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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit dessen Hilfe ausreichend elektrische Energie gespeichert werden kann, um ein Kraftfahrzeug antreiben zu können.
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Aus
US 2011/0033742 A1 ist ein Batteriemodul mit mehreren in zwei zueinander orthogonalen Richtungen in Reihe angeordneten als Rundzellen ausgestalteten Batteriezellen bekannt, bei dem durch die Zwickelbereiche von vier benachbarten Rundzellen Kühlrohre zum Kühlen der Rundzellen hindurchgeführt sind. Die axialen Enden der Kühlrohre können über eine Endplatte fluidisch miteinander verbunden sein, so dass ein Kühlmedium in einem Kühlrohr in die eine Richtung und nachfolgend über ein anderes angeschlossene Kühlrohr in die entgegengesetzte Richtung strömen kann, um die selbe Batteriezelle von zwei Seiten zu kühlen. Von den Kühlrohren stehen dreidimensional geformte Metallstücke ab, über die ein Wärmeaustausch zur Kühlung der Batteriezellen mit den Batteriezellen erfolgen kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum von Batteriemodulen zu reduzieren und deren Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein Batteriemodul mit einem geringen Bauraum und einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, erste Batteriezellen aufweisenden ersten Teilmodul, wobei das erste Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der ersten Batteriezellen durchströmbar ist, einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, zweite Batteriezellen aufweisenden zweiten Teilmodul, wobei das zweite Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der zweiten Batteriezellen durchströmbar ist, und einem Sammlerrohr zur Ausbildung einer Fluidverbindung für das Kühlmedium zwischen dem ersten Teilmodul und dem zweiten Teilmodul, wobei sich das Sammlerrohr durch einen zwischen den ersten Batteriezellen ausgebildeten ersten Zwischenbereich und einen zwischen den zweiten Batteriezellen ausgebildeten zweiten Zwischenbereich erstreckt.
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Das jeweilige Teilmodul kann ein fluiddichtes Volumen begrenzen, in dem Batteriezellen angeordnet sind, wobei die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen aus diesem Volumen herausgeführt sind. Dadurch kann das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, die Batteriezellen umströmen, wodurch eine entsprechend hohe Kühlung der Batteriezellen erreicht werden kann, die einen besonders effizienten Betrieb der Batteriezellen ermöglicht. Gleichzeitig kann ein elektrischer Kurzschluss über das Kühlmedium vermieden werden. Insbesondere kann das Kühlmedium die Batteriezellen direkt kontaktieren, so dass es nicht erforderlich ist über zwischengeschaltete wärmeleitende Bauteile einen Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmedium herbeizuführen, so dass die Kühlleistung entsprechend hoch sein kann. Der Wirkungsgrad der Batteriezellen und damit der Wirkungsgrad des Batteriemoduls sind dadurch erhöht.
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Die ersten Batteriezellen und die zweiten Batteriezellen sind insbesondere jeweils einander in Längsrichtung überdeckend hintereinander angeordnet. Insbesondere sind der erste Zwischenbereich und der zweite Zwischenbereich einander überdeckend hintereinander angeordnet, so dass das Sammlerrohr als gerades Rohr durch beide hintereinander angeordnete Zwischenbereiche hindurchgeführt werden kann, um das Kühlmedium aus dem ersten Zwischenbereich des ersten Teilmoduls in den zweiten Zwischenbereich des zweiten Teilmoduls zu leiten. Die Zwischenbereiche ergeben sich, insbesondere wenn die Batteriezellen als Rundzellen ausgestaltet sind, automatisch zwischen den Batteriezellen untereinander und/oder zwischen den Batteriezellen und einem beispielsweise rechteckförmigen Modulrahmen, in dem die Teilmodule aufgenommen sind und der ein Volumen für das Kühlmedium begrenzen kann. Das Sammlerrohr ist dadurch im Wesentlichen bauraumneutral in den sich sowieso ergeben Zwischenbereichen angeordnet, so dass durch die mit Hilfe des Sammlerrohrs ausgebildete Fluidverbindung des ersten Teilmoduls mit dem zweiten Teilmodul kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Mit Hilfe des durch die sowie durch die Formgebung und Anordnung der Batteriezellen ausgebildeten Zwischenbereiche der Teilmodule geführten Sammlerrohrs kann ohne zusätzlichen Bauraumbedarf eine direkte Kühlung der ersten Batteriezellen und der zweiten Batteriezellen erreicht werden, so dass ein Batteriemodul mit einem geringen Bauraum und einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht ist.
