DE102013113797A1

DE102013113797A1 - Etagenelement, Seitenteil und Kühlmodul sowie Verfahren zum Herstellen eines Kühlmoduls

Info

Publication number: DE102013113797A1
Application number: DE102013113797.0A
Authority: DE
Inventors: Björn Eberleh; Stephen Raiser; Felix von Borck
Original assignee: Akasol AG
Current assignee: Akasol Ag De
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-11
Also published as: WO2015086669A3; WO2015086669A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Etagenelement für ein aus mehreren Etagenelementen zusammengesetztes Kühlmodul, insbesondere eines Kühlmoduls einer aus mehreren Zellen bestehenden wiederaufladbarer Batterie, wie z. B eine Lithiumionenbatterie, wobei jedes Etagenelement aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal aufweisendem Seitenteil sowie aus einer Kühlkanäle aufweisenden Verbindungseinrichtung besteht, deren Kühlkanäle sich zwischen den Strömungskanälen der Seitenteilen erstrecken. Ferner wird ein Seitenteil, ein Kühlmodul sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmoduls beansprucht.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Etagenelement, ein Seitenteil und ein Kühlmodul für eine wiederaufladbare Batterie, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmoduls
In der PCT-Anmeldung der Akasol GmbH mit der amtlichen Veröffentlichungsnummer WO 2012/028298 wird ein Kühlmodul für ein aus mehreren Zellen bestehendes Batteriemodul, insbesondere mit Akkumulatoren, insbesondere Lithiumionenzellen beschrieben, das zur Bildung einer Traktionsbatterie bzw. eines Traktionsbatteriemoduls für Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang verwendet wird. Durch den modularen Aufbau eines Batteriemoduls kann es auch für andere Zwecke verwendet werden, z. B. bei stationären Anwendungen oder Kleintraktionsanwendungen, wie beispielsweise in einem Rollstuhl.
Ein Batteriemodulsystem, das aus mehreren gleichartigen Batteriemodulen zusammengebaut ist, kann beispielsweise ausgelegt werden, um einen Leistungsbereich mit einem Energieinhalt zwischen 1 kWh und 400 kWh oder mehr abzudecken. Wenn beispielsweise ein Batteriemodulsystem für eine Dauerleistung von 20 kW ausgelegt ist, können dennoch zu Beschleunigungszwecken Spitzenleistungen von beispielsweise 100 kW kurzfristig von der Batterie abverlangt werden, wodurch sich ausgezeichnete Beschleunigungswerte erzielen lassen. Im Ladebetrieb kann beispielsweise mit einer Ladeleistung von 40 kW gearbeitet werden.
Die oben angegebenen Werte sind rein beispielhaft, stellen aber andererseits Werte dar, die durchaus mit kommerziell verfügbaren Lithiumionenbatterien erreicht werden können.
Der oben genannten PCT-Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Kühlmoduls bzw. eine alternative Konstruktion eines modularen Kühlmoduls vorzusehen, das bzw. die ebenfalls einen ausgezeichneten Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmittel erlaubt. Ferner soll auch bei der Auslegung des Kuhlmoduls eine extrem rationelle Herstellung gewährleistet werden, die mit wenig Materialaufwand und geringen wirtschaftlichen Kosten durchgeführt werden kann. Das Batteriemodul soll kompakt aufgebaut und thermisch optimiert ausgelegt sein, und insbesondere so ausgelegt, dass die Betriebstemperatur des Batteriemoduls bzw. des Batteriemodulsystems innerhalb enger Grenzen gehalten werden kann, um das lokale Überhitzen einzelner Zellen, erhöhte Temperaturen einer oder mehrerer Zellen oder den Betrieb bei zu niedrigen Zelltemperaturen möglichst zu vermeiden.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird in der genannten PCT-Anmeldung ein Kühlmodul für ein aus mehreren Zellen bestehendes Batteriemodul vorgesehen, wobei das Kühlmodul die Form eines Körpers mit einem inneren Raum zur Aufnahme von Batteriezellen aufweist, wobei der Körper zwischen einem Einlassbereich und einem Auslassbereich eine oder mehrere parallel zueinander erstreckende Kühlpassagen aufweist und mindestens teilweise aus einer Länge oder aus mehreren Längen eines Hohlprofils gebildet wird. Kühlblechen werden zwischen den seitlichen Hohlprofilen des Kühlmoduls eingesetzt um Fächer zur Aufnahme der Batteriezellen zu bilden und Wärme aus den Zellen herauszuführen. Statt mit Kühlblechen kann auch mit Kühlflügeln gearbeitet werden, die seitlich von den verwendeten Hohlprofilen in das Innere des Kühlmoduls hineinragen und ebenfalls Fächer zur Aufnahme der Batteriezellen bilden.
Die Betriebstemperatur der einzelnen Batteriezellen soll normalerweise einen Arbeitsbereich von z. B. 18°C bis 25°C nicht überschreiten, da ansonsten die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls zum Teil drastisch reduziert werden können. Dadurch, dass in vorherigen Kühlmodulen die Seitenteile des Kühlmoduls bildende Kühlbleche typischerweise mit Kühlkreisläufen versehen werden, um die Kühlung der Batteriezellen zu verwirklichen, kann es zu Problemen mit der Kühlung kommen, da die Ableitung der Wärme aus dem inneren der Zellen an das Kühlmittel nicht immer ausreichend gewährleistet werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines modularen Kühlmoduls bzw. eine alternative Konstruktion eines modularen Kühlmoduls vorzusehen, das bzw. die ebenfalls einen ausgezeichneten Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmittel erlaubt, vorzugsweise bei gleichzeitiger Verbesserung der bereits vorhanden Stabilität des Kühlmoduls. Ferner soll auch bei der alternativen Auslegung eine extrem rationelle Herstellung gewährleisten werden, die mit wenig Materialaufwand und bei geringen wirtschaftlichen Kosten durchgeführt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird zunächst ein Etagenelement nach dem Anspruch 1 vorgesehen, d. h. ein Etagenelement für ein aus mehreren Etagenelementen zusammengesetztes Kühlmodul, insbesondere ein Kühlmodul einer aus mehreren Zellen bestehenden wiederaufladbarer Batterie, wie z. B eine Lithiumionenbatterie, wobei jedes Etagenelement aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal aufweisenden Seitenteil sowie aus einer Kühlkanäle aufweisenden Verbindungseinrichtung, vorzugsweise eine Verbindungsplatte, besteht, deren Kühlkanäle sich zwischen den Strömungskanälen der Seitenteilen erstrecken.
Mit einer derartigen Konstruktion weicht man von der bisherigen Lösung ab, bei der einfache wärmeableitende Kühlbleche oder Kühlflügel sich zwischen Kühlplatten erstrecken, die sich um drei Seiten des Kühlmoduls erstrecken und Kühlflüssigkeit um diese drei Seiten des Kühlmoduls in mehreren zueinander parallen Pfade führen. Stattdessen wendet man erfindungsgemmäß eine Konstruktion an, bei der Verbindungseinrichtungen zwischen den Seitenteilen vorgesehen werden, die Kühlkanäle aufweisen und aktiv gekühlt werden, wobei diese Verbindungseinrichtungen zeitgleich die Kühlflüssigkeit von dem einen Seitenteil des Etagenelements zum anderen führen, und es nicht mehr erforderlich ist, stranggepresste Hohlprofile zu biegen, um Kühlplatten zu bilden, die sich um drei Seiten des Kühlmoduls erstrecken.
Zwar lässt auch die bekannte Konstruktion gemäß der WO 2012/028298 ebenfalls einen etagenweisen Zusammenbau zu, die zusätzliche Biegeoperation ist jedoch relativ aufwändig und die Kühlung der Zellen durch Wärmeabfuhr über die Verbindungseinrichtungen ist nicht so gleichmäßig wie bei der vorliegenden Lösung. Diese mangelnde Gleichmäigkeit kann zu einem Problem werden, wenn höhere thermische Anforderungen an ein Batteriemodul gestellt werden, da die entsprechenden Massnahmen eher zu einer Verschlechterung des Abtransport der Wärme führen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird nicht nur eine extrem rationelle Herstellung bei geringerem Materialaufwand ermöglicht, sondern auch eine ausgezeichnete Wärmeableitung und eine erhöhte Stabilität des fertiggestellten Kühlmoduls bzw. des fertiggestellten Batteriemoduls.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Verbindungseinrichtung in etwa in der Mitte jedes Seitenteils angesetzt. Hierdurch wird je ein Freiraum oberhalb und unterhalb der Verbindungseinrichtung und zwischen den Seitenteilen gebildet, der so bemessen ist, dass die jeweils verwendeten vorzugsweise quaderförmigen Batteriezellen, auch Flachzellen oder Pouchzellen genannt, in jedem Freiraum Platz haben, d. h. der verfügbare Platz in jedem Freiraum wird zumindest im wesentlichen vollständig durch die entsprechende Flachzelle und etwaige weitere notwendige Konstruktionselemente ausgefüllt. Der Freiraum, der zwischen zwei Verbindungseinrichtungen von zwei benachbarten Etagenelementen geschaffen wird, kann auch so gewählt werden, dass zumindest eine Batteriezelle, bevorzugt zwei Batteriezellen diesen im wesentlichen ausfüllen.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Verbindungseinrichtung ausser mittig angeordnet wird, sofern der Abstand zwischen zwei benachbarten Verbindungseinrichtungen von verschiedenen Etagenelementen so gewählt ist, dass zumindest eine Batteriezelle in dem geschaffenen Freiraum angeordnet werden kann. Hierbei kann dann bspw. ein Freiraum nur oberhalb bzw. unterhalb der Verbindungseinrichtung geschaffen werden, solche Etagenelement dienen dann in der Regel dem oberen bzw. unteren Abschluß eines Kühlmoduls.
Das Etageneelement ist üblicherweise in Draufsicht quadratisch oder rechteckig, dies stellt aber keine Beschränkung derr konkreten Form des Etagenelements dar. Man kann genauso an trapezförmige oder polygonale Ausführungen oder gar an kreisförmige oder elliptische Formen denken, wenn die zwei gegenüberliegenden Seitenteile gekrümmt ausgeführt werden. Dies ist zwar nicht unbedingt als optimal angesehen, aber durchaus möglich.
Man hat bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Etagenelemente mehrere Möglichkeiten, dabei kommen folgende Konstruktionen in Betracht:

