet. Die Temperiervorrichtung steht in der Betriebsstellung in einem wärmeleitenden Kontakt mit zumindest der nahezu planen Seite der Anordnung von elektrochemischen Zellen. Weiterhin kann die Temperiervorrichtung natürlich zusätzlich auch mit den zwischen den Zellen angeordneten wärmeleitenden Materialschichten, beziehungsweise den Wärmeleitpads in Kontakt stehen. In einer alternativen Ausführungsform umgibt die Temperiervorrichtung die Zellen sowohl an der planen Seite der Anordnung als auch teilweise an den hierzu benachbarten Flächen der einzelnen Zellen bzw. der Anordnung.
Die Temperiervorrichtung wird von einem Fluid durchströmt. Zu diesem Zweck weist die Temperiervorrichtung zumindest einen Zufluss und zumindest einen Abfluss auf. Das Fluid fungiert dabei als Wärmeleitmedium. Abhängig vom gewünschten Betriebsfall kann das Wärmeleitmedium hierzu eine Temperatur aufweisen, die höher oder niedriger ist als die Temperatur der elektrochemischen Zellen. Folglich kann die Temperiervorrichtung sowohl dazu genutzt werden Wärme von den Zellen abzuführen, als auch Wärme den Zellen zuzuführen, beispielsweise wenn deren Temperatur unter der optimalen Betriebstemperatur liegt.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Montagesstellung verwendet, um einen Zustand zu beschreiben, der von einer Betriebsstellung, in der die Temperiervorrichtung mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen in Kontakt steht, abweicht und sowohl die Montage-, als auch die Demontage, sowie eine ggf. teilweise Demontage zu Wartungszwecken ermöglicht.
In einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie weist das Gehäuse eine Öffnung auf, in die die Temperiervorrichtung ähnlich einer Schublade zur Montage verschoben werden kann. Dazu kann die Temperiervorrichtung selbst seitliche Führungsbahnen aufweisen, die mit im Gehäuse angeordneten Schienen korrespondieren. Alternativ kann die Temperiervorrichtung auch in einem separaten Teil des Gehäuses angeordnet und gelagert sein, der derartige Schienen aufweist.
Um die Temperiervorrichtung in wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen zu bringen, können die Führungsbahnen derart gestaltet sein, dass der Temperiervorrichtung bei der Montage zusätzlich zur Schubrichtung eine weitgehend senkrecht dazu orientierte, und damit in Richtung der Anordnung von elektrochemischen Zellen gerichtete Bewegung aufgeprägt wird. Hierzu weisen die Führungsbahnen im Bereich der Position der Betriebsstellung der Temperiervorrichtung beispielsweise einen kurvenförmigen und/oder stufenförmigen Verlauf auf. Zusätzlich kann die Führungsbahn dergestalt ausgeführt sein, dass die Temperiervorrichtung in der Betriebsstellung verrastet.
Eine alternative Variante zur Herstellung des wärmeleitenden Kontakts zwischen der Temperiervorrichtung und der Anordnung von elektrochemischen Zellen sieht vor, dass die Temperiervorrichtung über im Gehäuse befindliche Spannschrauben zum Erreichen der Betriebsstellung gegen die Anordnung gepresst wird.
In einer alternativen Variante ist die Temperiervorrichtung aus einem starren Grundkörper und zumindest an den zur Temperierung einer Anordnung von elektrochemischen Zellen vorgesehenen Bereichen aus einem flexiblen, folienartigen Material gebildet.
Sobald die Temperiervorrichtung vom Fluid durchströmt wird, baut sich in dieser ein Innendruck Δp auf, der die Bereiche aus einem flexiblen, folienartigen Material expandiert und in Richtung der elektrochemischen Zellen drückt und derart die Temperiervorrichtung in einen wärmeleitenden Kontakt mit den Zellen bringt und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zusätzlich die Temperiervorrichtung im Gehäuse fixiert. Eine alternative oder aber weitere Fixierung des Grundkörpers am Gehäuse kann durch gängige Vorrichtungen, wie Schrauben, Rastelemente, ..., erreicht werden.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass alternative Varianten existieren, die den erfindungsgemäßen Gedanken realisieren können, die Temperiervorrichtung in Form einer Schublade in das Gehäuse einzuführen und gleichzeitig beziehungsweise in einem Folgeschritt in wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen zu bringen.
