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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Module für Lithiumionen- und verwandte Batterien und insbesondere Kühlplattensysteme für Batteriemodule, die eine Temperaturschwankung über das Modul und innerhalb einzelner Batteriezellen reduzieren.
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HINTERGRUND
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Lithiumionenbatterien und verwandte Batterien, die gemeinsam als ein wieder aufladbares Energiespeichersystem (RESS von engl.: ”rechargeable energy storage system”) bekannt sind, werden weiterhin als eine reine, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen betrachtet. Insbesondere werden gegenwärtig RESS-Technologien in Kraftfahrzeuganwendungen als ein Weg verwendet, in dem Fall von Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) herkömmliche Brennkraftmaschinen (ICEs) zu ergänzen oder in dem Fall reiner Elektrofahrzeuge (EVs) herkömmliche Brennkraftmaschinen (ICEs) zu ersetzen Die Fähigkeit zur passiven Speicherung von Energie aus stationären und portablen Quellen wie auch von rückgewonnener kinetischer Energie, die durch das Fahrzeug und seine Komponenten bereitgestellt wird, macht Batterien ideal, als Teil eines Antriebssystems für Fahrzeuge, Lastwägen, Busse, Motorräder und verwandte Fahrzeugplattformen zu dienen. In dem vorliegenden Kontext ist eine Zelle eine einzelne elektrochemische Einheit, während eine Batteriepackung aus einer oder mehreren Zellen, die abhängig von der gewünschten Ausgangsspannung und -kapazität seriell, parallel oder beides verschaltet sind, besteht.
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Die Batterietemperatur beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit, Sicherheit sowie die Lebensdauer von Lithiumionenbatterien in Hybridfahrzeugen unter verschiedenen Fahrbedingungen signifikant. Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Batteriepackung kann zu in elektrischem Ungleichgewicht stehenden Modulen und folglich zu einer geringeren Leistungsfähigkeit und kürzeren Batterielebensdauer führen. Infolgedessen erfährt das thermische Management für Lithiumionenbatterien eine zunehmende Aufmerksamkeit von Kraftfahrzeugherstellern und Batteriezulieferern. Hauptsächliche thermische Probleme einer Batteriepackung sind eine Überhitzung und ungleichmäßige Erwärmung innerhalb jeder einzelnen Batteriezelle und über die gesamte Batteriepackung während der Betriebs-Lade/Entlade-Zyklen, was zu einer schnellen Batteriedegradation und Kapazitätsreduzierung von Batteriezellen führen kann. Die Beibehaltung einer gleichförmigen Temperatur in der Batteriezelle ist aufgrund der ungleichförmigen Wärmeerzeugung in der Batteriezelle schwierig. Zusätzlich können die Erwärmungs- und Kühlsysteme eine ungleichförmige Wärmeübertragung aufgrund ihres internen thermischen Widerstandes erzeugen. Es sind Batteriepackungskonstruktionen gewünscht, in denen Batteriezellen in gesteuerten Temperaturbereichen arbeiten.
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Die Konvektionswärmeübertragungsrate von Oberflächen von Batteriekühlplatten sowie die Batteriewärmeerzeugungsrate stellen die zwei grundsätzlichen Parameter dar, die die Temperatur von Batteriezellen beeinflussen. Die Erzeugung von Antriebsleistung von dem RESS erzeugt ebenfalls signifikante thermische Lasten. Somit weist ein RESS-basiertes System bevorzugt ein Kühlsystem auf, um nicht akzeptabel hohe Niveaus an Wärme zu vermeiden, die auf die Batterien und Zusatzausstattung aufgebracht wird. Wenn überschüssige Wärme von diesen wie auch anderen thermisch sensitiven Komponenten weggehalten wird, hilft dies, ihren richtigen Betrieb und eine lange Lebensdauer zu unterstützen. Bei einer bestimmten Form kann ein derartiges Kühlsystem die passive oder aktive Umwälzung eines flüssigen Kühlmittels in, um oder anderweitig thermisch benachbart zu den Batterien oder anderen Wärme erzeugenden Komponenten umfassen.