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Die Längserstreckungen der jeweiligen Batteriezellen können im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Batteriezellen können beispielsweise in zwei senkrecht zur Längserstreckung der Batteriezellen zueinander orthogonalen Richtungen hintereinander angeordnet sein, so dass die Batteriezellen insbesondere mittig zueinander in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Dadurch kann sich zwischen vier als Rundzellen ausgestalteten Batteriezellen, die beispielsweise an den Eckpunkten eines gedachten Quadrats angeordnet sind, ein zwickelförmiger Zwischenbereich ergeben, dessen Querschnittsfläche entlang der Längserstreckung der Batteriezellen groß genug ist, um das Sammlerrohr aufzunehmen. Das Sammlerrohr kann dadurch einen Strömungsquerschnitt ausbilden, der einen ausreichend großen Massenstrom des Kühlmittels von dem ersten Teilmodul zum zweiten Teilmodul leiten kann. Die Batteriezellen können auch in Zeilen mittig hintereinander angeordnet sein, wobei in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen von Batteriezellen um ca. eine halben Breite der Batteriezelle zueinander versetzt angeordnet sein können. Dadurch ergibt sich an zumindest einer Zeile von Batteriezellen zwischen der in Zeilenrichtung letzten Batteriezelle und dem beispielsweise rechteckförmigen Modulrahmen, in dem die Teilmodule aufgenommen sind, ein Zwischenbereich, der eine Erstreckung in Zeilenrichtung von etwa einer Breite einer Batteriezelle aufweist. Die Querschnittsfläche entlang der Längserstreckung der Batteriezellen dieses Zwischenbereichs ist groß genug, um das Sammlerrohr aufzunehmen. Das Sammlerrohr kann dadurch einen Strömungsquerschnitt ausbilden, der einen ausreichend großen Massenstrom des Kühlmittels von dem ersten Teilmodul zum zweiten Teilmodul leiten kann.
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Insbesondere weist das Sammlerrohr einen im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der ersten Batteriezellen und parallel zu einer Längserstreckung der zweiten Batteriezellen verlaufenden Sammlerkanal auf, wobei der Sammlerkanal durch eine Kanalwand begrenzt ist und in der Kanalwand mindestens eine erste Öffnung zur Herstellung einer Fluidverbindung mit dem ersten Teilmodul und mindestens eine zweite Öffnung zur Herstellung einer Fluidverbindung mit dem zweiten Teilmodul vorgesehen ist. Die Kanalwand kann den Strömungsquerschnitt des durch den Sammlerkanal ausgebildeten Sammlerrohrs begrenzen. Durch die erste Öffnungen in der Kanalwand kann eine Strömungsverbindung des ersten Zwischenbereichs mit dem Sammlerkanal und durch die zweiten Öffnungen eine Strömungsverbindung des Sammlerkanals mit dem zweiten Zwischenbereich hergestellt werden. Das Sammlerrohr kann insbesondere als Umkehrsammlerrohr ausgestaltet sein. Die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen können insbesondere als Schlitze oder Bohrungen ausgebildet sein. Insbesondere sind die Öffnungen durch die Kanalwand an zwei Stellen durchdringende Querbohrungen ausgestaltet. Das Sammlerrohr kann dadurch konstruktiv einfach aufgebaut und kostengünstig hergestellt sein.
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Vorzugsweise sind das erste Teilmodul und das zweite Teilmodul in einem gemeinsamen elektrisch isolierenden und fluiddichten, insbesondere im Wesentlichen rechteckig und/oder quaderförmigen, Modulrahmen eingesetzt, wobei das Sammlerrohr vollständig innerhalb des Modulrahmens eingesetzt ist. Der Modulrahmen kann insbesondere ein von dem Kühlmedium durchströmbares Volumen begrenzen. Vorzugsweise kann der Modulrahmen den von dem Sammlerrohr genutzten ersten Zwischenbereich und/oder den von dem Sammlerrohr genutzten zweiten Zwischenbereich begrenzen. Gleichzeitig können die Batteriemodule durch den Modulrahmen gegen eine mechanische Beschädigung von außen geschützt und/oder mit dem Kraftfahrzeug verbunden werden.