Um in der Montagestellung, insbesondere wenn die Temperiervorrichtung vollständig aus dem Gehäuse entfernt wurde, zu gewährleisten, dass die im Gehäuse befindliche Anordnung von elektrochemischen Zellen nicht zugänglich ist, ist in einer einfachsten Ausführungsform der Erfindung die Öffnung zur Aufnahme der Temperiervorrichtung schlitzförmig gestaltet, wobei die Breite des Schlitzes derart gering ist, dass beispielsweise das Eindringen durch das mit der Montage beauftragte Personal in das Gehäuse, insbesondere mit einem Finger, nicht möglich ist. Ergänzend ist der Abstand der Zellen von der Oberkante des Schlitzes möglichst groß gewählt. Die Temperiervorrichtung ist bei dieser Ausführungsform beispielsweise als dünnes plattenförmiges Element gestaltet, die nach dem Einschieben in das Gehäuse über entsprechend dimensionierte Spannschrauben gegen die elektrochemischen Zellen verspannt werden kann oder aber die Temperiervorrichtung besteht aus einer mattenförmigen beutelartigen Struktur aus einem folienartigen Material. Die Temperiervorrichtung ohne Fluidfüllung kann durch den Schlitz in das Gehäuse eingeführt und im Anschluss mit dem Fluid gefüllt werden, um im expandierten Zustand in der Betriebsstellung in einen wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen zu kommen.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Schublade zur Aufnahme der Temperiervorrichtung ausgeführt und zur einfachen Montage bzw. Demontage der Temperiervorrichtung zwar prinzipiell aus- und einschiebbar durch die Öffnung im Gehäuse gestaltet, eine vollständige Entnahme der Temperiervorrichtung ist ohne zusätzliche Hilfswerkzeuge aber nicht möglich und eine Berührung der elektrochemischen Zellen bei der Montage der Temperiervorrichtung kann in der Folge ausgeschlossen werden, da die im Gehäuse verbleibenden Teile der Schublade die Öffnung weitgehend abdecken. In einer Weiterführung kann die Schublade mit einer Vorrichtung ausgestaltet sein, die verhindert, dass die Schublade nach Entnahme der Temperiervorrichtung in das Gehäuse eingeschoben werden kann.
Alternativ kann am Gehäuse des Energiespeichers auch ein zusätzliches Schutzelement angeordnet sein, dass beispielsweise federvorgespannt und benachbart zur Öffnung vorliegt und in der Montagestellung, zum Beispiel nach Entnahme der Schublade bzw. der Temperiervorrichtung, die Öffnung verschließt und damit den Zugang zu den im Gehäuse befindlichen elektrochemischen Zellen verhindert.
In einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie weist diese ein Gehäuse auf, das aus zumindest einem ersten und einem zweiten Teil besteht. Der erste und der zweite Teil des Gehäuses sind über ein Scharnier miteinander verbunden. Dabei ist im ersten Teil des Gehäuses eine Anordnung von elektrochemischen Zellen angeordnet und der zweite Teil weist die Temperiervorrichtung auf und ist über des Scharnier relativ zum ersten Teil verschwenkbar. Um die beim Verschwenken in die Montagestellung im ersten Teil des Gehäuses entstehende Öffnung abzudecken, ist im ersten Teil in einer ersten Variante ein Schutzelement angeordnet, beispielsweise in Form eines federvorgespannten Rollos mit einer aufgewickelten Folienbahn, dass beim Verschwenken des zweiten Teils des Gehäuses von einer Ruheposition in eine Schutzposition verfährt in der die Folienbahn den ersten Teil des Gehäuses verschließt.