a) Eine Konstruktion in Kunststoff, wie zum Beispiel aus einem Thermoplast oder Polyamid, mit ersten und zweiten extrudierten oder spritzgegossenen Seitenteilen in der Form von Kunststoffprofilen sowie einer extrudierten oder spritzgegossenen, dünnwandigen Verbindungseinrichtung mit mehreren im Vergleich zum Querschnitt der Strömungskanäle kleinere Querschnitte aufweisenden Kühlkanälen, wobei die Seitenteile und die Verbindungseinrichtung durch z. B. Heißgas- oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt werden. Eine solche Konstruktion kann nicht nur sehr kostengünstig realisiert werden, sie ist darüberhinaus relativ leicht an Gewicht.
b) Ferner kann mann sich einer Strangpresslösung bedienen mit ersten und zweiten als Strangpressprofile ausgebildeten Seitenteilen aus Metall mit einer dünnwandigen, hartgelöteten Verbindungseinrichtung mit mehreren im Vergleich zum Querschnitt der Strömungskanäle kleineren Querschnitten aufweisenden Kühlknälen, wobei die Seitenteile und die Verbindunbgsplatte z. B. durch Löten, Schweißen oder Kleben aneinander befestigt werden. Bisherige Erfahrungen haben gezeigt, dass auch eine solche Konstruktion durchaus strangpresstechnisch zu realisieren ist. Dabei ist es nicht zwangsläufig erforderlich, die Verbindungseinrichtungen auch als Strangpressteile zu realisieren, sie können beispielsweise auch durch eine Blechkonstruktion mit Abstandselementen zwischen einem oberen Deckelblech und einem unteren Bodenblech gebildet werden, um die Kühlkanäle zu realisieren, wobei die Abstandselemente auch durch Blechfaltungen realisierbar sind, die in einem oder in beiden der Blechteile vorgenommen werden können. Auch können die verschiedenen Komponenten mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt werden.
c) Auch käme eine Druckgussvariante in Frage, bei der die Strömungskanäle der Seitenteile und die Kühlkanäle der Verbindungseinrichtung mittels beweglicher Schieber der Druckgussform relisiert werden können.

Auch ist eine Kombination der verschiedenen Herstellungsverfahren denkbar, um ein Etagenelement bzw. ein Kühlmodul bestehend aus zumindest einem Etagenelement herzustellen.
Die Etagenelemente gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise in Kombination mit je zwei Isolierschalen verwendet, die auf die beiden Seiten der Verbindungseinrichtung geklebt sind.
Diese Isolierschalen können auch dazu verwendet werden, offene Kühlkanäle der Verbindungseinrichtungen abzudichten, so dass diese Kühlkanäle absichtlich an einer oder an beiden Seiten der Verbindungseinrichtungen offen hergestellt werden können, was beispielsweise bei einer Druckgusskonstruktion (aber nicht nur bei einer solchen Konstruktion) vorteilhaft sein kann. Durch die Verklebung der Isolierschalen (die z. B. aus PET bestehen) mit der Verbindungseinrichtung wird der Wärmeübergang begünstigt, insbesondere, wenn ein gut Wärme leitender Klebstoff angewendet wird. Die Isolierschale ist z. B. als Tiefziehteil realisiert, da hierdurch eine relativ dünne Isolierschale mit wenig Material und hoher Gleichmäßigkeit (in der Dicke) hergestellt werden kann und eine gute Wärmeableitung sichergestellt wird.
Um die Bateriezellen elektrisch zu isolieren, könnten diese auch vor dem Einsetzen in den jeweiligen Freiraum der Etagenelemente separat elektische isoliert werden, dies ist z. B. mittels eines Klebebands möglich.
Ferner wird vorzugsweise je eine Batteriezelle auf jede Kunststoffschale aufgeklebt. Auch dies fördert die Wärmeableitung aus der Zelle in die Kühlflüssigkeit.
Besonders günstig ist es, wenn eine Isolierschale aus Kunststoff in Form einer Tiefziehschale zur Aufnahme einer Batteriezelle mit Aussparungen für die Zelltabs bzw. Zellklemmen zur Anwendung gelangt. Die Isolierschale kann auch so dünn gemacht werden, dass die Wärmeableitung von den Zellen in die Kühlflüßigkeit kaum gestört wird.
Das erfindungsgemäße Kühlmodul kann dann einfach dadurch zusammengestellt werden, dass mehrere erfindungsgemäße und gleichartige Etagenelemente aufeinander gestapelt werden.
Dabei wird zwischen den benachbarten Verbindungseinrichtungen benachbarter Etagenelemente einen innerer Raum gebildet und die Räume sind zur Aufnahme von Batteriezellen, insbesondere von flachen, rechteckigen oder quadratischen Batteriezellen ausgelegt. Ferner kann jedes Etagenelement vorzugsweise mit zwei Isolierschalen und zwei Zellen (je eine oberhalb und unterhalb der Verbindungseinrichtung) vormontiert werden, was aufgrund der verklebten Konstruktion besonders einfach zu realisieren ist, da ein leicht anwendbares ”Etagenmodul” entsteht.
Alternativ hierzu können die Etagenelemente ohne vormontierten Flachzellen zu einem Kühlmodul aufgestapelt werden und jeweils zwei Flachzellen mit den zugeordneten Isolierschalen nachträglich in die entsprechenden Räume eingesetzt werden.
Besonders günstig ist es, wenn Haltefedern vorgesehen sind, die die Seitenteile von mindestens zwei übereinander gestapelten Etagenelementen aneinander halten, wobei die Haltefedern hakenförmige Enden haben, die in formangepassten Nischen der Seitenteilen der Etagenelementen eingreifen. Dies stellt eine einfache, aber dennoch sichere Konstruktion dar, die darüberhinaus kompakt und leicht zusammenzustellen ist.
Das erfindungsgemäße Kühlmodul wird vorzugsweise so komplementiert, dass die Strömungskanäle jedes Seitenteils auf der Eingangsseite des Kühlmoduls mit einem Kühlflüssigkeit führenden Verteiler und die Strömungskanäle jedes Seitenteils auf der Ausgangsseite des Kühlmoduls mit einem Kühlflüssigkeit führenden Sammler in Fluidverbindung steht.
Ferner kann es erfindungsgemäß günstig sein, wenn jedes Etagenelement bzw. ein aus mehreren Etagenelementen bestehendes Kühlmodul mit mindestens einem Turbulator in jedem Strömungskanal auf der Eingangsseite und/oder auf der Ausgangsseite versehen wird. Eine derartige Lösung, die nicht nur bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Konstruktion, sondern auch bei anderen Konstruktionen, wie beispielsweise bei der Konstruktion gemäß der oben genannten- WO 2102/028298 in den dort beschriebenen Hohlräumen bzw. Strömungspassagen verwendet werden kann, führt zwar zu der Notwendigkeit einer erhöhten Förderleistung für die Kühlflüssigkeit, steigert aber auch die Wärmeableitung was aber wiederum nicht nur für den Wämehaushalt gut ist, sondern auch die Kühlung effizienter gestaltet.
Dabei kann der Turbulator so gestaltet sein, dass es eine ständige Wiederholung zwischen verringertem und vergrößertem Querschnitt gibt.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Seitenteil zur Anwendung in einem Etagenelement eines Kühlmoduls, insbesondere jedoch nicht ausschließlich in einem Etagenelement der oben beschriebenen Art, wobei das Seitenteil als Hohlprofil realisiert ist, das folgende Merkmale aufweist:

a) an einer Längsseite eine U-förmige Nut,
b) an der anderen Längsseite einen Steg, der in die U-förmige Nut eines benachbarten Seitenteils einpasst,
c) einen hohlen Bereich, der einen Strömungskanal definiert mit einer seitlichen Öffnung oder mehreren seitlichen Öffnungen, die eine Fluidverbindung zu einem weiteren Fluid führenden Element wie eine Kühlkanäle aufweisende Verbindungseinrichtung ermöglicht bzw. ermöglichen,
d) eine weitere sich in Längsrichtung des Seitenteils erstreckende Bohrung oder Passage zur Aufnahme eines Befestigungselements wie eine Schraube,
e) mindestens eine und vorzugsweise zwei seitlich abstehende Nasen auf der der seitlichen Öffnung bzw. den seitlichen Öffnungen entgegengesetzten Seite des Hohlprofils, d. h. auf der äußeren Seite des Seitenteils, wobei die Nase bzw. Nasen Nischen zur Aufnahme der Haken von Halterungsfedern bilden, die benachbarte Seitenteile aneinder halten, beispielsweise derart, dass der Steg des einen Seitenteils in die Nut des oder eines benachbarten Seitenteils hineingedrückt ist.

Eine derartige Konstruktion kann relativ einfach als stranggepresstes Element realisiert werden und durch relativ einfache Federklammern mit unteren oder oberen Seitenteilen befestigt werden.
Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung auch Verfahren zur Herstellung eines Kühlmoduls eines aus wiederaufladbaren Zellen bestehenden Batteriemoduls. Gemäß einer ersten Variante umfasst das Verfahren folgende Schritten

a) Herstellung mehrerer gleichartiger Etagenelemente, wobei jedes Etagenelement aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal aufweisenden Seitenteil sowie aus einer Kühlkanäle aufweisenden Verbindungseinrichtung besteht, deren Kühlkanäle sich zwischen den Strömungskanälen der zwei Seitenteile erstrecken,
b) Bildung eines Stapels aus den Etagenelementen,
c) Einführung der Zellen in Räume, die von den Verbindungseinrichtungen definiert sind,
d) Anbringung eines Strömungsverteilers auf der Eingangsseite des Stapels an den dortigen Seitenteilen und Anbringung eines Sammlers auf der Ausgangsseite des Stapels an den dortigen Seitenteilen,
e) Verschließen der Strömungskanäle der Seitenteile auf den dem Strömungsverteiler bzw. dem Sammler abgewandten Enden der Strömungskanäle der Seitenteile und
f) Verbindung der Etagenelemente mittels Anbringung von Halteklammern bzw. Haltefedern und/oder eines Klebstoffs und/oder mittels Schweisen oder Ultraschallschweisens, um die Etagenelemente aneinander zu halten.