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Lithiumionen-Hochleistungsbatterien werden in Hybridantriebssträngen verwendet, die außergewöhnlich hohe Dynamik aufweisen. Zu Zeiten einer momentanen Spitzenlast, z. B. während eines Bremsens (Rückgewinnung (Rekuperation) von Bremsenergie) und Beschleunigen (unterstützte Beschleunigung (Starkladung)) müssen Batterien einen hohen Ausgang innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer erzeugen. Diese momentanen Spitzenlastperioden erzeugen kraftvolle elektrische Ströme, die eine signifikante Erwärmung der Li-Ionenzellen aufgrund des Innenwiderstandes bewirken. Bei etwa 95 Prozent ist die Lade- und Entladeeffizienz sehr hoch; jedoch kann die resultierende Abwärme nicht ignoriert werden. gekoppelt mit der Tatsache, dass bei wärmerem Wetter und insbesondere wärmerem Klima die Temperatur des Fahrzeuginnenraumes auf gut über 40°C ansteigen kann, ist ein Betrieb der Li-Ionenbatterien ohne Kühlung keine Option.
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Eine grundsätzliche Herausforderung für ein Batteriemodulkühlsystem besteht darin, eine gleichförmige Wärmeübertragung von den Zellen bereitzustellen, so dass die Temperaturschwankung über die Packung und innerhalb einer Zelle auf einem Minimum gehalten wird. Verschiedene Kühlsysteme abhängig von zirkulierendem Kühlmittel über Kühlkanäle in Kühlplatten, die mit den Batteriezellen in Kontakt stehen, sind in der Technik bekannt. Die Stromerzeugung von Kühlsystemen verlässt sich auf einzelne Platten, die Kühlmittel in einer U-förmigen Strömung zirkulieren und Einlass- und Auslassdurchlässe auf derselben Seite der Platte aufweisen. Wenn das Kühlmittel die Platte überquert, reduziert jedoch die von den Zellen übertragene Wärme die Wärmeübertragungsrate des Kühlmittels, und die Wärmeübertragung ist nicht gleichförmig. Ferner haben die Reibungsverluste in der Einlassleitung und Auslassleitung und ein Druckverlust aufgrund einer Strömungstrennung bei der Kühlplattenbiegung von etwa 90° zur Folge, dass die Durchflüsse der Kühlmittelkanäle an dem vorderen Ende und/oder der Einlass-/Auslassseite höher als die Durchflüsse von Kühlmittelkanälen an dem hinteren Ende sind, was in ungleichförmigen Wärmeübertragungsraten von vorn nach hinten resultiert.
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Innerhalb einzelner Zellen können unakzeptabel hohe Temperaturen aufgrund einer Temperaturschwankung basierend auf einem Kühlplattenkontakt entstehen, wenn eine Kühlung unzureichend oder ungleichförmig ist. Bei hohen Temperaturen verschlechtern sich die Batteriezellen schneller, und ihre Leistungsfähigkeit und Kapazität sind reduziert. Infolgedessen können Zellen ihre vorgeschriebene Spanne einer Lebensdauer von zehn Jahren möglicherweise nicht erreichen. Eine mögliche Alternative besteht darin, die Batterien zu deaktivieren, wenn Temperaturen eine festgelegte Grenze überschreiten. Jedoch würden alle Vorteile des Hybridfahrzeugs – elektrische Aufladung oder Rekuperation von Bremsenergie – dann verlorengehen. Für Fahrzeuge, die ausschließlich mit elektrischer Leistung laufen, wäre dies sogar unmöglich, da die Li-Ionenbatterien die ausschließliche Energiequelle sind.
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Daher ist es erwünscht, ein Batteriemodulkühlsystem zu erzeugen, das einen Druckabfall und Reibungsverlust reduziert und das einen im Wesentlichen gleichförmigen Kühlmitteldurchfluss über das Modul beibehält und das daher eine Temperaturschwankung über die Batteriepackung wie auch innerhalb einzelner Batteriezellen reduziert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Batteriemodulkühlsysteme vor, das eine Temperaturschwankung in Batteriezellen sowie eine maximale Batteriezellentemperatur über das Modul reduziert, eine Temperaturschwankung innerhalb einer einzelnen Zelle reduziert und das einen Gesamtdruckabfall des Batteriekühlsystems reduziert.
