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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Energiespeichermodul ein Zellmodul und eine Halteplatte aufweist, wobei das Zellmodul aus einer Anzahl von Einzelzellen aufgebaut ist, und wobei die Halteplatte zum Halten und/oder Befestigen des Zellmoduls ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Energiespeichermoduls.
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In Fahrzeugen mit alternativen Antriebskonzepten, insbesondere in elektrisch betriebenen Fahrzeugen und in Fahrzeugen mit Hybridantrieb, stellen Batterien, die vorzugsweise als Hochvoltspeicher ausgeführt sind, eine wichtige Komponente zum Speichern und bedarfsgerechten Bereitstellen elektrischer Energie dar. Diese Batterien sind üblicherweise als wiederaufladbare Energiespeicher, sogenannte Akkumulatoren ausgeführt. Diese Batterien bzw. Akkumulatoren bestehen in der Regel aus einer Anzahl von Energiespeichermodulen, von denen jedes ein Zellmodul aufweist, das wiederum eine Anzahl von Einzelzellen, sogenannte Speicherzellen, enthält. Insgesamt sind die Batterien somit aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut.
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Zwar konnte in den letzten Jahrzehnten durch intensive Weiterentwicklungen eine erhebliche Steigerung der Speicherkapazitäten und insbesondere der Energiedichten der Akkumulatoren erzielt werden. Dennoch liegen die aktuellen Reichweiten entsprechender Fahrzeuge noch deutlich hinter den Reichweiten von Fahrzeugen auf Basis eines Verbrennungsmotors zurück.
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Zusätzlich zu der vergleichsweise geringen Energiedichte hängt die Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren erheblich von einer Betriebstemperatur der Akkumulatoren ab. Diese wird sowohl durch eine externe Wärmezufuhr bzw. -abfuhr aufgrund einer äußeren Umgebungstemperatur als auch durch eine Eigenerwärmung der Akkumulatoren während eines Betriebs beeinflusst. Im Betrieb der Akkumulatoren entsteht aufgrund des während der Entlade- und/oder Ladevorgänge fließenden Stroms und der Innenwiderstände der einzelnen Speicherzellen eine Verlustwärme in den Speicherzellen, wodurch hohe Temperaturen in den Akkumulatoren entstehen. Zur Vermeidung einer Schädigung des Akkumulators bzw. der Batterie durch Überhitzung sowie zur Erzielung einer ausreichenden Lebensdauer sollte die Verlustwärme abgeführt werden. Üblicherweise werden hierzu die Batterien mit Luft, Kühlmittel oder Kältemittel gekühlt.
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Insbesondere sehr hohe und sehr niedrige Betriebstemperaturen stellen eine besondere Herausforderung dar und beeinflussen die Leistungsfähigkeit sowie eine Langlebigkeit der Akkumulatoren signifikant. In diesen Fällen ist die Leistungsabgabe der Akkumulatoren gegenüber einer Leistungsabgabe bei optimaler Betriebstemperatur erheblich reduziert. Ein optimaler Temperaturbereich für den Betrieb der Akkumulatoren liegt nach heutigen Erkenntnissen zwischen ca. 15°C und 35°C vor. Aufgrund der beschriebenen reduzierten Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren sinkt bei entsprechender Temperatur infolgedessen die Reichweite des entsprechenden Fahrzeugs zusätzlich ab.
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Doch nicht nur auf die Leistungsabgabe, auch auf die Leistungsaufnahme der Akkumulatoren haben insbesondere sehr kalte Umgebungstemperaturen einen negativen Einfluss. So erhöht sich in diesem Fall der Innenwiderstand der Akkumulatoren bzw. der Speicherzellen, so dass diese in gleicher Zeit schlechter geladen bzw. entladen werden können. Des Weiteren sind weitere temperaturabhängige Phänomene bekannt, wie beispielsweise eine temperaturabhängige Selbstentladung der Akkumulatoren, welche die Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren weiter reduzieren.
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Es sind daher aus dem Stand der Technik Systeme zum Beheizen oder Kühlen einer Fahrzeugbatterie bekannt, um für die Akkumulatoren eine optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten. Diese Systeme werden jedoch üblicherweise als Montagelösungen ausgeführt, die einen komplexen Aufbau und einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und mit den Akkumulatoren über zusätzliche Verbindungselemente verbunden sind.