Alternativ kann des Schutzelement aber auch permanent am ersten Teil des Gehäuses angeordnet sein. Zu diesem Zweck besteht das Schutzelement vorzugsweise aus einem elektrisch Isolierenden, flexiblen, wärmeleitenden, vorzugsweise kompressiblen und/oder elastischen Material, beispielsweise aus einer Kunststofffolie aus Silikon oder Polyimid.
Das Schutzelement verschließt dabei die Öffnung sowohl in der Betriebsstellung, als auch in der Montagestellung, so dass auch beim Verschwenken des zweiten Teils des Gehäuses die Anordnung von elektrochemischen Zellen nicht von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist.
Neben einem Verschwenken lässt die zuletzt genannte Variante eines Schutzelements auch jedwede anderweitige Befestigung des zweiten Teils des Gehäuses am ersten Teil des Gehäuses zu, beispielsweise ein Verschrauben, Verrasten oder Verspannen.
In einer besonderen Ausführungsform weist das Gehäuse zusätzlich ein Element auf, das zur Überwachung des Kontakts zwischen der Temperiervorrichtung und der Anordnung von elektrochemischen Zellen in der Betriebsstellung geeignet ist. Insbesondere kann dieses Element dahingehend genutzt werden, um eine korrekte Montage der einzelnen Teile des Gehäuses zueinander zu überwachen. In einer einfachsten Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Element um eine mechanische Vorrichtung, die eine korrekte Montage beziehungsweise eine korrekte Betriebsstellung der Temperiervorrichtung an der Außenseite des Gehäuses über einen geeigneten Farbcode darstellt. Alternativ könnte es sich bei dem Element auch um eine elektronische Schaltung oder ein geeignetes Sensorelement handeln und ein entsprechendes Signal kann beispielsweise zur permanenten Überwachung des Kontakts über ein Steuergerät und eine Auswerteeinheit zu Diagnosezwecken bereitgehalten werden.
Bevorzugt weist das Schutzelement ein Material auf, das dem Material der zwischen den Zellen angeordneten Wärmeleitpads und/oder der Temperiervorrichtung entspricht, oder zumindest ein identisches Material der Kunststoffmatrix aufweist. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die stoffliche Wiederverwertung des elektrochemischen Energiespeichers vereinfacht wird.
Es ist letztendlich erfindungsgemäß auch möglich, dass mehrere in einem Gehäuse befindliche Anordnungen von elektrochemischen Zellen jeweils mit einer eigenen Temperiervorrichtung nach einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten versehen werden können oder aber dass eine Anordnung von elektrochemischen Zellen in einem Gehäuse, bei geeigneter, beispielsweise quaderförmiger Geometrie mit mehreren Temperiervorrichtungen nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsvarianten versehen werden kann.
Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung besteht dabei aus einem Grundkörper aus einem starren Material, beispielsweise hergestellt mit einem Spritzgießverfahren. Zusätzlich ist die Temperiervorrichtung zumindest an den korrespondierend zu einer nahezu plan ausgestalteten Seite einer Anordnung von elektrochemischen Zellen ausgebildeten Bereichen aus einem flexiblen, folienartigen Material gebildet.
Der Grundkörper kann dabei vorzugsweise als Teil des Gehäuses eines elektrochemischen Energiespeichers ausgebildet sein, beispielsweise als Schublade, die in einem weiteren Gehäuseteil eingeschoben werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der Grundkörper dabei zumindest einen Zufluss und zumindest einen Abfluss. Wenn mehrere Fluidkreisläufe in der Temperiervorrichtung ausgebildet werden sollen, sind folglich auch mehrere Zuläufe und Abläufe vorzusehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist der Grundkörper so gestaltet, dass dieser Strömungskanäle zur gezielten Führung des Fluids relativ zur Anordnung von elektrochemischen Zellen definiert, wobei die Strömungskanäle zumindest an den zur Temperierung einer Anordnung von elektrochemischen Zellen vorgesehenen Bereichen von einem flexiblen, folienartigen Material verschlossen werden.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Temperiervorrichtung eine von einem Fluid durchströmte beutelartige Struktur aus dem flexiblen, folienartigen Material auf, die den Grundkörper umschließt und/oder in diesem angeordnet ist.