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Eine Ausführungsform ist auf ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl verschalteter elektrochemischer Zellen gerichtet, die in einer Kühlplattenbaugruppe angeordnet sind. Die Kühlplattenbaugruppe umfasst zwei nicht angrenzende Kühlplatten, und jede Kühlplatte umfasst eine Seitentafel, die an einer Basistafel angrenzt. Die Kühlplatten sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, so dass die Basistafeln koplanar und durch einen Spalt getrennt sind. Jede Seitentafel umfasst eine Einlassleitung, die über das Batteriemodul von vorn nach hinten entlang eines oberen Randes der Seitentafel verläuft, sowie einen Verteiler, der Kühlmittelkanäle in Fluidkommunikation mit der Einlassleitung umfasst. Jede Basistafel umfasst eine Auslassleitung in Fluidkommunikation mit einem Verteiler; wobei jede Zelle einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt und zwei Seitenabschnitte besitzt, wobei die Zellen in paralleler Ausrichtung in der Kühlplattenbaugruppe angeordnet sind, so dass die Seitenabschnitte in Wärmeübertragungskontakt mit den Verteilern stehen, die unteren Abschnitte in Wärmeübertragungskontakt mit den Auslassleitungen stehen und die oberen Ränder der Seitentafel sich über die oberen Abschnitte der Zellen erstrecken; wobei jede Einlassleitung zumindest einen Einlassdurchlass an der Vorderseite umfasst und jeder Auslassleitungsabschnitt zumindest einen Auslassdurchlass an der Vorderseite umfasst; wobei die Kühlmittelkanäle und -Leitungen so konfiguriert sind, eine Betriebstemperaturschwankung in den Zellen über das Batteriemodul von vorn nach hinten und in jeder Batteriezelle von oben nach unten zu reduzieren. Gemäß spezifischer Ausführungsformen können die Kanäle und Leitungen so konfiguriert sein, einen Reibungsverlust an den Einlass- und Auslassleitungen und einen Druckverlust an der Kühlplattenbiegung zu reduzieren, wodurch ein gleichförmigerer Kühlmitteldurchfluss und eine gleichförmigere Wärmeübertragungsrate über das Modul und in einzelnen Zellen beibehalten wird. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst die Kühlplatte drei Aluminiumlagen, eine Innenlage, eine Außenlage und eine gewellte bzw. geriffelte Aluminiumlage, die zwischen der Innen- und Außenlage angeordnet ist, wobei die Riffelungen Kühlmittelströmungskanäle in dem Verteiler bilden. Die Kühlmittelkanäle und -leitungen können durch Einstellen der relativen Querschnittsfläche der Einlassleitung, des Verteilers und der Auslassleitung und durch Verjüngen oder anderweitiges Formen von Riffelungen in den Kühlmittelkanälen konfiguriert sein, um eine größere Querschnittsfläche zu den oberen Bereichen der Kühlmittelkanäle, die nahe dem hinteren Ende des Verteilers angeordnet sind, relativ zu dem vorderen Ende bereitzustellen.
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Eine andere Ausführungsform ist auf eine Kühlplattenbaugruppe für ein Batteriemodul gerichtet. Die Kühlplatte umfasst zwei nicht angrenzende Kühlplatten, die in einem Metallrahmen angeordnet sind, und jede Kühlplatte umfasst eine Seitentafel angrenzend an eine Basistafel. Die beiden Platten sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, so dass die Basistafeln koplanar und durch einen Spalt getrennt sind. Jede Seitentafel umfasst eine Einlassleitung, die über das Batteriemodul von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende entlang eines oberen Randes der Seitentafel verläuft, sowie einen Verteiler, der Kühlmittelkanäle in Fluidkommunikation mit der Einlassleitung umfasst. Jede Basistafel umfasst eine Auslassleitung in Fluidkommunikation mit einem Verteiler; wobei jede Einlassleitung zumindest einen Einlassdurchlass an dem vorderen Ende umfasst und jede Auslassleitung zumindest einen Auslassdurchlass an dem vorderen Ende umfasst. Die Kühlplatten umfassen jeweils drei Aluminiumlagen, eine Innenlage, eine Außenlage und eine geriffelte Aluminiumlage, die zwischen der Innen- und Außenlage angeordnet ist, wobei die Riffelungen Kühlmittelströmungskanäle in dem Verteiler bilden, und wobei Riffelungen so verjüngt oder gekrümmt sind, dass eine Querschnittsfläche der oberen Bereiche eines oder mehrerer Kühlmittelkanäle an dem hinteren Ende größer als eine Querschnittsfläche an den oberen Bereichen eines oder mehrerer Kühlmittelkanäle an dem vorderen Ende ist.