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Die
WO 97/16050 beschreibt eine Heizvorrichtung zum Übertragen von thermischer Energie auf mindestens eine Fahrzeugbatterie, mit einer Batterie-Stützplatte zum Stützen der Batterie, einem beheizbaren Fluid-Rohr, weiches unter der Batterie-Stützplatte angeordnet ist, um thermische Energie aus einem Fluid auf die Batterie zu übertragen. Das beheizbare Fluid-Rohr ist hierzu mit einem kontinuierlich verteilten und thermisch leitfähigen Klebematerial an der Batterie-Stützplatte befestigt.
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Dies bedeutet, dass die Stützplatte derart stabil ausgebildet sein muss, dass diese die Batterie stützen bzw. tragen kann. Folglich muss die Stützplatte bereits eine ausreichende Dicke aufweisen. Außerdem wird durch die auf der Stützplatte aufgebrachte Rohrleitung eine Bauhöhe der gesamten Heizvorrichtung zusätzlich erhöht, so dass ein großer Bauraum unterhalb der Batterie für die gesamte Heizvorrichtung beansprucht wird. Dies stellt jedoch insbesondere bei einer Integration in ein Fahrzeug erhebliche Schwierigkeiten dar, da in diesem Anwendungsgebiet üblicherweise erhebliche Anstrengungen unternommen werden müssen, um Bauhöhen zu reduzieren und wenige Millimeter an Bauhöhe zu gewinnen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein entsprechender Antrieb und die zugehörigen Akkumulatoren in Fahrzeuge integriert werden sollen, die ursprünglich für einen Antrieb mit einem Verbrennungsantrieb konzipiert wurden und daher vorgegebene Bauräume eingehalten werden müssen.
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Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Kühlen von Akkumulatoren bekannt. Auf diese Weise können sowohl unvorteilhaft hohe Umgebungstemperaturen als auch eine Temperaturerhöhung des Akkumulators durch eine Selbsterwärmung während des Betriebs reduziert werden.
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Beispielsweise ist aus der
FR 95 14161 ein Akkumulator bekannt, dessen Einzelzellen mittels fluiddurchströmter Seitenwände gekühlt werden. Die Seitenwände sind mehrteilig ausgeführt und seitlich auf die Einzelzellen aufgebracht, so dass sich hierdurch für jede Einzelzelle ein erforderlicher Bauraum in seitlicher Richtung erhöht. Dieser zusätzliche Bauraumbedarf summiert sich je nach Anzahl der in dem jeweiligen Akkumulator verbauten Einzelzellen, so dass für den gesamten Akkumulator ein erheblicher Mehrbedarf an zusätzlichem Bauraum besteht. Auch stellen eine Abdichtung aufgrund des mehrteiligen Aufbaus sowie eine Zu- und Ausleitung des Kühlmittels aufgrund der einzeln zu versorgenden fluiddurchströmten Seitenwände erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich Montageaufwand, Kosten, Gewicht und einer Abdichtung dar.
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Die
DE 10 2008 014 155 A1 offenbart verschiedene Batteriesysteme, die jeweils aus modularen Batterieeinheiten aufgebaut sind. Die Batterieeinheiten weisen jeweils einen Kühlkörper mit konkaver Oberflächenstruktur und integriertem Kühlkanal auf. In die durch die konkave Oberflächenstruktur ausgebildeten Ausnehmungen sind die Batteriezellen eingefügt, wobei in einer Ausführungsform die Batteriezellen an den Kühlkörper angeklebt sind. Der Kühlkörper hat somit zwei Funktionen: zum einen hat er die Funktion, die Batteriezellen zu kühlen; zum anderen fungiert er als Trägerplatte. Bei dem hier offenbarten Ansatz sind das Batteriesystem bzw. die Batterieeinheiten zwar hinsichtlich des benötigten Bauraums optimiert, jedoch ist der Aufwand in der Fertigung des Kühlkörpers und in der Montage der Batteriezellen an den Kühlkörper sehr hoch, was sich nachteilig auf die Herstellungskosten auswirkt. Darüber hinaus ist bei der vorgeschlagenen Oberflächenstruktur ein erhöhter Einsatz an Klebstoff erforderlich, um einen optimalen Wärmetransport zwischen Batteriezellen und Kühlkörper zu ermöglichen. Jede der Ausnehmungen ist mit Klebstoff zu füllen, weshalb im Vergleich zu einer ebenen Oberfläche insgesamt eine größere Oberfläche mit Klebstoff zu bedecken ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung bereitzustellen, welches einen möglichst einfachen Aufbau zur Erleichterung der Fertigung der einzelnen Komponenten, insbesondere des Kühlkörpers, der Montage und einer Abdichtung aufweist, das zudem einen möglichst geringen benötigten Bauraum aufweist und sich durch einen geringen Übergangswiderstand