Bei einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise jeweils eine Zelle auf jeder Seite jeder Verbindungseinrichtung angebracht, und die Etagenelemente werden anschließend zu einem Stapel zusammengesetzt Diese zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders leicht handzuhaben, und insbesondere dann gut anzuwenden, wenn das Verfahren den weiteren Schritt der Anbringung von Isolierschalen an den beiden Seiten der Verbindungseinrichtungen und an den Flachseiten der Batteriezellen umfasst. In diesem Fall werden die Isolierschalen vorzugsweise vor dem Zusammensetzen der Etagenelementen zu einem Stapel auf diesen aufgebracht und die entsprechende Batteriezellen werden erst dann auf die freiliegende Seite der Isolierschalen aufgebracht. Alternativ hierzu können die Isolierschalen jeweils auf einer Seite einer Zelle aufgebracht werden und anschließend die freie Seite jeder Isolierschale auf eine Verbindungseinrichtung eines einzelnen Etagenelements. Auch ist eine Isolation der Batteriezellen in Form eines Klebebands möglich.
Besonders günstig ist es, wenn ein aus Kunststoff bestehender Schaumstoff zwischen den Zellen von benachbarten Zellenpaaren und auf den obersten und untersten Zellen des Batteriemoduls angebracht ist. Eine solche Auslegung presst – wenn die einzelnen Etagenmodule in ein Gehäuse eingebracht sind – die einzelnen Elemente des Stapels zusammen. Hierdurch wird das gesamte Batteriemodul auch bei thermischen Dehnungen einerseits gleichmäßig mechanisch belastet und andererseits gegen Erschütterung geschützt.
Ferner kann zu Brandschutzzwecken ein schichtartiges Brandschutzmaterial zur Verhinderung der Ausbreitung eines Zellenbrands zwischen den Verbindungseinrichtungen und den Zellen vorgesehen werden.
Besonders günstig ist es, wenn das aus den Etagenelementen zusammengestetzte Kühlmodul in einem aus Kunststoff bestehenden, das Kühlmodul an mindestens drei Seiten begrenzenden Gehäuse angeordnet wird, das mit mindestens einem Berstbereich ausgestattet ist. Wenn also ein erhöhter Druck im Batteriemodul aus welchem Grund auch immer entstehen sollte, wird das Gehäuse gezielt im Berstbereich nachgeben und den Druck abbauen, ohne gleich zu explodieren.
Ferner kann das aus den Etagenelementen zusammengestetzte Kühlmodul in einem aus Kunststoff bestehenden, das Kühlmodul an mindestens zwei einander gegenüber liegenden Seiten begrenzenden Gehäuse angeordnet werden, welche Seiten parallel zu den Ebenen der Etagenelemente stehen, und die entsprechenden Seiten des Gehäuses mit einer konkaven Wölbung ausgeführt werden. Hierdurch wirken die mit Schaumstoff vorgespannten Zellen dieser Wölbung entgegen, und zwar vorzugsweise derart, dass die Wölbung der entsprechenden Seiten des Gehäuses wieder aufgehoben wird. Hierdurch wird nicht nur eine erwünschte Presskraft auf die einzelnen Zellen ausgeübt, die für eine gleichmäßige Wärmeübertragung sowie eine mechanische Fixierung sorgt, sondern das Batteriemodul erhält eine recht gleichmäßige Gestaltung in der Form eines Quaders, welche die Unterbringung von mehreren gleichartigen Modulen in einem engen Behälter ermöglicht.
Ferner gelten für diese erfindungsgemäße Auslegung auch viele der für die frühere Auslegung gemäß der WO 2012/028298 geltenden Vorteile. Zum Beispiel lassen sich die Seitenteile in Form von Hohlprofilen reproduzierbar in einer Produktionsanlage kostengünstig herstellen, und zwar mit sehr wenig Materialabfall, da nun einfache Hohlprofile verwendet werden können, die eine Kühlpassage aufweisen und die in einem unabhängigen vorherigen Arbeitsschritt auf eine gewünschte Länge vorgefertigt werden können bzw. in der Massenproduktion von Kühlmodulen in der gewünschten Länge angefertigt werden, wodurch eine Serienfertigung von Kühlmodulen in größeren Stückzahlen möglich ist.
Die Herstellung der Hohlprofile als Strangpressteile ist aber bei der vorliegenden Erfindung nicht nur durch die Verwendung von z. B. Aluminium oder einer Al-Legierung als Ausgangsmaterial, sondern auch aus Kunstoff möglich und es kann mit relativ dünnen Wanddicken der Hohlprofile von etwa 0,5 bis 5 mm ein steifes Gebilde erzeugt werden, da die Wände der Hohlprofile nicht nur der Führung von Kühlmittel, sondern auch der Versteifung des Kühlmoduls dienen. Ferner führt die dünnwandige Konstruktion zu einem leichtgewichtigen Kühlmodul.
Bei der Erfindung können aber auch die Verbindungseinrichtungen als Strangpressteile erfolgen, da die Vielzahl von Kühlkanälen auch bei einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr begünstigt. Die Verwendung von Kunstoff fördert außerdem die Reduzierung des Gewichts. Allerdings könne auch leichte Metalle, wie z. B. Aluminium oder Magnesium bzw. deren Legierungen, als Ausgangsmaterial für die Hohlprofile verwendet.
Hohlprofile können in größeren Längen von mehreren Metern hergestellt werden und das fertige Profil kann z. B. durch eine Säge („fliegende Säge”) auf eine gewünschte Länge unterteilt werden, sobald ein Strangabschnitt ausreichend erstarrt ist.
Dadurch, dass die einzelnen Etagenelemente gestapelt werden können, kann ein modularer Aufbau des Kühlmoduls bewerkstelligt werden, da eine gewünschte Höhe des Kühlmoduls einfach durch die Auswahl einer vorgebaren Zahl an Etagenelementen erzielt werden kann. Dies bedeutet, dass verschiedene Größen von Kühlmodulen in einer Produktionsanlage einfach hergestellt werden können, da für die einzelnen Batteriemodule immer das gleiche Ausgangsmaterial benützt werden kann, was je nach Bedarf auf eine gewünschte Länge zugeschnitten und in seiner Höhe durch die erforderliche Anzahl an Hohlprofilen einfach variiert werden kann.
Der Verteiler und der Sammeler können bei der vorliegenden Erfindung genauso ausgelegt werden wie in der oben genannten WO-Schrift beschrieben und können auch als Strangpressteile hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher zeigen:
1A bis 1G Darstellungen eines ersten Kühlmoduls, wobei die 1A eine perspektivische Darstellung des Kühlmoduls; die 1B eine perspectivische Darstellung eines Etagenelements des Kühlmoduls, 1C eine vordere Ansicht des Etagenelements der 1A; die 1D ein vergrößerter Schnitt entsprechend der Schnittlinie C-C der 1C; die 1E eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Endes des Hohlprofils des Seitenteils des Etagenelements der 1C; 1F eine mögliche Ausgestalung eines Turbulators, und die 1G eine Befestigungsmöglichkeit von zwei Seitenteilen aneinander,
2A bis 2C Darstellungen entsprechend den 1B bis 1D von einer weiteren Form eines Etagenelements,
3A bis 3C, Darstellungen entsprechend den 1B bis 1D von einer weiteren Form eines Etagenelements,
4A bis 4C Darstellungen entsprechend den 1B bis 1D von einer weiteren Form eines Etagenelements,
5A & 5B Darstellungen weiterer Kühlmodule, wobei die 5A ein Kühlmodul mit installierten Kühlblechen und 5B ein ähnliches Kühlmodul mit integrierten Kühlflügeln zeigen,
6A & 6B Explosionszeichnungen der in den 5A & 5B verwendeten Etagenelemente mit zwei einzusetztenden Batteriezellen,
7 eine perspektivische Darstellung einer Isolierschale,
8 eine perspektivischer Darstellung eines Etagenelements mit zwei eingesetzten Batteriezellen und zwei eingesetzten Isolierschalen,
9 eine perspektivische Darstellung eines Kühlmoduls mit eingesetzten Batteriezellen,
10 eine perspektivische Darstellung eines Etagenelements mit eingesetztem Brandschutzelement,
11 eine perspektivische Darstellung eines Etagenelements mit einer Schaumstoffauflage,
12A bis 12C eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit einem Gehäusedeckel mit konkaver Wölbung, es wäre schön, wenn die bestehenden Zeichnungen der 12B und 12C größer ausgeführt werden könnten, damit die Details leichter ersichtlich sind)
13A & 13B eine perspektivische Darstellung einer Seite des Gehäuses der 12A von der Innenseite gesehen bzw. eine vergrößerte Schnittzeichnung dieser Seite im eingekreisten Bereich,
14A & 14B 14A zeigt eine Darstellung eines Batteriemoduls mit einer installierten Platine eines Batteriemanagementsystem und die 14B zeigt eine schematische Darstellung der Anbringung einer Platine eines Batteriemanagementsystems an Batteriezellen eines Kühlmoduls,
15A & 15B schematische Dartstellungen eines Temperatur- bzw. Wachstumsfühlers zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls.
Merkmale, die die gleiche oder eine ähnliche Funktion haben, werden nachfolgend mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung, die für Bauteile oder Bauteilfunktionen im Zusammenhang mit einer Ausführungsform gegeben werden, auch für andere Ausführungsformen gelten, bei denen die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, es sei denn, dass etwas Gegenteiliges erwähnt wird.
Die 1A zeigt eine perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlmodul 10. Das in normalem Betrieb zur Kühlung der Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 1 verwendet wird, das aber bei niedrigen Aussentemperaturen auch dazu verwendet werden kann, die Batteriezellen 11 zu erwärmen.
Das Kühlmodul 10 hat eine im Wesentlichen quaderförmige Form und weist in seinem Eingangsbereich einen Verteiler 12 und in seinem Ausgangsbereich einen Sammler 14 auf. Der Verteiler 12 und der Sammler 14 weisen jeweils einen Anschluss bzw. Tülle 16, 18 auf, durch den das Kühlmittel zu- bzw. abgeführt werden kann.
Das Kühlmodul 10 setzt sich aus mehreren Etagenelementen 20 zusammen, wobei im Beispiel der 1A sechs Etagenelemente 20 aufeinander gesetzt bzw. aufgestapelt werden, um das Kühlmodul 10 zu bilden. Das Kühlmodul 10 ist insbesondere ein Kühlmodul einer aus mehreren Zellen bestehenden wiederaufladbaren Batterie, wie z. B einer Lithiumionenbatterie, wobei die Zellen in 1 nicht ersichtlich sind. Konkret besteht wie aus den 1B bis 1E ersichtlich jedes Etagenelements 20 aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal 21 bzw. 21' aufweisenden Seitenteil 22, 24 sowie aus einer Kühlkanäle 26 aufweisenden Verbindungseinrichtung 28, deren Kühlkanäle 26 sich zwischen den Strömungskanälen 21, 21' der Seitenteile 22, 24 erstrecken. Die Seitenteile 22 und 24, die im Querschnitt gleich sind und aus einem Strangpressteil geschnitten werden können, sind im Querschnitt in 1E gezeigt.
Die oben erwähnten Verteiler 12 und Sammler 14 werden stirnseitig an die entsprechenden Seitenteile 22 bzw. 24 angebracht, und zwar durch Schrauben 27, die durch geeignete Stellungen des Verteilers und des Sammlers in die Passagen 29, 29' der Seitenteile 22 und 24 eingreifen (siehe 9), wobei Dichtungen 25 zwischen dem Verteiler 12 und dem Seitenteil 22 und zwischen dem Sammler 14 und dem Seitenteil 24 vorgesehen sind und der Verteiler 12 und der Sammler 14 Öffnungen aufweisen, die mit den Strömungskanälen 21 bzw 21' kommunizieren. Die Strömungskanäle 21, 21' und die Schraubpassagen 29, 29' der 1E sind durch jeweilige längliche Hohlpassagen des Strangpressteils der 1E gebildet.
Wie aus 1A ersichtlich wird an der dem Verteiler bzw. dem Sammler gegenüberliegenden Rückseiten 30, 30' der Seitenteile eine durchgehende Platte 31 mittels weiterer Schrauben (nicht gezeigt) abdichtend befestigt, die ebenfalls in die Schraubpassagen 29, 29' eingreifen. Die Platte 31 versteift ein so zusammengefügtes Kühlmodul 10 und dichtet die Rückseiten der Strömungskanäle 21, 21' der Seitenteile 22, 24 ab.
Denkbar ist auch eine Auslegung in der ein jeweiliges Seitenteil 22, 24 einen eigenen Sammler 12 und einen eigenen Verteiler 14 an einem jeweiligen Ende des Seitenteils 22, 24 aufweist (nicht gezeigt). D. h. dass die Kühlflüssigkeit jeweils nur durch einen Strömungskanal 21, 21' eines jeden Seitenteils 22, 24 zwischen einem eigenen Sammler 14 und einem eigenen Verteiler 12 fliesst.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, dass ein Seitenteil 22 an einem Ende mit dem Verteiler 12 verbunden wird und der Sammler 14 am zweiten Seitenteil 24 am dem Verteiler 12 gegenüberliegenden Ende des zweiten Seitenteils 24 angebracht wird (auch nicht gezeigt).
Die Auslegung des Verteilers 12 und des Sammlers 14 kann genauso erfolgen, wie in der WO 2012/028298 im Detail beschrieben und hier in der 9 gezeigt ist. Der diesbezügliche Inhalt der WO 2012/028298 wird hierdurch zum Teil der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Die Strömungskanäle 20, 20' der Seitenteile 22 bzw. 24 sind in diesem Beispiel an den Rückseiten 30, 30' der Seitenteile 22 bzw. 24 durch (nicht gezeigten) angeschraubte abgedichtete Leisten oder angeklebte oder angeschweißte Leisten oder einzelne Stopfen, die in die Strömungskanäle 21, 21' an den Rückseiten 30, 30' eingesetzt werden oder anderweitig fluiddicht verschlossen.
Die Verbindungseinrichtung 28 ist in etwa in der Mitte jedes Seitenteils 22 bzw. 24 angesetzt und bildet, wie aus der 1B ersichtlich, je einen Freiraum 32, 32' oberhalb und unterhalb der Verbindungseinrichtung 28 und zwischen den Seitenteilen 22 und 24. Um die Kühlkanäle 26 der Verbindungseinrichtung 28 strömungsmäßig mit den Strömungskanälen 21, 21' der Seitenteile 22 bzw. 24 zu verbinden, werden entweder die Wandbereiche der Seitenteile 22 bzw. 24, die die Strömungskanäle definieren, mit einem durchgehenden Schlitz versehen, in den die entsprechende Seite der Verbindungseinrichtung 28 eingesetzt wird, oder die Strömungskanäle 21, 21' werden als allseitig geschlossene Hohlräume angefertigt und die Seitenwand ausgefräst, um einen Schlitz zu bilden, der die entsprechende Seite der Verbindungseinrichtung 28 aufnimmt. Letztere ist die bevorzugte Lösung, da man dann eher sichergehen kann, dass eine fluiddichte Verbindung an den formangepassten Enden der Schlitze erfolgt.
Bei der fertigen Konstruktion, wie in der 1A dargestellt, wird somit ein Pfad für die Kühlflüssigkeit geschaffen, der wie folgt verläuft:
Die Kühlflüssigkeit wird mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) einem Vorrat (ebenfalls nicht gezeigt) entnommen und über eine nicht dargestellte Leitung in die Eingangstülle 16 des Verteilers 12 eingespeist. Der innere Hohlraum des Verteilers 12 kommuniziert mit den sechs aufeinander gestapelten Seitenteilen 22, so dass eine gleichmäßige Strömung in jeden Strömungskanal 21 der sechs Seitenteile 22 erfolgt. Von den Strömungskanälen 21 geht die Kühlflüssigkeit ebenfalls gleichmäßig in die einzelnen Kühlkanäle 26 der Verbindungseinrichtungen 28 über und durchströmt diese. An den Enden der Kühlkanäle 26 benachbart zum Seitenteil 24 strömt die Kühlflüssigkeit in die Strömungskanäle 21' der Seitenteile 24 und von dort in den inneren Hohlraum des Sammlers 14. Von dort verläßt die Kühlflüssikkeit den Sammler 14 über die Ausgangstülle 18 und fließt über eine nicht dargestelte Leitung und mindestens einen nicht gezeigten Wärmetauscher in den Vorratsbehälter zurück.
Mit anderen Worten ist das Kühlmodul 10 so konzipiert, dass die Strömungskanäle jedes Seitenteils auf der Eingangsseite des Kühlmoduls mit einem Kühlflüssigkeit führenden Verteiler 12 und die Strömungskanäle jedes Seitenteils auf der Ausgangsseite des Kühlmoduls 10 mit einem Kühlflüssigkeit führenden Sammler 14 in Fluiverbindung steht.
Wie ersichtlich sind die Etagenelemente 20 in Draufsicht vorzugsweise quadratisch oder rechteckig, sie könnten aber stattdessen eine andere Form wie eine dreieckige Form in Draufsicht aufweisen.
Die Konstruktion gemäß den 1A bis 1E kann aus ersten und zweiten extrudierten oder spritzgegossenen Seitenteilen 22, 24 in Form von Kunststoffprofilen, sowie einer extrudierten oder spritzgegossenen, dünnwandigen Verbindungseinrichtung 28, mit mehreren im Vergleich zu dem Querschnitt der Strömungskanäle 21, 21' kleineren Querschnitten aufweisenden Kühlkanälen 26, wobei die Seitenteile 22, 24 und die Verbindungseinrichtung 28 durch Heißgas- oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt werden. Der Kunststoff, der hier für die Seitenteile und die Verbindungseinrichtung verwendet wird, ist bspw. Polyamid.
Die 2A bis 2C zeigen eine alternativ Lösung, die von der Form betrachtet der Lösung gemäß 1A bis 1E ganz ähnlich ist. Der Unterschied liegt darin, dass hier die ersten und zweiten als Strangpressprofile ausgebildeten Seitenteile 22 und 24 aus Metall, z. B. Al, Cu, oder Mg oder eine Legierung mit Al, Cu oder Mg, mit einer dünnwandigen, hartgelöteten bzw. geklebten oder geschweißten Verbindungseinrichtung 28, ebenfalls aus Metall, vorzugsweise aus dem gleichen Metall, mit mehreren in Vergleich zu dem Querschnitt der Strömungskanälen 21, 21' kleineren Querschnitten aufweisenden Kühlkanälen 28, wobei die Seitenteile und die Verbindungseinrichtung durch Löten, Schweißen oder Kleben aneinader befestigt werden. Denkbar wäre es auch eine spitzgegegossene Verbindungseinrichtung 28, bspw. gemäß 1B, mit Seitenteilen aus Metall gemäß 2A zu verwenden oder auch umgekehrt, um ein Etagenelement 20 zu realisieren.
Die Verbindungseinrichtung 28 könnte auch aus mehreren vorzugsweise nebeneinander und Parallel zueinander angeordneten kleineren Strangpressprofilen bestehen, die Mikrokanäle aufweisen.
Man kann die Konstruktion gemäß den 2A bis 2C wie folgt zusammenfassen:
Es liegen seitliche Strangpressprofile 22, 24 aus Metall wie z. B. Aluminium vor, die mit einer dünnwandigen, hartgelöteten Kühlplatte 28 mit Mikrokanälen 26 aneinander verbunden werden. Die Verbindung der drei Teile 22, 24 und 28 erfolgt durch Löten, Schweißen oder Kleben.
Auch hier erfolgt die Verteilung im fertigen Modul 10 über Manifolds 12, 14 auf der einen Seite des Moduls 10, während der Abschluss der Profile 22, 24 mittels einer Platte 31 (hier nicht gezeigt) auf den Rückseiten 30, 30' der Seitenteile 22, 24 bzw. des Kühlmoduls 10 bewerkstelligt wird.
In einer weiteren Variante kann das Etagenelement 20, wie in den 3A bis 3C gezeigt, als Druckgussteil realisiert werden, üblicherweise aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung wie LM 40 oder aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung wie AlMg.
Man kann die Druckgussausführung gemäß den 3A bis 3C wie folgt zusammenfassen:
Es liegt ein Kühlkörper 22, 24, 28 in Druckgussausführung vor, wobei die Hauptströmungskanäle 21 bzw. 21' über Schieber realisiert werden. Auch die offenen Querkanäle 26 werden mittels Schiebern hergestellt. Als Schieber werden bewegliche Einsätze einer Druckgussform verstanden, die bei der Fertigung des Druckgussteils in der Form hineingefügt und zur freigabe des Teils aus der Druckgussform herausgezogen werden.
Die offenen Querkanäle 26 werden auf der Oberseite und der Unterseite in 3A bis 3C mittels plattenförmigen Elementen verschlossen, um geschlossene Kühlkanale zu formen. Eine mögliche Ausgestaltung der plattenförmigen Elemente wird in der Form von Isolierschalen 40 in der 7 näher beschrieben.
Auch hier erfolgt die Verteilung der Kühlflüssigkeit im Kühlmodul 10 über Manifolds 12, 14 auf der vorderen Seite, und es erfolgt der Abschluss der Profile 22, 24 mit einer Platte 31 auf der Rückseite, wie oben beschrieben.
Die 4A bis 4C zeigen eine Konstruktion ähnlich den 3A bis 3C bei der geöffnete Bereiche 23 in der Verbindungseinrichtung 28 vorgesehen sind (4 C). Die geöffneten Bereiche 23 der Verbindungseinrichtung 28 bilden offene Kühlkanäle der Verbindungseinrichtung 28. Um die offenen Kühlkanäle nach oben bzw. nach unten abzudichten wird z. B. eine Isolierschale 40 (siehe 7) jeweils von oben bzw. von unten auf die Verbindungseinrichtung 28 mittels eines geeigneten Klebstoffs geklebt (siehe 4B und 4C für eine mit Isolierschalen 40 versehene Verbindungseinrichtung), auch ist eine andersartige Verbindung der Isolierschalen 40 mit der Verbindungseinrichtung denkbar. Die Isolierschale 40 ist vorzugsweise eine aus PET hergestellte Schale und die Verbindungserinrichtung 28 wird z. B. als ein Aluminiumdruckgussteil hergestellt.
In der 4C ist ferner ein optionales, insbesondere aus GFK gefertigtes Rohr 68 (siehe auch die 10) zu sehen, welches zur Erzielung einer höheren Druckbelastbarkeit des Kühlelements (mechanischer Druck) verwendet werden kann.
Zurückgehend auf die 1E ist ersichtlich, dass das Hohlprofil an einer Längsseite eine Nut 42 und auf der andere Längsseite eine Feder 44 aufweist, wobei bei der Bildung eines Stapels 45 der Hohlprofile die Feder 44 des einen Seitenteils 22 bzw. 24 des einen Etagenelements 20 in die Nut 42 des benachbarten Seitenteils 22 bzw. 24 eingefügt wird.
Ferner sieht man aus den 1E und 1G, dass das die Seitenteile 22 und 24 bildende Hohlprofil zwei seitliche Nasen 46 und 48 aufweist, die jeweils eine Nische 50, 52 bilden, in die die hakenförmigen Enden 54, 56 der im allgemeinen C-förmigen Federklammern 58 eingreifen, um den Stapel 45 zusammenzuhalten. Die Federklammern, ihre bevorzugte räumliche Anordnung und ihre Haltefunktion sind außerdem aus der 1A ersichtlich.
Die Strangpressteile, die in 1E und 1G gezeigt sind und Seitenteile 22 bzw. 24 bilden, weisen insgesamt folgende Merkmale auf:

a) an einer Längsseite eine U-förmige Nut 42,
b) an der anderen Längsseite eine Feder (bzw. einen Steg) 44, der in die U-förmige Nut eines benachbarten Seitenteils 22 bzw. 24 einpasst,
c) einen hohlen Bereich, der einen Strömungskanal 21, 21' definiert mit einer seitlichen Öffnung oder mehreren seitlichen Öffnungen, die eine Fluidverbindung zu einem weiteren Fluid führenden Element in Form der Kühlkanäle 26 aufweisende Verbindungseinrichtung 28 ermöglicht bzw. ermöglichen,
d) eine weitere sich in Längsrichtung des Seitenteils erstreckende Bohrung 29, 29' oder Passage zur Aufnahme eines Befestigungselements wie eine Schraube,
e) mindestens eine und vorzugsweise zwei seitlich abstehende Nasen 46, 48 auf der der seitlichen Öffnung bzw. den seitlichen Öffnungen entgegengesetzten Seite des Hohlprofils, d. h. auf der äußeren Seite des Seitenteils, wobei die Nase bzw. Nasen 46, 48 Nischen 50, 52 bilden, die zur Aufnahme der Haken 54, 56 von Halterungsfedern 58 ausgelegt sind, wobei die, vorzugsweise blattfederartige, Halterungsfedern 58 benachbarte Seitenteile 22 bzw. 24 aneinder halten, beispielsweise derart, dass die Feder 44 des einen Seitenteils in die Nut 42 des oder eines benachbarten Seitenteils hineingedrückt ist.