Die Verbindung des folienartigen Materials untereinander und/oder mit dem Grundkörper kann dabei stoffschlüssig über ein Folienschweißverfahren, beispielsweise ein Laserschweißen oder ein Spiegelschweißen, hergestellt werden. Alternative Verbindungstechniken, wie beispielsweise ein Verkleben sind ebenfalls denkbar.
Die Temperiervorrichtung kann dabei in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, dass zwei aus folienartigen Material bestehende Flächenelemente, die zwischen sich einen Raum zur Aufnahme bzw. Führung des Fluids bilden, miteinander zu einer beutelartigen Struktur dicht verbunden werden, wobei wenigstens ein Zufluss und wenigstens ein Abfluss für das Fluid vorgesehen werden.
Das folienartige Material besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Kunststoff. Insbesondere sind auch Laminate aus Kunststoff- und/oder Metallfolien, oder mit Partikeln versehene Kunststofffolien denkbar. Geeignete Kunststoffe sind dabei beispielsweise unter anderem Gummi, Silikon, Polyamide, Polyamide, Polyphenylsulfide oder PTFE. Zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des folienartigen Materials kann diese in einer Kunststoffmatrix beispielsweise Partikel aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder anderen graphitähnlichen Materialien, Diamant, Kupfer, Bornitrid, Aluminium oder Aluminiumnitrid enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das folienartige Material dem Material der zwischen den Zellen angeordneten Wärmeleitpads und/oder dem Material des Schutzelements oder weist zumindest ein identisches Material der Kunststoffmatrix auf.
Vorzugsweise ist das folienartige Material daher als elektrisch isolierende, jedoch Wärme leitende Schicht ausgebildet.
Die Dicke der Flächenelemente aus dem folienartigen Material kann bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 mm betragen. Dabei können die Flächenelemente das folienartige Material ein- oder mehrlagig aufweisen. Bei einem mehrlagigen Aufbau kann ein Flächenelement bevorzugt auch Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, insofern dies aus funktionalen Gründen (wie zum Beispiel zum Zweck der elektromagnetischen Abschirmung) erforderlich sein sollte.
Die beutelartige Struktur kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante mit Nähten versehen werden, die den umschlossenen Hohlraum dergestalt unterteilen, dass Strömungskanäle zur gezielten Führung des Fluids ausgebildet werden.
Zum zusätzlichen Toleranzausgleich kann die Temperiervorrichtung auf dem Grundkörper und/oder dem flexiblen, folienartigen Material bereichsweise zusätzlich mit einer Schicht aus kompressiblem, flexiblem, vorzugsweise elastischem Wärmeleitmaterial versehen werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Temperiervorrichtung so gestaltet, dass in der Betriebsstellung die Anordnung und/oder einzelne elektrochemische Zellen der Anordnung in den zur planen Seite benachbarten Obeflächenbereichen von der Temperiervorrichtung zumindest teilweise umgeben werden. Hierdurch kann die Wärmeaustauschfläche vergrößert werden und die Temperiervorrichtung kann gleichzeitig genutzt werden, um die Zellen der Anordnung an dem umschlossenen Ende zu stabilisieren beziehungsweise zu fixieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie 1 bei der in ein Gehäuse 10 eine Temperiervorrichtung 30 eingeschoben werden kann.
2a zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie 1 in einer Montagestellung.
2b zeigt eine weitere schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Montagestellung zu einem anderen Zeitpunkt der Montage.
2c zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Betriebsstellung.
3a zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Betriebsstellung.
3b zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Montagestellung.
3c zeigt eine weitere schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Montagestellung zu einem anderen Zeitpunkt der Montage.
4a zeigt eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Betriebsstellung.
4b zeigt eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Traktionsbatterie 1 in einer Montagestellung.
5a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Temperiervorrichtung 30.