zwischen dem Kühlkörper und den zu kühlenden Speicherzellen und somit durch einen optimalen Wärmetransport zwischen Speicherzellen und Kühlkörper auszeichnet. Ferner soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Energiespeichermodul der eingangs genannten Art, dessen Halteplatte einen Hauptkörper aufweist, der im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und eine erste im Wesentlichen ebene Oberfläche zum flächigen, wärmeleitenden Verbinden mit dem mindestens einen Zellmodul aufweist, wobei der Hauptkörper mindestens einen integral in dem Hauptkörper ausgebildeten Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid aufweist, und wobei der Hauptkörper mittels einer wärmeleitenden Verklebung wärmeleitend mit dem Zellmodul zum Austausch von thermischer Energie zwischen dem Fluid und dem Zellmodul verbunden ist.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:
- – Bereitstellen des Zellmoduls,
- – Bereitstellen einer Halteplatte, die einen Hauptkörper aufweist, der im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und eine erste im Wesentlichen ebene Oberfläche zum flächigen, wärmeleitenden Verbinden mit dem mindestens einen Zellmodul aufweist, wobei der Hauptkörper mindestens einen integral in dem Hauptkörper ausgebildeten Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid aufweist, und
- – wärmeleitendes Verbinden des Hauptkörpers der Halteplatte mit dem Zellmodul mittels einer wärmeleitenden Verklebung zum Austausch von thermischer Energie zwischen dem Fluid und dem Zellmodul.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul und dem zugehörigen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird zum einen eine vorteilhaft ausgebildete Halteplatte, genauer gesagt eine Halteplatte mit einem vorteilhaft ausgebildeten Hauptkörper verwendet, und zum anderen werden das Zellmodul und die Halteplatte in vorteilhafter Art und Weise miteinander verbunden.
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Dadurch dass der Hauptkörper im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und eine erste im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, lässt sich der Hauptkörper und somit die Halteplatte nicht nur in einfacher Art und Weise fertigen, sondern auch die Montage des Energiespeichermoduls gestaltet sich einfach. Beides führt zu niedrigen Herstellungskosten für das Energiespeichermodul.
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Die plattenförmige Ausbildung des Hauptkörpers mit seiner ersten ebenen Oberfläche ermöglicht ein besonders gutes flächiges Verbinden von Hauptkörper und somit Kühlkörper einerseits und Zellmodul andererseits. Die erste Oberfläche ist diejenige, mit welcher der Hauptkörper mit dem Zellmodul verbunden wird. Üblicherweise weisen die in Fahrzeugen zum Einsatz kommenden Zellmodule eine quaderförmige Form auf, so dass der Hauptkörper mit seiner ersten Oberfläche flächig an einer Seitenwand oder am Boden des Zellmoduls befestigt werden kann. Da das Anbinden des Kühlmediums an die Speicherzellen, insbesondere bei einem flüssigen Kühlmedium ein wesentlicher Faktor dafür ist, wie gut die Verlustwärme aus den Speicherzellen abgeführt werden kann, lässt sich bei dieser Ausgestaltung des Hauptkörpers die Verlustwärme besonders gut abführen. In entsprechender Weise ermöglicht diese Ausgestaltung auch ein optimales Erwärmen der Speicherzellen.
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Der plattenförmige Aufbau des Hauptkörpers mit seiner ebenen Oberfläche hat zudem den Vorteil, dass der Hauptkörper fertigungsbedingt eine geringe Unebenheit und Rauigkeit aufweist. Sollten dennoch bei der Montage von Zellmodul und Hauptkörper Luftspalte zwischen beiden entstehen, die zu einer Erhöhung des thermischen Übergangswiderstands führen würden und somit den Wärmetransport von den Speicherzellen zu dem Hauptkörper und somit Kühlkörper beeinträchtigen würden, so wird durch die wärmeleitende Verklebung sichergestellt, dass diese Luftspalte durch die Verklebung aufgefüllt sind, der thermische Übergangswiderstand somit nicht verschlechtert ist, vielmehr minimiert ist und somit ein optimaler Wärmetransport gewährleistet ist. Vorzugsweise erfolgt die wärmeleitende Verklebung unter Verwendung eines wärmeleitenden Klebers. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Hauptkörper und somit den Kühlkörper direkt mit einem wärmeleitfähigen Klebstoff auf oder am oder unter das Zellmodul und somit die Speicherzellen zu kleben.