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Das Sammlerrohr kann vollständig innerhalb des Modulrahmens angeordnet sein und/oder an dem Modulrahmen befestigt und/oder abgestützt sein.
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Besonders bevorzugt weist das Sammlerrohr einen von einer Kreisringform abweichenden Querschnitt auf, wobei das Sammlerrohr insbesondere einen Querschnitt mit einer elliptischen Ringform aufweist. Die Form des Sammlerrohrs kann dadurch an die Geometrie der Zwischenbereiche angepasst werden, insbesondere um bei einem gegebenen Bauraum einen möglichst großen Strömungsquerschnitt realisieren zu können.
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Insbesondere ist das Sammlerrohr an einer ersten Axialseite mit einem Bauteil des ersten Teilmoduls, insbesondere ein Pole der ersten Batteriezellen miteinander kontaktierendes Terminalblech, und/oder an einer zweiten Axialseite fluiddicht mit einem Bauteil des zweiten Teilmoduls, insbesondere ein Pole der zweiten Batteriezellen miteinander kontaktierendes Terminalblech, fluiddicht verbunden. Ein Austritt des Kühlmediums an den Axialseiten des Sammlerrohrs aus den Teilmodulen heraus kann dadurch vermieden werden. Gleichzeitig kann das Sammlerrohr als Abstandshalter und/oder Verbindungsstrebe für die Bauteile, mit denen das Sammlerrohr verbunden ist, dienen. Ferner kann das Sammlerrohr das Batteriemodul versteifen und bei einem Crash auftreffende Aufprallenergie ableiten, wodurch die Batteriezellen vor einer mechanischen Beschädigung geschützt werden können.
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Vorzugsweise weist das erste Teilmodul einen Einlass zum Zuführen des Kühlmediums und das zweite Teilmodul einen Auslass zum Abführen des Kühlmediums auf. Insbesondere weist nur das erste Teilmodul den Einlass und nur das zweite Teilmodul den Auslass auf. Der Einlass und der Auslass sind insbesondere an einem zu dem Sammlerrohr gegenüberliegenden Ende der Teilmodule angeordnet. Das über den Einlass zugeführte Kühlmedium durchströmt dadurch erst das erste Teilmodul und über das Sammlerrohr nachfolgend das zweite Teilmodul im Wesentlichen vollständig, so dass sämtliche Batteriemodule mit einer hohen Kühlleistung gekühlt werden können.
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Besonders bevorzugt weist das erste Teilmodul ein erste Pole der ersten Batteriezellen miteinander kontaktierendes erstes Terminalblech und ein zweite Pole der ersten Batteriezellen miteinander kontaktierendes zweites Terminalblech auf, wobei das zweite Teilmodul ein erste Pole der zweiten Batteriezellen miteinander kontaktierendes erstes Terminalblech und ein zweite Pole der zweiten Batteriezellen miteinander kontaktierendes zweites Terminalblech aufweist, wobei das Sammlerrohr die ersten Terminalbleche oder die zweiten Terminalbleche elektrisch miteinander verbindet. Dadurch kann das Sammlerrohr gleichzeitig über die Terminalbleche die ersten Batteriezellen mit den zweiten Batteriezellen elektrisch kontaktieren. Das als strömungstechnisches Verbindungselement vorgesehene Sammlerrohr kann dadurch gleichzeitig als elektrisches Verbindungselement genutzt werden, wobei diese Kombination von Funktionen des Sammlerrohrs eine eigenständige Erfindung darstellt. Der Bauraum für ein separates elektrisches Verbindungselement kann dadurch eingespart werden.