5b zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Temperiervorrichtung 30.
5c zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Temperiervorrichtung 30.
5d zeigt in einer Draufsicht eine Temperiervorrichtung 30 gemäß der dritten Ausführungsform der Temperiervorrichtung mit innerhalb der Temperiervorrichtung 30 ausgebildeten Strömungskanälen 313.
5e zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Temperiervorrichtung 30.
5f zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Temperiervorrichtung 30.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend rein beispielhaft anhand der vorliegenden Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie 1 mit einem Gehäuse 10 aus einem Kunststoff, das eine Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 und eine Temperiervorrichtung 30 umgibt. Das Gehäuse weist eine Öffnung 11 auf, durch die die Temperiervorrichtung 30 über ein Schienensystem in das Gehäuse eingeführt bzw. aus dem Gehäuse entnommen werden kann.
Die Öffnung 11 ist in dieser Ausführungsform schlitzförmig und so dimensioniert, dass das Eindringen von Körperteilen und somit ein direkter Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen vermieden werden kann. Aus diesem Grund ist die Temperiervorrichtung ebenfalls als dünnes plattenförmiges Element gestaltet. Die Dicke der Temperiervorrichtung beträgt maximal 1 cm.
Das Schienensystem besteht in 1 aus einer Führungsbahn 150, die mit dem Gehäuse 10 verbunden oder integral mit dem Gehäuse 10 ausgeführt ist und einer mit dieser korrespondierenden Führungsbahn 350, die an der Temperiervorrichtung angeordnet ist. Die Führungsbahn ist geometrisch derart gestaltet, dass die Temperiervorrichtung in der Betriebsstellung in wärmeleitendem Kontakt mit einer im Wesentlichen planen Seite der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 steht. Zur Überwachung der Korrekten Position der Temperiervorrichtung 30 relativ zur Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 in der Betriebsstellung ist im Gehäuse 10 ein Element 180 vorgesehen. Das Element 180 könnte beispielsweise ein Sensor oder eine mechanische Vorrichtung sein, die in Form eines verschiebbaren Stifts das Gehäuse 10 durchdringt, wenn die Temperiervorrichtung relativ zur Anordnung von elektrochemischen Zellen eine gewünschte Position eingenommen hat. Zur besseren Visualisierung kann der das Gehäuse 10 durchdringende Teil des Elements 180 eine deutlich von der Farbgebung des Gehäuse abweichende Farbe aufweisen.
In den 2a–c ist eine erste alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie 1 dargestellt. Das Gehäuse 10 besteht in dieser Ausführungsform aus einem ersten Teil 120 und einem zweiten Teil 130. Im ersten Teil 120 des Gehäuses 10 ist die Anordnung aus elektrochemischen Zellen 20 fest montiert. Der zweite Teil 130 des Gehäuses 10 kann in den ersten Teil 120 durch eine Öffnung 11 in Form einer Schublade eingeschoben bzw. aus dem ersten Teil 120 herausgezogen werden. 2a zeigt eine schematische Ansicht, in der der zweite Teil 130 teilweise in den ersten Teil 120 eingeschoben wurde. Im zweiten Teil befindet sich die Temperiervorrichtung 30. Diese ist zumindest in der Betriebsstellung (2c) fluiddurchströmt und weist hierzu einen Zufluss 310 und einen Abfluss 311 auf. Zusätzlich ist in dem Gehäuse 10 ein Schutzelement 110 angeordnet. Des Schutzelement 110 ist in Form einer federvorgespannten Klappe so gestaltet, dass es bei einer (nicht dargestellten) vollständigen Demontage der Temperiervorrichtung 30 die Öffnung 11 vollständig verschließt.
Die 2b zeigt wiederum eine Zwischenstellung der Montage der Temperiervorrichtung 30, wobei diese nun vollständig in des Gehäuse 10 bzw. der zweite Teil des Gehäuses 130 vollständig in den ersten Teil des Gehäuses 120 eingeschoben wurde. In dieser Zwischenstellung ist die Temperiervorrichtung 30 noch nicht in wärmeleitendem Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20.