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Des Weiteren ist der mindestens eine Fluidkanal in dem Hauptkörper der Halteplatte integriert. Dieser dient zum Durchleiten eines Fluids, so dass die Halteplatte und hierdurch das Zellmodul beheizt oder gekühlt werden können. Die jeweilige Funktion ist von einem Temperaturgradienten zwischen dem Zellmodul und der Halteplatte bzw. dem Fluid abhängig. Die Integration des Fluidkanals in den Hauptkörper ermöglicht den Aufbau eines Energiespeichermoduls, für dessen Montage im Kraftfahrzeug ein geringer Bauraum benötigt wird. Unter einer integralen Ausbildung des mindestens einen Fluidkanals in dem Hauptkörper sind kanalförmige Ausnehmungen in dem Hauptkörper zu verstehen, die derart angeordnet sind, dass ein Fluid durch den Fluidkanal den Hauptkörper hindurch strömen kann.
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Insgesamt ist die Halteplatte zum Halten und/oder Befestigen des Zellmoduls vorgesehen. Dies kann beispielsweise ein Befestigen an einem fahrzeugseitig bereitgestellten Träger umfassen, um das Zellmodul in dem Fahrzeug zu fixieren. Hierzu ist der Hauptkörper mit dem Zellmodul verbunden und stellt somit einerseits die Verbindung zum Halten des Zellmoduls und andererseits eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Hauptkörper bzw. der Halteplatte und dem Zellmodul im verbauten Zustand her.
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Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Hauptkörper mindestens abschnittsweise ein Strangpressprofil mit mindestens einem Hohlraum zum Bereitstellen des mindestens einen Fluidkanals. Auf diese Weise kann beim Pressen des Profils für den Hauptkörper in dessen Inneren der mindestens eine Fluidkanal als Ausnehmung zum Bereitstellen eines hohlen Innenraumes vorgesehen werden. Dieser erstreckt sich vorzugsweise entlang der Pressrichtung des Profilstranges und ist in seiner Umfangsrichtung, d. h. in seinen Seitenbereichen, geschlossen ausgebildet. Der jeweilige geschlossene Fluidkanal ist also lediglich an seinen entgegengesetzten Enden in Pressrichtung geöffnet. Werden mehrere Fluidkanäle in einem Profil vorgesehen, so erstrecken sich diese vorzugsweise parallel zueinander entlang der Pressrichtung bzw. Erstreckungsrichtung des Profils. Gemäß einer Ausgestaltungsform sind die Fluidkanäle in mindestens einer Ebene parallel zu einer Oberfläche angeordnet, mit der die Halteplatte mit dem Zellmodul verbunden wird, um einen möglichst gleichmäßigen und großflächigen Austausch der thermischen Energie zu ermöglichen.
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Vorzugsweise wird der Hauptkörper aus Metall gefertigt. Dies erlaubt einerseits die Herstellung mittels Strangpressen sowie eine entsprechend vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit.
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Ebenfalls vorzugsweise ist der Hauptkörper einstückig, d. h. wie aus einem Guss, ausgebildet, d. h. ohne Hinzufügen von zusätzlichem Material oder anderen Bauteilen. Selbstverständlich sind neben dem beschriebenen Strangpressen ebenso andere Herstellungsverfahren möglich. So kann der Hauptkörper auch mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden und die entsprechenden Fluidkanäle hierbei vorgesehen werden. Ebenso können andere Materialien verwendet werden, die eine ausreichende Stabilität und Tragkraft sowie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit bereitstellen.
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Alternativ zu der Ausführung des Hauptkörpers als Strangpressprofil kann der Hauptkörper und somit der Kühlkörper auch teilumfänglich als Multiporttube oder als Kühlrohr ausgeführt sein oder aus einem Rollbond erzeugt sein.