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Andere Ausführungsformen sind auf Verfahren zum Reduzieren einer Temperaturschwankung über eine Batteriepackung/modul und in einzelnen Zellen der Packung/des Moduls durch Konstruktion und/oder durch Implementierung von Batteriemodulen und Kühlplattensystemen gemäß Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Diese und andere Vorteile, Ausführungsformen und Einzelheiten werden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung, wie unten gezeigt ist, leichter verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Während die Beschreibung mit Ansprüchen schließt, die Ausführungsformen der Erfindung besonders hervorheben und deutlich beanspruchen, wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung aus der folgenden Beschreibung bestimmter Beispiele in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich wird. In den Zeichnungen repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente über die verschiedenen Ansichten, und die verschiedenen Komponenten der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet.
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1A zeigt eine schematische illustrative Ausführungsform eines Batteriemoduls. 1B zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls, das in einem Metallrahmen platziert ist.
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2A zeigt eine einzelne Kühlplattenausführungsform, die relative Stellen von Leitungen, Durchlässen und Verteilerkühlkanälen in einer Orientierung von vorn nach hinten zeigt. 2B zeigt eine schematische Ansicht einer einzelnen Zelle zum Zwecke der Veranschaulichung der Stellen des oberen, seitlichen und unteren Abschnitts relativ zu der Position in dem Batteriemodul.
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3A zeigt eine schematische Schnittansicht der inneren, äußeren und geriffelten Lagen, die eine Kühlplatte und Kanäle darin ausbilden. 3B zeigt einen Schnitt eines einzelnen Kühlkanals, der näher an dem vorderen Ende des Verteilers angeordnet ist, und einen Schnitt eines einzelnen Kühlkanals, der näher an dem hinteren Ende des Verteilers angeordnet ist, um zu zeigen, wie eine Riffelung verjüngt werden kann, um eine größere Querschnittsfläche an dem oberen Bereich des Kanals näher zu dem hinteren Ende bereitzustellen.
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4 zeigt eine Schnittansicht der Orientierung von zwei einzelnen Kühlplatten in einem Kühlplattensystem und relative Querschnittsflächen der Einlassleitung, des Verteilers und der Auslassleitung gemäß gewisser Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sei nicht als für die hier gezeigten Ausführungsformen beschränkend auszulegen. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung von Äquivalenten oder Ersatzmitteln ohne Abweichung von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung geändert oder modifiziert werden. In der folgenden Beschreibung sei angemerkt, dass, wenn die Funktionen herkömmlicher Elemente und die detaillierte Beschreibung von Elementen, die mit der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehen, die vorliegende Erfindung undeutlich machen, eine detaillierte Beschreibung dieser Elemente weggelassen ist.
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Es sei zu verstehen, dass, obwohl die Begriffe ”erste/s/r/n/m”, ”zweite/s/r/n/m” etc. hier dazu verwendet sein können, verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe beschränkt sein sollen. Die Begriffe werden nur dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden.
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Ferner sei angemerkt, dass die hier verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht dazu bestimmt ist, die Erfindung zu beschränken. Wie hier verwendet ist, sind die Singularformen dazu bestimmt, genauso die Pluralformen einzuschließen, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Es sei ferner zu verstehen, dass die Begriffe ”umfasst” und/oder ”umfassend” oder ”aufweisen” und/oder ”einschließen”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet sind, die Anwesenheit festgelegter Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus festlegen, jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Die vorliegende Erfindung sieht Batteriemodule, Kühlplattenbaugruppen und Verfahren vor, die das gut bekannte Problem einer nicht akzeptablen Betriebstemperaturschwankung über das Batteriemodul und in einer einzelnen Batteriezelle im Wesentlichen überwinden.