Um diesen Kontakt herzustellen wird die Temperiervorrichtung in einem zweiten Montageschritt in Richtung zur Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 verschoben und in der Endstellung fixiert, beispielsweise durch geeignete, (nicht dargestellte) Spannschrauben, die im ersten Teil des Gehäuses 120 unterhalb des Aufnahmebereichs für den zweiten Teil des Gehäuses und damit unter der Temperiervorrichtung, angeordnet sind. Hierdurch kann ein wärmeleitender Kontakt zwischen der Temperiervorrichtung 30 und der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 her- beziehungsweise in der Betriebsstellung (2c) sichergestellt werden.
Die 3a–c zeigen eine zweite alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie 1. Des Gehäuse 10 besteht wiederum aus einem ersten Teil 120 und einem zweiten Teil 130. Der erste Teil 120 weist die Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 auf. Im zweiten Teil 130 ist die Temperiervorrichtung 30 angeordnet. 3a zeigt die Betriebsstellung in der die Temperiervorrichtung 30 in wärmeleitendem Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 steht. Der erste Teil 120 und der zweite Teil 130 des Gehäuses 10 sind über ein Scharnier 123 miteinander derart verbunden, dass der zweite Teil 130 relativ zum ersten Teil 120 unter Bildung einer Öffnung 11 in eine Position verschwenkt werden kann, in der die Temperiervorrichtung 30 nicht mehr in wärmeleitendem Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 steht (3b) und zur Demontage aus dem zweiten Teil 130 vollständig entnommen werden kann (3c).
Die Öffnung 11 kann beispielsweise durch ein im ersten Teil 120 des Gehäuses angeordnetes (nicht dargestelltes) Schutzelement 110, beispielsweise einem Rollo, verschlossen werden, das in der Betriebsstellung in einem vorgespannten Zustand vorliegt und beim Verschwenken der beiden Teile 120, 130 des Gehäuses zueinander parallel zu der entstehenden Öffnung 11 verfährt und diese verschließt.
Die 4a–b zeigen eine dritte alternative Ausführungsvariante der Erfindung in der das Schutzelement 110 fest im ersten Teil des Gehäuses 120 montiert ist. Das Schutzelement 110 liegt permanent in einem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen und das Material des Schutzelements weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf und wirkt gleichzeitig elektrisch isolierend. Um die bei der Erwärmung der elektrochemischen Zellen auftretenden Längenänderungen ausgleichen zu können weist das Material zusätzlich ein geeignetes reversibles Kompressionsvermögen auf.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung liegt das Schutzelement 110 beabstandet zu der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 vor und wird bei der Montage des zweiten Teils 130 des Gehäuses 10 von der Temperiervorrichtung 30 gegen die plane Seite der elektrochemischen Zellen 20 gepresst. Hierzu weist das Material aus dem das Schutzelement gebildet wird die notwendige Elastizität auf.
In der Betriebsstellung ist der zweite Teil des Gehäuses 130 mit dem ersten Teil 120 verbunden und die Temperiervorrichtung liegt in direktem wärmeleitenden Kontakt mit dem Schutzelement 110 und damit in indirektem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 vor, so dass diese über die Temperiervorrichtung 30 gekühlt oder aber erwärmt werden können (4a). In der Montagestellung ist der zweite Teil des Gehäuses 130 im Wesentlichen vom ersten Teil 120, insbesondere von den elektrochemischen Zellen 20 gelöst, wobei das elektrisch isolierende Schutzelement 110 die Öffnung 11 verschließt und ein Kontakt durch das Montagepersonal mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 kann ausgeschlossen werden.
5a zeigt eine erste Ausführungsvariante für eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 30 zur Anordnung in oder an einer Traktionsbatterie 1. Die Temperiervorrichtung besteht aus einem Grundkörper 31 aus einem starren Material. Der Grundkörper 31 weist einen Zufluss 310 und einen Abfluss 311 auf. Auf der der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 zugewandten Seite, weist der Grundkörper eine großflächige Aussparung auf, die mit einem flexiblen, folienartigen Material 33 verschlossen ist und derart mit dem Grundkörper 31 einen mit einem Fluid durchströmbaren Hohlraum bildet.