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Es ist auch möglich, den Hauptkörper aus mehreren Teilkörpern zusammenzusetzen. Mindestens einer der Teilkörper weist jeweils mindestens einen integrierten Fluidkanal auf, der durch eine Ausnehmung in dem jeweiligen Teilkörper gebildet ist und somit bezogen auf eine Erstreckungsrichtung an seinen Seitenbereichen umgreifend von dem Teilkörper eingefasst ist. Der jeweilige geschlossene Fluidkanal weist somit lediglich eine Öffnung an einem ersten Ende und eine Öffnung an einem entgegengesetzten zweiten Ende auf, ist jedoch entlang seines Verlaufs in dem jeweiligen Teilkörper geführt. Somit ist gemäß der obigen Beschreibung wiederum jeder Teilkörper als solcher einstückig mit mindestens einem integrierten Fluidkanal ausgeführt. Beispielsweise können mehrere Teilkörper ebenfalls als Strangpressprofile ausgeführt und nebeneinander angeordnet sowie miteinander verbunden sein. Auf diese Weise können sie ebenfalls einen zusammenhängenden Hauptkörper bilden, in dem die Fluidkanäle integral ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an mindestens einem Ende des Hauptkörpers ein Anschlusselement zum Zu- und/oder Ausleiten des Fluids in den bzw. aus dem mindestens einen Fluidkanal des Hauptkörpers vorgesehen. Über das jeweilige Anschlusselement kann somit das Fluid in den jeweiligen Fluidkanal eingebracht oder aus diesem entnommen werden. Dies bedeutet, dass das Anschlusselement im Bereich eines ersten Endes des jeweiligen Fluidkanals anzuordnen ist. Im Falle des im Wesentlichen plattenförmigen Hauptkörpers, bei dem sich der mindestens eine Fluidkanal in einer Erstreckungsrichtung des plattenförmigen Hauptkörpers erstreckt, ist ein Anschlusselement beispielsweise an einer Stirnseite des Hauptkörpers angeordnet. Ein weiteres Anschlusselement kann darüber hinaus an einer entgegengesetzten Stirnseite zum Entnehmen des Fluids aus dem Fluidkanal angeordnet sein. Lediglich beispielsweise können die Anschlusselemente als Tiefziehteile oder als Gussteile ausgeführt sein. Zusätzlich können Stutzen an den Anschlusselementen für ein einfaches Anschließen von Zuleitungen vorgesehen sein.
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Entsprechend einer anderen Ausführungsform umfasst das Anschlusselement ein Umlenkelement zum Umleiten des Fluids aus einem ersten Fluidkanal in einen zweiten Fluidkanal. Dies bedeutet, dass das Fluid über das entsprechende Anschlusselement aus dem entsprechenden Fluidkanal entnommen werden kann. Anstatt es jedoch auszuleiten und abzuführen, wird es mittels des Umlenkelements in den zweiten Fluidkanal umgeleitet. Dies kann bei Bedarf für eine beliebige Anzahl von Fluidkanälen wiederholt werden, so dass eine Verkettung mehrerer Fluidkanäle erfolgt, die nacheinander von dem Fluid durchströmt werden, bevor dieses an einem letzten Ende ausgeleitet wird.
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Vorzugsweise ist das Anschlusselement auf das mindestens eine Ende des Hauptkörpers aufgesteckt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage des Anschlusselements an dem mindestens einen Ende des Hauptkörpers. Da der Hauptkörper plattenförmig ausgebildet ist, kann das Anschlusselement an der entsprechenden Stirnseite aufgesteckt sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Anschlusselement mittels Verkleben oder Verlöten mit dem Hauptkörper verbunden. Dies bedeutet, dass das Anschlusselement anstelle oder zusätzlich zu dem Aufstecken mittels einer materialschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise dem genannten Verkleben oder Verlöten, mit dem Hauptkörper verbunden werden kann. Gegenüber einem (bloßen) Aufstecken bietet dies die Möglichkeit einer zusätzlichen bzw. zuverlässigeren Abdichtung, so dass im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen dem Anschlusselement und dem Hauptkörper kein Fluid entweichen kann. Die zu verbindenden Bauteile können beispielsweise auf Stoß oder überlappend miteinander in Verbindung gebracht werden.