Anders ausgedrückt sind die Federklammern bzw. Haltefedern 58 deshalb vorgesehen, um die Seitenteile 22, 24 mindestens zweier übereinander gestapelter Etagenelemente 20 aneinander zu halten, wobei die Haltefedern 58 hakenförmige Enden 54, 56 haben, die in formangepassten Nischen 50, 52 der Seitenteile 22, 24 der Etagenelemente 20 eingreifen.
Ferner sieht man sogenannte Turbulatoren 60 in dem Strömungskanal 21, 21' der 1E. Es handelt sich um zusätzliche Teile, die in den Kanälen der Kühlprofile zur Reduzierung des Querschnittes eingesetzt werden. Ziel ist es, von einer laminaren Strömung zu einer turbulenten Strömung zu kommen und damit die Kühlperformance zu steigern. Mindestens ein Turbulator kann in jedem Strömungskanal auf der Eingangsseite und/oder auf der Ausgangsseite vorgesehen werden. Der durch den bzw. die Turbulatoren ansteigende Druckabfall muss bei der Auslegung beachtet werden.
1F zeigt eine mögliche Ausgestalung eines Turbulators 60, mit abwechselnd angeordneten kugelartigten Bereichen größeren Durchmessers und zylindrischen Abschnitten kleineren Durchmessers. Insbesondere sind die Turbulatoren so gestaltet, dass diese eine ständige Wiederholung zwischen verringertem und vergrößertem Querschnitt ausfweisen.
Die 5A & 5B zeigen Darstellungen weiterer Kühlmodule 10. Die 5A zeigt ein Kühlmodul 10 mit installierten Kühlblechen 62 und 5B ein ähnliches Kühlmodul 10 mit integrierten Kühlflügeln 64, deren Konstruktion gemäß der WO 2012/028298 ist. Jede Etage 20 umfasst zumindest ein erstes und ein zweites, je mindestens einen Strömungskanal 21, 21' aufweisendem Seitenteil 22, 24, welche durch einen zu einem U gebogenen Strangpressprofil geformt sind, sodass ein dreiseitiges Etagenelement 20 mit einem durchgeheneden Strömungskanal 21 gebildet ist, sowie aus mindestens einem im Wesentlichen flächigem Element 28 das sich zwischen den Seitenteilen 22, 24 erstreckt. Zwischen den benachbarten mindestens einem flächigem Element 28 benachbarter Etagen 20 ist ein innerer Raum 32, 32' gebildet und die Räume sind zur Aufnahme der Batteriezellen 11, insbesondere von flachen, rechteckigen oder quadratischen Batteriezellen, ausgelegt.
Die 6A & 6B zeigen Explosionszeichnungen der in den 5A & 5B verwendeten Etagen mit zwei einzusetztenden Batteriezellen.
Die in der 5A und 5B gezeigte Konstruktion ist zwar für sich bekannt, kann aber mit den hier beschriebenen mitteln modifiziert werden, um ein verbessertes Kühlmodul 10 zu bilden, z. B. können die Kühlmodule 10 gemäß 5A & 5B etagenweise aufgebaut werden, unter Verwendung von Seitenteilen, die mit entsprechenden Nasen 46, 48 gemäß 1E versehen sind, damit die einzelnen Etagen 20 mit Halteklammern 58 zusammen gehalten werden können.
Ein Beispiel für die oben erwähnten Isolierschalen 40 ist in der 7 gezeigt. Die Isolierschalen können einerseits mit dem Kühlmodul 10 gemäß einer der 1A bis 1G, 2A bis 2C, 3A bis 3C 4A bis 4C, bei denen Kühlkanäle 26 aufweisende Verbingunsplatten 28 zum Einsatz gelangen, andererseits auch mit Kühlmodulen 10 gemäß 5A oder 5B verwendent werden.
Die Isolierschalen 40 dienen verschiedenen Zwecken. Zum Beispiel bei einem Kühlmodul 10 gemäß 3A bis 3C bzw. 4A bis 4C werden sie an der Verbindungseinrichtung 28 befestigt, z. B. mittels eines Klebstoffs, und dienen somit als eine Wandung der Kühlkanäle 26 der Verbindungseinrichtung 28.
Wenn die Isolierschalen 40 mit Etagenelementen gemäß 3A bis 3C bzw. 4A bis 4C verwendet werden, werden die Isolierschalen 40 auf die Oberseite und die Unterseite der mit den Seitenteilen 22, 24 integralen Verbindungseinrichtung 28 geklebt, wodurch die Öffnungen für die Schieber abgedichtet werden.
Bei diesen Kühlmodulen 10 und bei den weiteren bisher beschriebenen Kühlmodulen 10 der 1A bis 1G, 2A bis 2C, 5A und 5B bilden sie zumindest eine zusätzliche elektrische Isolation zwischen den Batteriezellen 11 und dem Kühlmodul 10.
Ferner können sie bei allen Kühlmodulen 10 eine zusätzliche Schutzfunktion für die Batteriezellen 11 übernehmen.
Die Isolierschalen 40 werden vorzugsweise in einem Tiefziehprozess aus PET-Folie hergestellt und werden sowohl gegen die Zelle als auch gegen die Kühlung, d. h. z. B. die Verbindungseinrichtung 28, bzw. die Kühlflügel oder Kühlbleche verklebt. Sie sollten eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen, um ihren Einfluss auf die Kühlperformance zu minimieren. Sie haben einen geschlossenen Boden mit einem umlaufenden Rand, an dessen Vorderseite Aussparungen für die Zelltabs durch z. B. einen Stanzprozess eingebracht werden.
Die Verwendung von Isolierschalen 40, die oben in Zusammenhang mit den Ausführungen gemäß den 3A bis 3C und 4A bis 4C beschrieben wird, ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern käme bei jeder Ausführungsform in Frage, bei der ein Aufnahmeraum 32, 32' oberhalb und unterhalb einer Verbindungseinrichtung 28 gebildet wird und bei allen anderen denkbaren Konstruktionen, die Aufnahmeräume für die Batteriezellen aufweisen.
Die 8 zeigt beispielsweise eine Zeichnung ähnlich der 12 der WO 2012/028298 , bei der je eine Batteriezelle auf jeder Kunststoffschale eines Etagenelements aufgeklebt ist. Die aufgestapelten Etagenelemente mit Isolierschalen und Batteriezellen sind dann entsprechend der 9 zu verstehen. Wie solche Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengeschaltet werden, ist ausführlich in der Schrift WO 2010/121831 beschrieben, deren diesbezüglicher Inhalt zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht und hier nicht weiter erläutert wird.
Anstatt die Batteriezellen in die einzelnen Etagenelemente (in deren Aufnahmeräume 32 und 32') aufzunehmen und die Etagenelemente dann zu einem Stapel 45 zusammenzusetzen, ist es auch möglich, den Stapel 45 erst auszubilden und die Batteriezellen 22 nach dem Fertigstellen des Stapels 45 in dessen Fächer einzusetzen, die jeweils durch zwei Aufnahmeräume 32 und 32' zweier benachbarter Etagenelemente gebildet werden. Dabei können auch weitere Batteriezellen in den verbleibenden obersten Aufnahmeraum 32 des obersten Etagenelements und in den untersten Aufnahmeraum 32' des untersten Etagenelements eingesetzt werden.
Egal welche Vorgehensweise gewählt wird, werden die Aufnahmeräume 32 und 32' durch die Aufnahme von insbesondere flachen rechteckigen oder quadratischen Batteriezellen gefüllt.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlmoduls 10 eines aus wiederaufladbaren Zellen bestehenden Batteriemoduls mit den Schritten:

a) Herstellung mehrerer gleichartiger Etagenelemente 20, wobei jedes Etagenelement aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal 21, 21' aufweisenden Seitenteil 22, 24 sowie aus einer Kühlkanäle 26 aufweisenden Verbindungseinrichtung 28, deren Kühlkanäle 26 sich zwischen den Strömungskanälen 21, 21' der Seitenteile 22, 24 erstrecken,
b) Bildung eines Stapels 45 aus den Etagenelementen 20,
c) Einführung der Zellen in Räume 32, 32', die von den Verbindungseinrichtungen 28 und den Seitenteilen 22, 24 definiert sind,
d) Anbringung eines Strömungsverteilers 12 auf der Eingangsseite des Stapels an den dortigen Seitenteilen 22 und Anbringung eines Sammlers 14 auf der Ausgangsseite des Stapels 45 an den dortigen Seitenteilen 24,
e) Verschließen der Strömungskanäle 21, 21' der Seitenteile 22, 24 auf den dem Strömungsverteiler 12 bzw. dem Sammler 14 abgewandten Enden der Strömungskanäle 21, 21' der Seitenteile 22, 24 und
f) Anbringung von Halteklammern 58 bzw. Haltefedern, um die Etagenelemente 20 aneinander zu halten.

Bei diesem Verfahren wird/werden entweder

g) jeweils eine Zelle auf jeder Seite jeder Verbindungseinrichtung 28 angebracht und die Etagenelemente 20 anschließend zu einem Stapel zusammengesetzt, oder
h) die Etagenelemente 20 zu einem Stapel 45 zusammengesetzt und die Zellen erst nachträglich in von jeweils zwei benachbart angeordneten Etagenelementen 20 gebildete Räume 32, 32' eingeführt, grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit eine oder mehrere Batteriezelle(n) in jeden Raum einzuführen, bevorzugt werden zwei Batteriezellen pro Raum 32, 32' eingeführt.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren auch den weiteren Schritt:

j) der Anbringung von Isolierschalen 40 an den beiden Seiten der Verbindungseinrichtungen 28 und an den Flachseiten der Batteriezellen, wobei die Isolierschalen 40 vorzugsweise vor dem Zusammensetzen der Etagenelemente 20 zu einem Stapel 45 auf diese aufgebracht werden und die entsprechenden Batteriezellen erst dann auf die freiliegende Seite der Isolierschalen 40 aufgebracht werden oder die Isolierschalen 40 je eine auf einer Seite einer Zelle aufgebracht werden und anschließend die freie Seite der Isolierschale 40 auf eine Verbindungseinrichtung 28 eines einzelnen Etagenelements 20 oder zwei aneinander gelegten Zellen mit ihrer Isolierschalen 40 nach außen in einen zwischen zwei benachbarten Verbindungseinrichtungen 28 zweier benachtbarter Etagenelemente 20 gebildeten Raum 32, 32' eingeführt werden.