5b zeigt eine zweite Ausführungsvariante der Temperiervorrichtung 30 bei der das flexible, folienartige Material lediglich bereichsweise am Grundkörper angeordnet ist. Beispielsweise könnte es sich bei der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 um mehrere voneinander beabstandete Zellen, beispielsweise mit einer kreisförmigen Grundfläche handeln. Entsprechend ist der Grundkörper 31 mit mehreren kreisförmigen Aussparungen versehen die mit dem flexiblen, folienartigen Material 33 verschlossen werden. Wenn die Temperiervorrichtung im Betrieb von einem Fluid durchströmt wird, expandieren die Bereiche in denen das flexible, folienartige Material angeordnet ist. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um die Temperiervorrichtung relativ zu einem anderen Bauteil 20, 130, 120, 110 zu verspannen und zu fixieren, oder aber um einen gut wärmeleitenden Kontakt mit einer benachbart angeordneten Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 herzustellen.
5c zeigt eine dritte alternative Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 30. Der Grundkörper 31 ist dabei in Form eines offenen Kastens gestaltet. Im Grundkörper 31 ist eine beutelartige Struktur aus dem flexiblen, folienartigen Material 33 angeordnet. Ein Zufluss 310 und ein Abfluss 311 sind an dem Grundkörper 31 und/oder der beutelförmigen Struktur angeordnet. Durch den vom Fluid aufgeprägten Innendruck Δp liegt der Beutel in einem expandierten Zustand, mit den zuvor bereits beschriebenen Vorteilen, vor. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist die einfache Herstellung einer derart gestalteten Temperiervorrichtung 30.
5d zeigt eine Draufsicht auf die zuvor beschriebene in dem Grundkörper 31 angeordnete beutelartige Struktur aus dem flexiblen, folienartigen Material 33 in der durch entsprechend gestaltete Schweißnähte ein mäanderförmiger Strömungskanal 313 ausgebildet wurde, der von einem Zufluss 310 zu einem Abfluss 311 verläuft.
5e ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 30 in der der Grundkörper 31 zumindest teilweise von der beutelartigen Struktur aus dem flexiblen, folienartigen Material 33 umgeben ist. Dabei definiert der Grundkörper im Innern der beutelartigen Struktur Strömungskanäle 313 für das Fluid. Ergänzend kann der Teil des Grundkörpers, welcher von der beutelartigen Struktur umgeben ist (beispielsweise auch die Strömungskanäle) derart gestaltet sein, dass auf die beutelartige Struktur von außen aufgeprägte Kräfte aufgenommen werden können. So kann eine Beschädigung der beutelartigen Struktur durch derartige Kräfte vermieden werden.