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Nun wird detaillierter Bezug auf ein Batteriemodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genommen, von der beispielhafte Ausführungsformen in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind. Dieselben Bezugszeichen werden in den Zeichnungen und der Beschreibung dazu verwendet, gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen und die wiederholte Beschreibung derselben oder gleichen Teile kann weggelassen werden.
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 ist ein Batteriemodul 1 mit einer Mehrzahl verschalteter elektrochemischer Zellen 4, die in einer Kühlplattenbaugruppe 2 angeordnet sind, die zwei nicht angrenzende Kühlplatten 6, 8 umfasst, gezeigt. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass unter Verwendung von zwei nicht angrenzenden Kühlplatten anstelle einer einzelnen Kühlplatte eine Einstellung eines Kontaktdrucks zwischen den Zellen und der Kühlplatte auf variable Toleranzen möglich wird. Ein richtiger Kontaktdruck an jeder Seite der Batteriepackung von Zellen ist wesentlich für eine gleichförmige Wärmeübertragung. In einer Platte mit fixierter Dimension sind Toleranzen schwierig aufzunehmen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann eine dünne Lage aus weicher Silikonfolie mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen der Kühlplatte und den Batteriezellen angeordnet werden, um den vollen Kontakt, wenn nötig, sicherzustellen. Jede Kühlplatte 6, 8 umfasst eine Seitentafel 10 angrenzend an eine Basistafel 12. Die Basistafel sieht eine zusätzliche Wärmeübertragung an den unteren Abschnitten der Zelle vor, was eine gleichförmige Wärmeübertragung und daher eine Gleichförmigkeit der Temperaturen jeder Zelle unterstützt. Die Kühlplatten 6, 8 sind so entgegengesetzt zueinander angeordnet, dass die Basistafeln 12 koplanar und durch einen Spalt 14 getrennt sind. Der Spalt kann verengt oder erweitert werden, wenn die Kühlplattenbaugruppe eingestellt wird, um einen gleichförmigen Wärmeübertragungskontakt an jeder Seite der Zelle bereitzustellen. Jede Seitentafel 10 umfasst eine Einlassleitung 16, die über das Batteriemodul 1 von vorn nach hinten entlang eines oberen Randes 18 der Seitentafel 10 läuft, sowie einen Verteiler 20, der Kühlmittelkanäle 22 in Fluidkommunikation mit der Einlassleitung 16 umfasst. Jede Basistafel 12 umfasst eine Auslassleitung 24 in Fluidkommunikation mit einem Verteiler 20. Jede einzelne Zelle 4 weist einen oberen Abschnitt 26, einen unteren Abschnitt 28 und zwei Seitenabschnitte 30 auf und die Zellen sind in paralleler Ausrichtung in der Kühlplattenbaugruppe 2 angeordnet, so dass die Seitenabschnitte 30 in Wärmeübertragungskontakt mit einem Verteiler 20 stehen und die unteren Abschnitte 28 in Wärmeübertragungskontakt mit einer Auslassleitung 24 stehen. Die oberen Ränder 18 der Seitentafel 10 erstrecken sich über die oberen Abschnitte 26 der Zellen 4. Jede Einlassleitung 16 umfasst zumindest einen Einlassdurchlass 32 an der Vorderseite, und jede Auslassleitung 24 umfasst zumindest einen Auslassdurchlass 34 an der Vorderseite; wobei die Kühlmittelkanäle 22 und die Leitungen 16, 24 derart konfiguriert sind, eine Betriebstemperaturschwankung in den Zellen 4 über das Batteriemodul 1 von vorn nach hinten und in jeder Batteriezelle 4 von oben 26 zu unten 28 zu reduzieren.