10 zeigt ein Etagenelement 20 mit Kühlflügeln 64 gemäß des Kühlmoduls 20 nach 5B. In dem Raum, der zwischen den Kühlflügeln 64 in der Ebene der Kühlflügel 64 gebildet wird, ist eine Brandschutzelement 66 angeordnet. Es handelt sich um ein nicht brennbares, thermisch isolierendes Material, dass zwischen den Batteriezellen 11 einer doppelten Zellenanordnung bestehend aus dem Etagenelement 20 mit jeweils einer Batteriezelle 11 oberhalb und unterhalb der Kühlflügel 64 (hier ist nur die obere Batteriezelle 11 schematisch mit gestrichelten Linien angedeutet) angeordnet wird.
In diesem Zusammenhang kann auch ein schwer entflambares Material oder ein Material welches sich unter Wärmeinfluss aufbläht, um die Zellen thermisch besser voneinander zu isolieren, zwischen den Batteriezellen 11 einer doppelten Zellenanordnung angeordnet werden.
Gegebenenfalls können bei einem solchen Etagenelement 20 zwei Isolierschalen (wie 40 – nicht gezeigt) zwischen den Batteriezellen 11 und den Kühlfügeln 64, bzw. den Brandschutzelement 66 angeordnet werden. Das Brandschutzelement 66 sollte beim Brand einer Zelle die Brandausbreitung zwischen benachbarten Batteriezellen 11 verhindern und kann darüber hinaus einer zusätzlichen mechanischen Fixierung der Batteriezellen 11 dienen.
Als Brandschutzelement 66 kann z. B. ein Silikatfaserplatte, eine Platte aus einem Blähschaum der sich bei Temperatureinwirkung aufbläht, eine Mineralfaserplatte, eine Stahltplatte oder eine Aluminiumplatte verwendet werden.
Solche Brandschutzelemente 66 können auch zwischen benachbarten Batteriezellen 11, und/oder zwischen der obersten Batteriezelle und einem Deckel des Kühlmoduls 10 (siehe 12B), und/oder zwischen der untersten Batteriezelle und einem Boden des Kühlmoduls 10 (nicht gezeigt), und/oder an der Frontseite des Kühlmoduls 10 zwischen den elektrischen Anschlußreihen bestehend aus den elektrischen Anschlüßen der Batteriezellen 11 und den Abstandselementen, sowie außerhalb dieser Anschlußreihen auf der den Batteriezellen 11 zugewandeten Seite der das Batteriemanagementsystem tragende Platine.
Ferner zeigt die 10 ein Stabilisierungselement 68, das zwischen den gegenüberliegenden Seitenteilen 22, 24 eines Etagenelements 20 angeordent ist. Solch ein Stabilisierungselement 68 verhindert ein Auseinanderspreizen der Seitenteile 22, 24. Auch wird die (mechanische) Druckfestigkeit eines Kühlmoduls durch die Verwendung eines Stabilisierungselements 68 erhöht.
Besonders günstig ist es, wenn, wie in der 11 gezeigt, eine aus Kunststoff oder Silikon bestehende Schaumstofflage 70 zwischen zwei Zellen, die in einem Aufnahmeraum angeordnet sind, eingesetzt, wobei aus Gründen der Übersicht nur die Hälfte eines Aufnahmeraums gezeigt und die obere bzw. unter Zelle nicht eingezeichnet ist.
Gegebenenfalls kann ein solche Schaumstofflage auf den obersten und untersten Zellen des Batteriemoduls angebracht werden (nicht gezeigt). Die Schaumstofflage, die auch durch eine andere Art von Dämpfungselement ersetzt werden kann, die eine Dämpfung der Konstruktion erreicht, dient zur zusätzlichen mechanischen Fixierung der Zellen 11, auch bei einem möglichen Vakuumverlust der Batteriezellen 11. Hierzu wird z. B. ein Silikonschaum mit einer definierten Kompressionsfestigkeit in einer definierten Anordnung und Größe (Fläche und Dicke des Materials) auf die Zellen 11 aufgebracht, um diese mit einer definierten Kraft vorzuspannen. Hierbei ist zu beachten, dass die Kompressionsfestigkeit des Schaummaterials so gewählt werden muss, dass die Batteriezellen beim Zusammenbau nicht beschädigt werden, jedoch durch den Silikonschaum so aneinander gehalten werden, dass keine Freiräume entstehen können, und um die Batteriezellen vor äußeren Einwirkungen wie z. B. Stößen zu Schützen.
Der spezifische Schaumstoff wird in einer definierten Anordnung und Größe (Fläche sowie Dicke des Material) auf die Zellen aufgebracht, um diese mit einer definierten Kraft vorzuspannen. Dabei befindet sich der Schaumstoff zwischen jedem doppeltem Pack sowie auf der obersten und untersten Zelle.
Als Schaumstoff kann auch ein Material verwendet werden, das auch eine Brandschutzfunktion aufweist, so dass es sich bei dem Brandschutzmaterial 66 und dem Dämpfungslement 70, um das gleiche Material handeln kann.
Bei der Verwendung eines Brandschutzmaterial 66 und/oder eines Dämpfungslement 70, wird der Bauraum eines Batteriemodules im Idealfall nicht vergrößert.
Der Schaumstoff 70 steigert auch die Fähigkeit der Batterie, Druckkräfte aufzunehmen.
Wie in den 12A, 12B und 12C gezeigt wird ferner ein Gehäuse 80, ein ein dreiteiliges Gehäuse mit einer Vorderseite 84 (siehe z. B. 13A), einem nach innen vorgewölbten Deckel 82 (siehe 12B und 12C) oberhalb des Stapels 45 und einem gegebenfalls nach innen vorgewölbtem Boden (nicht gezeigt) unterhalb des Stapels 45 verwendet. Hierdurch wird eine Durchbiegung der Gehäuseplatten bei Kraftaufbringung von Innen ausgeglichen, sodass im eingebauten Zustand der Deckel 82 und der Boden, d. h. die Gehäuseplatten, nach Aufnahme der von den Dämpfungselementen ausgehenden Kräfte nich mehr konkav gewölbt sondern Flach sind.
Ziel ist, dass keine Durchbiegung nach außen entsteht. Bei idealer Auslegung entsteht eine glatte, nicht gewölbte Außenfläche.
Ferner kann, wie in den 13A und 13B gezeigt, in mindestens einem Teil des Gehäuses, hier in der Vorderseite 84 des Gehäuses 80, mindestens ein definiert geschwächter Bereich 90 im Gehäuse 80, d. h. eine Sollbruchstelle, vorgesehen werden. Dieser Bereich öffnet sich durch Materialbruch bei im Batteriemodul 10 herschenden Überdruck. Dieser geschwächte Bereich ermöglicht ein Ausgasen in einem vorgegebenen Bereich.
13A zeigt eine Rückansicht der Vorderseite 84 des Gehäuses 80, mit von einer planaren Außenseite in Richtung der Innenseite des Kühlmoduls 10 erstreckenden, waagrechten und senkrechten Versteifungsrippen 86. Die Versteifungsrippen sind in einer gekreuzten Anordnung vorgesehen.
13B zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III der 13A. In dieser Schnittzeichnung ist ersichtlich, das manche Versteifungsrippen 86 mit Kerben 88 versehen sind, um die Sollbruchstellen auszubilden.
14A zeigt eine Darstellung eines Batteriemoduls 1 mit einer installierten Platine 92 eines Batteriemanagementsystem. Um die Platine 92 mit den Batteriezellen 11 elektrisch leitend zu verbinden wird die Platine direkt mit den Anschlüßen der Batteriezellen 11 in kontakt gebracht und mittels Schrauben 94 mit diesen verschraubt.
14B zeigt einen Teilschnitt durch eine Schraube 94 entlang der Schnittebene IV-IV gemäß 14A. Die Schrauben 94 befestigen die Platine 92 an den Abstandselementen 96 der aus Abstandselementen 96 und den Batteriezellenanschlüßen bestehenden Anschlußreihen, die durch senkrecht verlaufende Spannbolzen 98 zu einem Spannverbund zusammengepresst werden. Ein solches Batteriemanagementsystem und dessen Verbdinung zu den Batteriezellen 11 wird in der WO 2010/121829 im Detail beschrieben.
Zwischen der Platine 92 und den Abstandselementen sind mehrere Federkontakte 100 vorgesehen. Diese sind haben im Wesentlichen die Form von Haarnadelfedern 100 mit einer Nase 102 an einem Schenckel 104, die Nase 102, die in entsprechende Nuten 106 der Abstandselemente eingreifen und einen sicheren Kontakt zwischen den Abstandselementen und der Platine bewerkstelligen.
Bevorzugt liegen die Federkontakte mit ihrem zweiten Schenckel 108 an leitenden Bereichen der Platine 92 an. Diese zusätzlichen Federkontakte 100 bilden zusätzlich, zu den durch die Schrauben 94 und den leitenden Abstandselementen gebildeten Messpfade, redundante Messpfade des Batteriemanagementsystems.
Ziel der redundanten Messpfade ist der Funktionserhalt der Messpfade auch bei Außfall einer Schraubverbindung (erster Messpfad) als Hauptmesspfad. Beim herstellen der Platine der Batteriemodule 1 können die Federkontakte 100 in einem Bestückungsautomaten aufgebracht werden
Die Nuten 106 der Abstandselemente 96 stellen sicher, dass das Batteriemanagementsystem planar auf dem Spannverbund sauber aufliegen kann.
Die 15A & 15B zeigen schematische Dartstellungen der Anbringung eines Temperatur- und/oder Wachstumsfühlers 110, 112 zwischen benachbarten Batteriezellen 11 eines Batteriemoduls 1.
Diese ermöglichen eine Temperaturmessung und/oder Wachstumsmessung (Dickenzunahme) direkt an den Batteriezellen 11. Zum Zweck der Temperaturmessung werden Temperatursensoren 110 an sogenannten Flexleitern 114 zwischen den Batteriezellen 11 eingesetzt. Die Flexleiter(n) 114 wird bzw. werden an geeigneten Stellen der Platine 92 des Batteriemanagementsystems für die Temperatur- und/oder Wachstumsmessung angeschlossen.
Beispielsweise können die Temperatursensoren 110 durch sogenannte NTC-Widerstände (im englischen: negative temperature coefficient thermistors) gebildet werden. Die Temperatursensoren 110 können an jeder Batteriezelle 11 vorgesehen werden. Werden aber mittels eines Isolationsschaums thermische voneinander getrennt.
Zur Wachstumsmessung werden Kontaktflächen mit Abstandshalter aus Kompressionsschaum versehen. Bei Zellwachstum kommt es zur Komprimierung des Schaums und damit zu einer Verbindung der beiden Kontaktflächen, die dem Batteriemangamentsystem mitgeteilt wird.
Als Wachstumssensoren 112 können als Alternative Drucksensoren verwendet werden. Auch die Wachstumssensoren 112 werden mit entsprechenden Flexleitern 114 an geeigneten Stellen der Platine 92 des Batteriemanagemenstystems angeschlossen. Die Temperatursensoren sowie die Drucksensoren können auch gemeinsam auf einer Flexleiter bestückt werden.
Geometrische Ausdrücke, wie z. B. oben oder unten, werden stets in Bezug auf eine hier gezeigte Ausführungsform und deren Anordnung in der jeweiligen Figur verwendet. Es versteht sich von selbst, dass die Ausführungsformen in ihrer geometrischen Lage verändert werden können.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
10: Kühlmodul
11: Zellen, Batteriezellen
12: Verteiler
14: Sammler
16: Anschluss, Eingangstülle
18: Anschluss, Ausgangstülle
20: Etagenelement
21, 21': Strömungskanal
22: Seitenwand
23: offene Bereiche
24: Seitenwand
25: Dichtungen
26: Kühlkanäle
27: Schrauben
28: Verbindungseinrichtung
29, 29': Bohrung, Loch
30: Rückseite
31: Platte
32, 32': Freiraum
40: Isolierschalen
42: Nut
44: Feder, Schenkel, Steg
45: Stapel
46: Nase
48: Nase
49: Löcher
50: Nische
52: Nische
54: hakenförmiges Ende
56: hakenförmiges Ende
58: Halteklmmer
60: Turbulator
62: Kühlblech
64: Kühlflügel
66: Brandschutzelemente
68: Stabilisierungselement
70: Schaumstoff
80: Gehäuse
82: Deckel
84: Vorderseite
86: Versteifungsrippen
88: Kerben
90: geschwächter Bereich, Berstbereich
92: Platine
94: Schrauben
96: Abstandelemente
98: Spannbolzen
100: Federkontakte
102: Nase
104: Schenckel
106: Nut
108: Schenckel
110: Temperatursensor
112: Wachstumssensor
114: Flexleiter

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 2012/028298 [0002, 0011, 0037, 0068, 0068, 0091, 0101]
WO 2102/028298 [0027]
WO 2010/121831 [0101]
WO 2010/121829 [0125]