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Alternativ zu der Verwendung aufsteckbarerer Anschlusselemente kann der Hauptkörper auch mit Rohr- und/oder Schlauchenden versehen sein, über die der Hauptkörper mit einer Kühl- und/oder Beheizungsvorrichtung verbunden sein kann. Über diese Enden können auch die Hauptkörper mehrerer Energiespeichermodule untereinander verbunden sein. Weiter alternativ ist es denkbar, an dem Hauptkörper Anschlussmöglichkeiten vorzusehen, über die der Hauptkörper mit besagter Kühl- und/oder Beheizungsvorrichtung verbunden sein kann oder über die mehrere Hauptkörper in Reihe miteinander verschaltet sein können. Als Verbindungselemente der Hauptkörper untereinander bzw. zu der Kühl- und/oder Beheizungsvorrichtung können Schnellkupplungen, Klemmringverschraubungen, Pressfittings oder Schraubflansche zum Einsatz kommen.
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Vorzugsweise ist die Halteplatte als Bodenplatte zum Befestigen des Zellmoduls an einem Trägersystem ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Halteplatte am Boden des Zellmoduls angeordnet ist, um dieses zu tragen und zu stützen. Somit ist auf lediglich einer der beiden Oberflächen der Halteplatte bzw. des Hauptkörpers ein Zellmodul montiert. Aus diesem Grund ist es auch nur erforderlich, eine erste Oberfläche, auf der das Zellmodul angeordnet ist, derart eben und mit einer entsprechend geringen Unebenheit bzw. Rauigkeit auszuführen, dass ein optimales flächiges, wärmeleitendes Verbinden von Hauptkörper und Zellmodul möglich ist. Die gegenüberliegende zweite Oberfläche des Hauptkörpers muss nicht in dieser Art ausgeführt sein, sie kann durchaus eine größere Unebenheit bzw. Rauigkeit aufweisen. Das Energiespeichermodul ist in dem eingebauten Zustand an einem Trägersystem befestigt, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist. Dabei soll das Energiespeichermodul innerhalb des Trägersystems und somit des Fahrzeugs vorzugsweise so angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen der zweiten Oberfläche des Hauptkörpers und einer Oberfläche, die den für den Einbau der Energiespeichermodule vorgesehenen Bauraum begrenzt, nicht ausreicht, dass auch auf der zweiten Oberfläche ein Zellmodul angeordnet sein kann. Bei der den Bauraum begrenzenden Oberfläche kann es sich um die Oberfläche eines Batteriegehäuses oder um die Oberfläche eines Karosserieteils des Fahrzeugs handeln. Vorzugsweise ist die Halteplatte im eingebauten Zustand im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
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Der Halteplatte kommen folglich zwei wesentliche Aufgaben zu. Diese ist einerseits vorgesehen das Zellmodul zu tragen und an seiner Position innerhalb des Fahrzeuges zu fixieren. Die Halteplatte trägt somit mindestens einen Teil des Gewichts des Zellmoduls, so dass diese entsprechend tragfähig und solide ausgebildet sein muss. Andererseits ist die Halteplatte dazu vorgesehen, einen Austausch von thermischer Energie zwischen dem Fluid, welches durch den Fluidkanal strömt, und dem Zellmodul zu ermöglichen. Dies wird durch die gegebene Struktur mit integrierten Fluidkanälen bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Zellmodul mittels eines Austauschs von thermischer Energie zwischen dem durch den mindestens einen Fluidkanal der Halteplatte strömenden Fluid und dem Zellmodul wahlweise beheizbar oder kühlbar.
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Als Fluid kann grundsätzlich jedes heiz- und/oder kühlbare Fluid eingesetzt werden. Je nach Temperaturgradient zwischen Fluid und Zellmodul erfolgt sodann der Austausch der thermischen Energie über die wärmeleitfähige Halteplatte. Idealerweise wird das Fluid zunächst durch eine separate Kühl- oder Beheizungsvorrichtung geführt, die zusammen mit einem Zu- und/oder Ableitungssystem und der Halteplatte einen Fluidkreislauf bildet, in dem das Fluid zirkulieren kann. Auf diese Weise kann das Fluid entsprechend temperiert und anschließend durch die Halteplatte und von dieser zurück geleitet werden. Als Kühlvorrichtungen können beispielsweise Wärmetauscher oder Luft-Wasserkühler eingesetzt werden. Zum Beheizen des Fluids kann beispielsweise eine Wärmekopplung mit einem Antriebsmotor und/oder einer Leistungselektronik erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als Fluid Wasser eingesetzt. Dieses bietet den Vorteil, dass es im Gegensatz zu reinen Kühl- und Kaltemitteln sowohl beheizbar als auch kühlbar ist. Weiterhin bietet eine Verwendung von Wasser den Vorteil, dass das gesamte Leitungssystem, also Zuleitungen zu der Halteplatte bzw. den Anschlusselementen, die Verbindungen der Schlusselemente mit dem Hauptkörper sowie zusätzliche Vorrichtungen, wie z. B. ein Wärmetauscher, Beheiz- bzw. Kühlvorrichtungen oder einem Luft-Wasser-Kühler für das Fluid, bei einer Verwendung des Wassers ohne Druckbeaufschlagung und somit ohne aufwendige Druckdichtungen ausgeführt sein können.