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Allgemein weisen Typen von wiederaufladbaren Batteriezellen runde Zellen, prismatische Zellen sowie Beutel- oder Kaffeepackungszellen auf. Die Geometrie einer prismatischen Zelle ist typischerweise rechtwinklig, und die Zelle kann flach gepackt sein, beispielsweise in einem rechtwinkligen Aluminiumgehäuse. In Beutel- oder Kaffeepackungszellen sind die einzelnen Schichten aus aktivem Material gestapelt oder gefaltet und beispielsweise in einem flexiblen Aluminiumverbundstofffilm gepackt. Praktischerweise sind für die Kühleffizienz prismatische oder Beutelzellen zur Verwendung in Fahrzeugen am meisten geeignet. Ein bevorzugter Batteriezellentyp gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist eine prismatische Zelle. Die Metalldose, die um die Zelle angeordnet ist, sieht eine Kontaktfläche für die Kühlplatte an den Zellenseiten und unteren Abschnitten vor, was eine größere Möglichkeit für eine thermische Regulierung bereitstellt.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist einzigartig ausgelegt, um eine gesamte gleichförmige Wärmeübertragung bereitzustellen. Herkömmlichen Konstruktionen mangelt es an Gleichförmigkeit über das Modul von vorn nach hinten (entlang der parallelen Ausrichtung von Zellen) und mangelt es ferner an Gleichförmigkeit in jeder einzelnen Zelle, wobei typischerweise eine Wärmeübertragung von einem oberen Abschnitt zu einem unteren Abschnitt der Zelle reduziert ist. Um eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeübertragung über das Modul zu erreichen, ist es wichtig, einen im Wesentlichen gleichförmigen Kühlmitteldurchfluss von Kühlmittelkanälen von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende zu erreichen.
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Aufgrund von Reibungsverlusten an den Einlass- und Auslassleitungen und einem Druckverlust an der Kühlplattenbiegung verlangsamt sich eine Strömungsgeschwindigkeit so, dass die Strömungsgeschwindigkeit in Kanälen näher an dem vorderen Ende größer als die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit in Kühlmittelkanälen näher an dem hinteren Ende ist.
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Ein Druckverlust ist als der Gesamtenergieverlust pro Masseneinheit definiert. Er ist gleich zu einem Gesamtdruckabfall multipliziert mit einer Fluiddichte, die eine konstante Fluidhöhe aufweist. Ein Druckverlust aufgrund von Reibung wird speziell als Reibungsverlust bezeichnet. Ein Druckverlust tritt auch mit einer Strömung durch ein angewinkeltes Rohr oder eine angewinkelte Leitung oder eine plötzliche Expansion/Kontraktion in der Strömung auf.
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Jede Kühlplatte 6, 8 umfasst drei Aluminiumlagen, eine Innenlage 35, eine Außenlage 36 und eine geriffelte Aluminiumlage 38, die zwischen der Innenlage 35 und Außenlage 36 angeordnet ist, wobei die Riffelungen 40 Kühlmittelströmungskanäle 22 in dem Verteiler 20 bilden. Der Verteiler kann beispielsweise unter Verwendung einer AluminiumRiffelung und zwei Aluminiumplatten geformt sein, um die Kosten zu reduzieren. Die Anwesenheit, Form und/oder Dicke einer Riffelung kann geändert werden, um den Durchfluss durch einen Kanal zu beeinflussen. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen können die Riffelungen in den Kühlkanälen an dem Verteiler vorhanden sein, jedoch nicht an den Einlass- oder Auslassleitungen. Eine Temperaturschwankung kann durch Konfigurieren der Kühlkanäle 22 und Leitungen 16, 24 reduziert werden, um eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeübertragung von den Seitenabschnitten 30 der Zellen 4 zu der Kühlplatte 6, 8 über das Batteriemodul 1 von vorn nach hinten bereitzustellen und eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeübertragung von jeder Batteriezelle 4 zu der Kühlplatte 6, 8 von dem oberen Abschnitt 26 zu dem unteren Abschnitt 28 und von dem Seitenabschnitt 30 zu dem Seitenabschnitt 30 bereitzustellen. Das bevorzugte Kühlmittel umfasst eine Flüssigkeit.