Claims

Etagenelement (20) für ein aus mehreren Etagenelementen (20) zusammengesetztes Kühlmodul (10), insbesondere eines Kühlmoduls einer aus mehreren Zellen (11) bestehenden wiederaufladbarer Batterie, wie z. B eine Lithiumionenbatterie, wobei jedes Etagenelement (20) aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24) sowie aus einer Kühlkanäle (26) aufweisenden Verbindungseinrichtung (28) besteht, deren Kühlkanäle (28) sich zwischen den Strömungskanälen (21, 21)' der Seitenteilen (22, 24) erstrecken.
Etagenelement nach Anspruch 1, wobei die Verbindungseinrichtung (28) in etwa in der Mitte jedes Seitenteils (22, 24) angesetzt ist und je ein Freiraum (32, 32)' oberhalb und unterhalb der Verbindungseinrichtung (28) und zwischen den Seitenteilen (22, 24) gebildet ist.
Etagenelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Etageneelement (20) in Draufsicht bevorzugt quadratisch oder rechteckig ist und insbesondere in Draufsicht polygonal ausgeführt sein kann.
Etagenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, dass es aus zumindest einem der nachfolgenden Konstruktionen besteht: a) ersten und zweiten extrudierten oder spritzgegossenen Seitenteilen (22, 24) in Form von Kunststoffprofilen sowie einer extrudierten oder spritzgegossenen, dünnwandigen Verbindungseinrichtung (28), vorzugsweise eine Verbindungsplatte (28), mit mehreren in Vergleich zu dem Querschnitt der Stömungskanälen kleineren Querschnitten aufweisenden Kühlkanälen (26), wobei die Seitenteile (22, 24) und die Verbindungseinrichtung (28) durch z. B. Heißgas- oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt werden, oder b) ersten und zweiten als Strangpressprofile ausgebildeten Seitenteilen (22, 24) aus Metall mit einer dünnwandigen, an diese hartgelöteten Verbindungseinrichtung (28), vorzugsweise eine Verbindungsplatte (28), mit mehreren im Vergleich zu dem Querschnitt der Strömungskanäle (21, 21') kleineren Querschnitten aufweisenden Kühlkanälen, wobei die Seitenteile (22, 24) und die Verbindungseinrichtung (28) durch Löten, Schweißen oder Kleben aneinander befestigt werden, oder c) eines Kühlkörpers (22, 24, 28) in Druckgussausführung
Etagenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit je zwei Isolierschalen (40), die auf zumindest eine, bevorzugt auf beide Seite(n) der Verbindungseinrichtung (28) geklebt sind.
Etagenelement nach Anspruch 5, wobei die Kühlkanäle (26) an mindestens einer Seite offen sind und von einer angeklebten Isolierschale (40) abgedichtet sind.
Etagenelement nach Anspruch 6, wobei je eine Batteriezelle auf jeder Isolierschale aufgeklebt ist.
Kühlmodul bestehend aus mehreren aufeinandergestapelten Etagenelementen (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kühlmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den benachbarten Verbindungseinrichtungen (28) benachbarter Etagenelemente (20) ein innerer Raum (32, 32') gebildet ist und die Räume zur Aufnahme von Batteriezellen (11) insbesondere von flachen, rechteckigen oder quadratischen Batteriezellen ausgelegt sind.
Kühlmodul nach Anspruch 8 oder 9, wobei Haltefedern (58) vorgesehen sind, die die Seitenteile (22, 24) von mindestens zwei übereinander gestapelten Etagenelementen (20) aneinander halten, wobei die Haltefedern (58) hakenförmige Enden (54, 56) haben, die in formangepassten Nischen (50, 52) der Seitenteile (22, 24) der Etagenelemente (20) eingreifen.
Kühlmodul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Strömungskanäle (21) jedes Seitenteils (22) auf der Eingangsseite des Kühlmoduls (10) mit einem Kühlflüssigkeit führenden Verteiler (12) und die Strömungskanäle jedes Seitenteils (24) auf der Ausgangsseite des Kühlmoduls (10) mit einem Kühlflüssigkeit führenden Sammler (14) in Fluiverbindung steht.
Etagenelement bzw. aus mehreren Etagenelementen bestehendes Kühlmodul (10), wobei mindestens ein Turbulator (60) in jedem Strömungskanal auf (21, 21') der Eingangsseite und/oder auf der Ausgangsseite des Kühlmoduls vorgesehen ist.
Etageneelement bzw. Kühlmodul nach Anspruch 12, wobei der Turbulator (60) so gestaltet ist, dass es eine ständige Wiederholung zwischen verringertem und vergrößertem Querschnitt gibt.
Seitenteil zur Anwendung in einem Etagenelement eines Kühlmoduls, insbesondere jedoch nicht ausschließlich in einem Etagenelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seitenteil (22, 24) als Hohlprofil realisiert ist, das folgende Merkmale aufweist: a) an einer Längsseite eine U-förmige Nut (42), b) an der anderen Längsseite einen Steg (44), der in die U-förmige Nut (42) eines benachbarten Seitenteils (22, 24) einpasst, c) einen hohlen Bereich der einen Strömungskanal (21, 21') definiert mit einer seitlichen Öffnung oder mehreren seitlichen Öffnungen, die eine Fluidverbindung zu einem weiteren Fluid führenden Element, d. h. eine Kühlkanäle (26) aufweisende Verbindungseinrichtung (28) ermöglicht bzw. ermöglichen, d) eine weitere sich in Längsrichtung des Seitenteils (22, 24) erstreckende Bohrung (29, 29)' oder Passage zur Aufnahme eines Befestigungselements wie eine Schraube, e) mindestens eine und vorzugsweise zwei seitlich abstehende Nasen (46, 48) auf der der seitlichen Öffnung bzw. den seitlichen Öffnungen entgegengesetzten Seite des Hohlprofils, d. h. auf der äußeren Seite des Seitenteils (22, 24), wobei die Nase bzw. Nasen (46, 48) Nischen (50, 52) zur Aufnahme der Haken (54, 56) von Halterungsfedern (58) bilden, die benachbarte Seitenteile (22, 24) aneinder halten, beispielsweise derart, dass der Steg (42) des einen Seitenteils (22, 24) in die Nut (44) des oder eines benachbarten Seitenteils (22), (24) hineingedrückt ist.
Seitenteil nach Anspruch 14, wobei mindestens ein Turbulator (60) im Hohlprofil vorgesehen ist und vorzugsweise so gestaltet ist, dass es eine ständige Wiederholung zwischen verringertem und vergrößertem Querschnitt gibt.
Kühlmodul (10) bestehend aus mehreren Etagen (20), wobei das Kühlmodul (10) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (11), wie z. B Lithiumionenbatterien, ausgelegt ist, wobei jede Etage (20) aus zumindest einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24), sowie aus mindestens einem im Wesentlichen flächigem Element (28) das sich planar zwischen den Seitenteilen (22, 24) erstreckt, besteht, wobei zwischen flächigen Elementen (28) benachbarter Etagen (20) innere Räume (32, 32') gebildet sind und die Räume zur Aufnahme der Batteriezellen (11), ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Halterungsfedern (58) vorgesehen sind, die benachbarte Seitenteile (22, 24) aneinder halten.
Kühlmodul (10) bestehend aus mehreren Etagen (20), wobei das Kühlmodul (10) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (11), wie z. B Lithiumionenbatterien, ausgelegt ist, wobei das Kühlmodul (10) aus zumindest einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24), sowie aus mehreren im Wesentlichen flächigen Elementen (28) die sich planar zwischen den Seitenteilen (22, 24) erstrecken, besteht, wobei zwischen benachbarten flächigen Elementen (28) ein innerer Raum (32, 32') gebildet ist und die Räume zur Aufnahme der Batteriezellen (11), ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Isolierschalen zwischen Batteriezellen und flächigen Elementen vorgesehen sind.
Kühlmodul (10) bestehend aus mehreren Etagen (20), wobei das Kühlmodul (10) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (11), wie z. B Lithiumionenbatterien, ausgelegt ist, wobei das Kühlmodul (10) aus zumindest einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24), sowie aus mehreren im Wesentlichen flächigen Elementen (28) die sich planar zwischen den Seitenteilen (22, 24) erstrecken, besteht, wobei zwischen benachbarten flächigen Elementen (28) ein innerer Raum (32, 32') gebildet ist und die Räume zur Aufnahme der Batteriezellen (11), ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul an der oberen Seite mit einem einem nach innen vorgewölbten Deckel (82) und/oder am unteren Seite mit einem nach innen vorgewölbtem Boden versehen ist.
Kühlmodul (10) bestehend aus mehreren Etagen (20), wobei das Kühlmodul (10) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (11), wie z. B Lithiumionenbatterien, ausgelegt ist, wobei das Kühlmodul (10) aus zumindest einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24), sowie aus mehreren im Wesentlichen flächigen Elementen (28) die sich planar zwischen den Seitenteilen (22, 24) erstrecken, besteht, wobei zwischen benachbarten flächigen Elementen (28) ein innerer Raum (32, 32') gebildet ist und die Räume zur Aufnahme der Batteriezellen (11), ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul an mindestens drei Seiten von einem Gehäuse umgeben ist, das mit mindestens einem Berstbereich (90) ausgestattet ist.
Kühlmodul (10) bestehend aus mehreren Etagen (20), wobei das Kühlmodul (10) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (11), wie z. B Lithiumionenbatterien, ausgelegt ist, wobei das Kühlmodul (10) aus zumindest einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisendem Seitenteil (22, 24), sowie aus mehreren im Wesentlichen flächigen Elementen (28) die sich planar zwischen den Seitenteilen (22, 24) erstrecken, besteht, wobei zwischen benachbarten flächigen Elementen (28) ein innerer Raum (32, 32') gebildet ist und die Räume zur Aufnahme der Batteriezellen (11), ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbulator in mindestens einem Strömungskanal auf der Eingangsseite und/oder auf der Ausgangsseite vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlmoduls einer aus wiederaufladbaren Zellen bestehenden Batteriemoduls mit den Schritten a) Herstellung mehrerer gleichartiger Etagenelemente (20), wobei jedes Etagenelement aus einem ersten und einem zweiten, je mindestens einen Strömungskanal (21, 21') aufweisenden Seitenteil (22, 24) besteht sowie aus einer Kühlkanäle (26) aufweisenden Verbindungseinrichtung (28), deren Kühlkanäle (26) sich zwischen den Strömungskanälen (21, 21)' der Seitenteile (22, 24) erstrecken, b) Bildung eines Stapels (45) aus den Etagenelementen (20), c) Einführung der Zellen (11) in Räume (32, 32'), die von den Verbindungseinrichtungen definiert sind, d) Anbringung von einem Strömungsverteiler (12) auf der Eingangsseite des Stapels (45) an den dortigen Seitenteilen (22) und Anbringung eines Sammlers (14) auf der Ausgangsseite des Stapels (45) an den dortigen Seitenteilen (24), e) Verschließen der Strömungskanäle (21, 21)' der Seitenteile (22, 24) auf den dem Strömungsverteiler (12) bzw. dem Sammler (14) abgewandten Enden der Strömungskanälen (21, 21') der Seitenteile (22, 24) und f) Verbindung der Etagenelement (20) mittels Anbringung von Halteklammern (58) bzw. Haltefedern und/oder eines Klebstoffs und/oder mittels Schweisen bzw. Ultraschallschweisen, um die Etagenelemente (20) aneinander zu halten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei g) entweder jeweils eine Zelle (11) auf jeder Seite jeder Verbindungseinrichtung (28) angebracht wird und die Etagenelemente (20) anschließend zu einem Stapel (45) zusammengesetzt werden oder h) die Etagenelemente (20) zu einem Stapel (45) zusammengesetzt werden und die Zellen (11) erst nachträglich in von jeweils zwei benachbart angeordneten Etagenelementen (20) gebildeten Räume (32, 32') eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, mit dem weiteren Schritt: j) der Anbringung von Isolierschalen (40) an zumindest eine, bevorzugt auf beiden Seite(n) der Verbindungseinrichtungen (28) und an den Flachseiten der Batteriezellen (11), wobei die Isolierschalen (40) vorzugsweise vor dem Zusammensetzen der Etagenelementen (20) zu einem Stapel (45) auf diesen aufgebracht werden und die entsprechenden Batteriezellen (11) erst dann auf die freiliegende Seite der Isolierschalen (40) aufgebracht werden oder die Isolierschalen je eine auf einer Seite einer Zelle aufgebracht werden und anschließend die freie Seite der Isolierschale (40) auf eine Verbindungseinrichtung (28) eines einzelnen Etagenelements (20) oder zwei aneinander gelegte Zellen (11) mit ihrer Isolierschalen (40) nach außen in einen sich zwischen zwei benachbarten Verbindungseinrichtungen (28) zweier benachtbarter Etagenelemente (20) gebildeten Raum (32, 32') eingeführt wird.