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Darüber hinaus ermöglicht eine Verwendung von Wasser als Fluid eine leichte Wartbarkeit ohne giftige oder gefährliche Abfallstoffe und ist somit auch im Falle eines Lecks oder eines Unfalls unkritisch. Vorzugsweise wird das Wasser mit einem geeigneten Frostschutzmittel kombiniert.
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Selbstverständlich kann die Halteplatte jedoch auch in einem druckbeaufschlagten Fluidkreislauf eingebunden werden, in dem ein anderes Fluid druckbeaufschlagt zirkuliert. Unter anderem kann als Fluid auch Luft eingesetzt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Zellmoduls mit einer Halteplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine geschnittene Seitenansicht des Zellmoduls mit der Halteplatte gemäß 1 und
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3a + 3b jeweils eine perspektivische Explosionsansicht der Halteplatte gemäß 1 mit zwei Anschlusselementen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zellmoduls 10 mit einer Halteplatte 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Lediglich angedeutet, ist der Aufbau des Zellmoduls 10 aus einer Anzahl von Einzelzellen 12, die hintereinander in einer Reihe aufgereiht angeordnet sind. Diese Anordnung der Einzelzellen 12 ist jedoch rein beispielhaft zu verstehen, da das Zellmodul 10 im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als Gesamtkörper beschrieben ist und somit eine Anordnung der Einzelzellen 12 im Inneren beliebig ausgestaltet sein. Wie in 1 dargestellt, sind sowohl das Zellmodul 10 als auch die Einzelzellen 12 jeweils quaderförmig ausgeführt. An einem Boden des Zellmoduls 10 ist die Halteplatte 11 zum Stützen und Fixieren des Zellmoduls 10 angeordnet.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht des Zellmoduls 10 mit der Halteplatte 11 gemäß 1. Das Zellmodul 10 umfasst eine Anzahl von Einzelzellen (vgl. 1) und ist fest mit der Halteplatte 11 verbunden. Die Verbindung beider Elemente ist wärmeleitend ausgebildet, und zwar durch eine wärmeleitende Verklebung, was durch die Bezugsziffer 17 angedeutet Ist. Die Halteplatte 11 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weist eine erste im Wesentlichen ebene Oberfläche 15 auf. Ferner weist die Halteplatte 11 Ausnehmungen 14 auf, die sich in einer ersten Richtung der Halteplatte 11 (senkrecht zur Bildebene) durch diese hindurch erstrecken und zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet sind. In der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Ausnehmungen 14 parallel zueinander in einer Ebene, die parallel zu der Oberfläche 15 der Halteplatte 11 angeordnet ist, mit welcher die Halteplatte 11 flächig das Zellmodul 10 kontaktiert.
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Des Weiteren weist die Halteplatte 11, lediglich optional, nach oben gezogene Ränder 16 auf, welche das Zellmodul 10 zumindest teilweise umgreifen und somit einen gewissen Seitenhalt vermitteln sowie eine exakte Positionierung des Zellmoduls 10 zu der Halteplatte 11 vorgeben. Darüber hinaus bieten diese einen Schutz für das Zellmodul 10 gegen Beschädigungen von außen und erleichtern eine Handhabung.
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Die dargestellte Halteplatte 11 übernimmt somit sowohl eine Stützfunktion zum Abstützen und Halten des Gewichts des Zellmoduls 10 als auch eine Beheizung oder Kühlung des Zellmoduls 10 über das durch die Halteplatte 11 strömende Fluid.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die Ausnehmungen 14 mit einem ovalen bzw. abgeflachten Querschnitt dargestellt. Dieser erlaubt einen breiten Strömungsquerschnitt bei gleichzeitig geringer Bauhöhe. Selbstverständlich sind aber auch andere Querschnittsformen möglich.