5f zeigt weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung. Die Temperiervorrichtung ist dabei derart gestaltet, dass diese zumindest in der Betriebsstellung an den zur Temperierung der Anordnung von elektrochemischen Zellen 20 vorgesehenen Bereichen derart geometrisch geformt ist, dass die Anordnung und/oder ein oder mehrere einzelne elektrochemische Zellen der Anordnung von der Temperiervorrichtung 30 zumindest teilweise umgeben werden. Hierzu kann sowohl der Grundkörper 31 entsprechende Aufnahmebereiche aufweisen und/oder das flexible, folienartige Material 33 kann entsprechend geometrisch gestaltet sein. Auf dem Grundkörper 31 und/oder dem flexiblen, folienartigen Material kann bereichsweise als Toleranzausgleich ein zusätzliches kompressibles, flexibles, vorzugsweise elastisches Wärmeleitmaterial 34 angeordnet sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass Abwandlungen bspw. hinsichtlich der offenbarten Materialien und Formen, oder Änderungen, z. B. durch Weglassen einzelner Merkmale oder andersartige Kombinationen der dargelegten Merkmale möglich sind, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/069713 A1 [0005]
FR 2782399 A1 [0006]

Claims

Traktionsbatterie (1), insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, bestehend aus einem Gehäuse (10), sowie zumindest einer im Gehäuse (10) befindlichen Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) und zumindest einer von einem Fluid durchströmbaren Temperiervorrichtung (30) dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (30) von einer Betriebsstellung, in der diese zumindest bereichsweise in einem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) steht, in eine Montagesstellung überführt werden kann, in der die Temperiervorrichtung (30) nicht in einem wärmeleitenden Kontakt mit der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) steht und durch eine Öffnung (11) und/oder unter Bildung einer Öffnung (11) aus dem Gehäuse (10) entnommen oder in das Gehäuse (10) eingeführt werden kann, und umgekehrt, wobei die Öffnung (11) derart gestaltet ist, dass in der Montagestellung die Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) nicht von außerhalb des Gehäuses (10) zugänglich ist.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) mehrteilig ausgestaltet ist und einen ersten Teil (120) umfasst, in dem sich zumindest eine Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) befindet, sowie zumindest einen zweiten Teil (130), in dem eine Temperiervorrichtung (30) angeordnet ist, wobei der zweite Teil (130) relativ zum ersten Teil (120) von einer Montagestellung in eine Betriebsstellung überführt werden kann und umgekehrt.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (130) des Gehäuses in Form einer Schublade im ersten Teil (120) angeordnet ist.
Traktionsbatterie (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (130) des Gehäuses über ein Scharnier (123) schwenkbar am ersten Teil (120) des Gehäuses angeordnet ist.
Traktionsbatterie (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) ein Schutzelement (110) aufweist, das in der Montagestellung die Öffnung (11) im Gehäuse (10) verschließt.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (110) am Gehäuse (10) ausziehbar und/oder klappbar ausgestaltet ist.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (110) aus einem flexiblen, wärmeleitenden, vorzugsweise kompressiblen und/oder elastischen Material besteht und im ersten Teil des Gehäuses (120) angeordnet ist.
Traktionsbatterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (110) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Traktionsbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (30) in der Betriebsstellung relativ zu der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) lösbar fixiert werden kann, beispielsweise verschraubt, verklemmt, verspannt, verrastet oder verklettet.
Temperiervorrichtung (30) zur Anordnung in oder an einer Traktionsbatterie (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (30) aus einem starren Grundkörper (31) und zumindest an den korrespondierend zu einer nahezu plan ausgestalteten Seite einer Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) ausgebildeten Bereichen aus einem flexiblen, folienartigen Material (33) gebildet ist.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (31) als Teil eines Gehäuses (130) eines elektrochemischen Akkumulators ausgebildet ist.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige Material (33) und der Grundkörper (31) zumindest bereichsweise stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (31) zumindest ein Zufluss (310) und zumindest ein Abfluss (311) für ein Fluid ausgebildet sind.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (31) Strömungskanäle (313) zur gezielten Führung des Fluids angeordnet sind.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige Material (33) als beutelartige Struktur (32) ausgebildet ist, die den Grundkörper umschließt und/oder in diesem angeordnet ist.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des folienartigen Materials (33) kleiner oder gleich 0,5 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 mm beträgt.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern der Struktur (32) zur gezielten Führung des Fluids Strömungskanäle (313) ausgebildet bzw. angeordnet sind.
Temperiervorrichtung (30) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Grundkörper (31) und/oder dem folienartigen Material (33) zumindest bereichsweise ein kompressibles, flexibles, vorzugsweise elastisches, Wärmeleitmaterial (34) angeordnet ist.
Temperiervorrichtung (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (30) zumindest in der Betriebsstellung an den zur Temperierung der Anordnung von elektrochemischen Zellen (20) vorgesehenen Bereichen derart geometrisch geformt ist, dass die Anordnung und/oder ein oder mehrere einzelne elektrochemische Zellen der Anordnung von der Temperiervorrichtung (30) zumindest teilweise umgeben werden.