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Bei typischen Batteriemodulen, die in der Technik bekannt sind, kann eine Kühlplatte entlang jeder Seite einer Ausrichtung von Batteriezellen angeordnet sein, wobei jeder Plattenverteiler Zellenkanäle aufweist, die eine Strömung vorwiegend von einem Einlassdurchlass an dem vorderen oberen Bereich zu einem Auslassdurchlas an dem vorderen unteren Bereich lenken. Infolgedessen bewirken die Reibungsverluste in der Einlassleitung und der Auslassleitung und der Druckverlust aufgrund einer Strömungstrennung an der 90° Kühlplattenbiegung, dass der Kühlmitteldurchfluss in den Kanälen näher zu den Durchflüssen (vorderes Ende) größer als der Durchfluss in Kanälen näher zu dem hinteren Ende ist.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können Konfigurationen an den Kanälen so ausgebildet sein, dass die Reibungsverluste in der Einlassleitung und Auslassleitung und der Druckverlust an der (90°) Kühlplattenbiegung reduziert werden. Ein Reibungsverlust an der Auslassleitung ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit^2 davon. Die Kühlmittelströmung ist gleich einer Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit einer Querschnittsfläche. Vorausgesetzt, dass der Durchfluss an dem Auslassdurchlass gesteuert ist, verringert ein Erhöhen eines Querschnitts der Auslassleitung relativ zu den Verteilerkühlkanälen die Strömungsgeschwindigkeit an der Auslassleitung, was in einer wesentlichen Abnahme des Reibungsverlustes an der Auslassleitung resultiert. Demgemäß ist die Schwankung des Durchflusses von Kühlmittelkanälen von der Vorderseite zu der Rückseite des Moduls reduziert. Der Druckverlust an der 90° Kühlplattenbiegung ist proportional zu der Summe des Quadrats der Strömungsgeschwindigkeit einzelner Kühlmittelkanäle. Daher reduziert die Gleichförmigkeit des Durchflusses von Kühlmittelkanälen den Druckverlust an der 90° Kühlplattenbiegung. Die Reduzierung des Druckverlustes an der 90° Kühlplattenbiegung vermindert andererseits weiter die Schwankung des Durchflusses von Kühlmittelkanälen durch das Modul.
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Bei einer spezifischen Ausführungsform können Kühlmittelkanäle 22 so konfiguriert sein, dass ein Reibungsverlust an der Einlassleitung 16, ein Reibungsverlust an der Auslassleitung 24 und ein Druckverlust an der 90°-Kühlplattenbiegung im Wesentlichen reduziert werden. Insbesondere kann die Differenz des Drucks an dem oberen Bereich 50 und unteren Bereich 52 eines Kanals in Kanälen über den Verteiler von dem vorderen Ende 54 zu dem hinteren Ende 56 reduziert sein. In spezifischen Ausführungsformen können Kühlmittelkanäle 22 so konfiguriert sein, einen Druck an dem unteren Bereich 52 von Kühlmittelkanälen an dem hinteren Ende 56 des Verteilers 20 zu reduzieren.
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Mit besonderem Bezug auf 3 umfasst bei weiteren Ausführungsformen die mittlere Lage 38 der Kühlplatte 22 Riffelungen 40 und die Riffelungen können dazu verwendet werden, die vertikalen Querschnittsflächen von Strömungskanälen 22 zu ändern. Genauer können die Riffelungen dazu verwendet werden, Querschnittsflächen an den oberen Bereichen von Strömungskanälen, die näher an dem hinteren Ende 56 angeordnet sind, relativ zu dem vorderen Ende 54 zu erhöhen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Riffelung nur in dem Verteiler 20 installiert und erstreckt sich nicht in die Einlass- oder Auslassleitungen. Verjüngte, gekrümmte oder geformte Riffelungen können dazu verwendet werden, an den oberen Bereichen der Strömungskanäle näher dem hinteren Ende relativ zu dem vorderen Ende die Querschnittsfläche zu erhöhen oder die Strömungsgeschwindigkeit zu vermindern, was in einer Abnahme des Reibungsverlustes der oberen Bereiche der Strömungskanäle näher zu dem hinteren Ende und dem Nettoeffekt der Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses in Kanälen näher zu dem hinteren Ende resultiert. Daher sind die Durchflüsse durch einzelne Kanäle über das Modul im Wesentlichen gleichförmig und der Gesamtdruckabfall des gesamten Kühlsystems ist weiter reduziert. Genauer sind Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Riffelungen 40 verjüngt oder gekrümmt sind, so dass eine Querschnittsfläche des/der oberen Bereiche 50 eines oder mehrerer einzelner Kühlmittelkanäle an dem hinteren Ende 56 größer als eine Querschnittsfläche des/der oberen Bereiche 50 eines oder mehrerer einzelner Kühlmittelkanäle an dem vorderen Ende 54 ist und genauer Riffelungen 40 verjüngt oder gekrümmt sein können, um einen Reibungsverlust an dem/den oberen Bereichen eines oder mehrerer Kühlmittelkanäle an dem hinteren Ende 56 zu reduzieren und ferner Kühlmitteldurchflüsse durch einzelne Kanäle 22 über das Modul auszugleichen. Die Querschnittsfläche eines Mittelabschnitts 51 eines Kühlkanals 22 und die Querschnittsfläche an einem unteren Abschnitt 52 eines Kühlkanals können in jedem Kanal von dem vorderen Ende 54 über das hintere Ende 56 des Verteilers 20 gleich sein.