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3a zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Halteplatte 11 gemäß 1 mit einem Hauptkörper 31 und zwei Anschlusselementen 32a, 32b. Der Hauptkörper 31 ist in der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weist die dem Zellmodul (im eingebauten Zustand) zugewandte Oberfläche 15 auf. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist kein Zellmodul montiert.
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Wie bereits voranstehend beschrieben, sind zwei seitliche Ränder 16 an dem Hauptkörper 31 der Halteplatte 11 vorgesehen. An zwei entgegengesetzt zueinander angeordneten Stirnseiten 34a, 34b des Hauptkörpers 31 sind des Weiteren jeweils ein Anschlusselement 32a, 32b vorgesehen, die ein Zuleiten des Fluids in den jeweiligen Fluidkanal 14 des Hauptkörpers 31 bzw. ein Ausleiten aus diesem ermöglichen. In der dargestellten Ausführungsform ist das zweite Anschlusselement 32b als Umlenkelement ausgebildet und führt ein aus einem ersten Fluidkanal 14 ausgeleitetes Fluid in einen zweiten Fluidkanal ein. Das Fluid wird in der dargestellten Ausführungsform (vgl. Pfeile) also U-förmig durch die Halteplatte 11 geleitet. Es wird zunächst an der ersten Stirnseite 34a über das erste Anschlusselement 32a in einen ersten Fluidkanal 14 des Hauptkörpers 31 eingeleitet und strömt durch den längserstreckten ersten Fluidkanal 14 zu der zweiten Stirnseite 34b und wird dort mittels des zweiten Anschlusselements 32b in den ebenfalls längserstreckten zweiten Fluidkanal 14 eingeleitet, durch welchen das Fluid zurück zu dem ersten Anschlusselement 32a geführt wird. Dort tritt das Fluid wieder aus der Halteplatte 11 aus. Im Anschluss ist eine Weiterleitung in eine weitere Halteplatte (nicht dargestellt) möglich, die nachfolgend zu der ersten Halteplatte 11 angeordnet sein kann. Ebenso kann das ausgeleitete Fluid in eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen des Fluids (ebenfalls nicht dargestellt) rückgeführt werden, um es für einen erneuten Durchlauf durch die Halteplatte 11 zu temperieren.
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An den Stirnseiten 34a, 34b kann zum einfachen Verbinden des jeweiligen Anschlusselements 32a, 32b mit der jeweiligen Stirnseite eine Stirnseitenbearbeitung 37a, 37b vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise in Form einer Ausfräsung und/oder Fase bereitgestellt werden und so ein leichtes Aufstecken der Anschlusselemente 32a, 32b zum Verbinden mit dem Hauptkörper 11 ermöglichen. Zusätzlich kann eine stoffschlüssige Verbindung für einen dauerhaften Halt vorgesehen werden, wie beispielsweise ein Verkleben oder Verlöten.
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Zwar wurde in der dargestellten Ausführungsform das Fluid in einer U-Form von dem ersten Anschlusselement durch den Hauptkörper und über das zweite Anschlusselement wieder zurück durch den Hauptkörper zu dem ersten Anschlusselement geleitet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass ebenso eine einfache Durchleitung von dem ersten Anschlusselement zu dem zweiten Anschlusselement mit einer dortigen Ausleitung des Fluids vorgesehen werden kann.
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Alternativ kann darüber hinaus auch eine mehrfache Durchleitung durch den Hauptkörper beispielsweise in meanderförmiger Fluidkanalführung möglich sein, wie dies in 3b schematisch angedeutet ist. Vorzugsweise weist der Hauptkörper auch in diesem Fall lediglich die in Längsrichtung erstreckten Fluidkanäle auf. Eine Umlenkung und Rückführung des Fluids an der jeweiligen Stirnseite erfolgt dabei ausschließlich über als Umlenkelemente ausgebildete Anschlusselemente.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zellmodul
- 11
- Halteplatte
- 12
- Einzelzellen
- 14
- Ausnehmungen
- 15
- Oberfläche
- 16
- Ränder
- 17
- wärmeleitende Verklebung
- 31
- Hauptkörper
- 32a
- erstes Anschlusselement
- 32b
- zweites Anschlusselement
- 34a
- erste Stirnseite
- 34b
- zweite Stirnseite
- 37a
- Stirnseitenbearbeitung
- 37b
- Stirnseitenbearbeitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 97/16050 [0008]
- FR 9514161 [0011]
- DE 102008014155 A1 [0012]