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Die Kühlmittelkanäle 22 und Leitungen 16, 24 können derart konfiguriert sein, eine Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit einzustellen, um Reibungsverluste an der Einlassleitung 16 und Auslassleitung 24 und einen Druckverlust aufgrund einer Strömungstrennung an der 90° Kühlplattenbiegung zu reduzieren, was Kühlmitteldurchflüsse durch einzelne Kanäle über das Modul im Wesentlichen ausgleicht und den Gesamtdruckabfall des Kühlsystems im Wesentlichen reduziert. Gemäß einiger Ausführungsformen ist eine quer gerichtete Querschnittsfläche der Auslassleitung 24 größer als eine quer gerichtete Querschnittsfläche des Verteilers 20, so dass eine Kühlmittelströmung sich von dem Verteiler 20 zu der Auslassleitung 24 verlangsamt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine quer gerichtete Querschnittsfläche der Einlassleitung 16 größer als eine quer gerichtete Querschnittsfläche des Verteilers 20, so dass eine Kühlmittelströmung sich von der Einlassleitung 16 zu dem Verteiler 20 beschleunigt.
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Die Kühlplattenbaugruppe 2 ist in einem Metallrahmen 60, der typischerweise aus Stahl hergestellt ist, angeordnet, der Mechanismen zum Einstellen der Position der Platten aufweist, um einen Wärmeübertragungskontakt mit den Zellen 4, insbesondere an den Zellenseiten zu optimieren. Die Distanz zwischen den beiden Platten der Kühlplattenbaugruppe kann durch Verengen oder Erweitern des Spalts 14 zwischen den Rändern der Basisplatte 12 eingestellt werden. Der Metallrahmen 60 kann Einstellmechanismen zum Positionieren der Kühlplatte umfassen. Durch Verwendung von zwei Kühlplatten 6, 8 ist es besser möglich, Kontaktpunkte mit den Zellenseiten einzustellen, da jede Seite unabhängig von der anderen eingestellt werden kann.
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Andere Ausführungsformen sind spezifisch auf die Kühlplattenbaugruppe, wie beschrieben ist, oder sogar noch spezifischer auf eine der Kühlplattenkomponenten gerichtet.
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Zusätzliche Ausführungsformen sehen Verfahren zum Reduzieren der Betriebstemperaturschwankung über eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen 4 vor, die parallel von vorn nach hinten eines Batteriemoduls 1 ausgerichtet sind, und/oder zum Reduzieren einer Betriebstemperatur in jeder Batteriezelle 4 von oben nach unten in einem Batteriemodul 1, das eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen 4 umfasst, vor. Insbesondere umfassen die Verfahren das Aufbauen oder Installieren des Batteriemoduls mit der Kühlplattenbaugruppe, wie beschrieben ist, und bei sehr spezifischen Ausführungsformen umfassen die Verfahren das Installieren einer Ausführungsform des Batteriemoduls mit der Kühlbaugruppe in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Zusätze und Ersatzmittel möglich sind, ohne von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