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In einer unabhängigen Erfindung ist ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, erste Batteriezellen aufweisenden ersten Teilmodul, wobei das erste Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der ersten Batteriezellen durchströmbar ist, einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, zweite Batteriezellen aufweisenden zweiten Teilmodul, wobei das zweite Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der zweiten Batteriezellen durchströmbar ist, und einem Sammlerrohr zur Ausbildung einer Fluidverbindung für das Kühlmedium zwischen dem ersten Teilmodul und dem zweiten Teilmodul, wobei das erste Teilmodul ein erste Pole der ersten Batteriezellen miteinander kontaktierendes erstes Terminalblech und ein zweite Pole der ersten Batteriezellen miteinander kontaktierendes zweites Terminalblech aufweist, wobei das zweite Teilmodul ein erste Pole der zweiten Batteriezellen miteinander kontaktierendes erstes Terminalblech und ein zweite Pole der zweiten Batteriezellen miteinander kontaktierendes zweites Terminalblech aufweist und wobei das Sammlerrohr die ersten Terminalbleche oder die zweiten Terminalbleche elektrisch miteinander verbindet. Mit Hilfe des Sammlerrohrs kann eine direkte Kühlung der ersten Batteriezellen und der zweiten Batteriezellen erreicht werden, während durch die gleichzeitige Verwendung des Sammlerrohrs als elektrisches Verbindungselement ein separates elektrisches Verbindungselement und der dafür erforderliche Bauraum eingespart werden kann, so dass ein Batteriemodul mit einem geringen Bauraum und einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht ist. Die nachfolgend erläuterten Weiterbildungen sind für alle unabhängigen Erfindungen anwendbar.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Sammlerrohr voneinander weg weisende Terminalbleche elektrisch kontaktiert. Aufeinander zu weisende Terminalbleche können sich untereinander kontaktieren und eine elektrische Verbindung herstellen oder können über entsprechend kleine im Wesentlichen bauraumneutrale elektrische Verbindungen miteinander elektrisch kontaktiert werden. Das Sammlerrohr kann dadurch über eine besonders große Strecke eine elektrische Kontaktierung der Terminalbleche herbeiführen, so dass im Vergleich zu einer separat vorgesehenen elektrischen Kontaktierung eine entsprechend große Bauraumeinsparung erreicht werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls,
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2: eine schematische perspektivische Ansicht des Batteriemoduls aus 1 im geöffneten Zustand,
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3: eine seitliche Detailansicht des Batteriemoduls aus 2 und
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4: eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des Batteriemoduls aus 1.
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Das in 1 dargestellte Batteriemodul 10 weist ein erstes Teilmodul 12 mit als Rundzellen ausgestalteten ersten Batteriezellen 14 und ein zweites Teilmodul 16 mit als Rundzellen ausgestalteten zweiten Batteriezellen 18 auf. Die Batteriezellen 14, 18 sind beispielsweise horizontal ausgerichtet, wobei jeweils eine erste Batteriezelle 14 und eine zweite Batteriezelle 18 koaxial zueinander angeordnet sind. Das erste Teilmodul 12 weist einen Einlass 20 auf, über den ein Kühlmedium zugeführt werden kann, während das zweite Teilmodul 16 einen Auslass 22 aufweist, über den das Kühlmedium abgeführt werden kann.
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Wie in 2 dargestellt kann das Kühlmedium von dem ersten Teilmodul 12 über ein Sammlerrohr 24 zum zweiten Teilmodul 16 strömen. Hierbei sind das erste Teilmodul 12 und das zweite Teilmodul 16 sowie das Sammlerrohr 24 vollständig innerhalb eines rechteckigen Modulrahmens 26 angeordnet, so dass für das Sammlerrohr 24 kein zusätzlicher Bauraum außerhalb des Modulrahmens 26 erforderlich ist.
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Dies wird, wie in 3 dargestellt, dadurch erreicht, dass ein sich zwischen den ersten Batteriezellen 14 und dem Modulrahmen 26 durch die Formgestaltung und Anordnung der ersten Batteriezellen 14 sich ergebener erster Zwischenbereich 28 sowie ein sich zwischen den zweiten Batteriezellen 18 und dem Modulrahmen 26 durch die Formgestaltung und Anordnung der zweiten Batteriezellen 18 sich ergebener zweiter Zwischenbereich 30 zur Anordnung des Sammlerrohrs 24 genutzt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 14, 18 in Zeilen mittig nebeneinander angeordnet, wobei in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen jeweils um ca. einen halben Abstand der Mittellinien der Batteriezellen 14, 18 versetzt angeordnet sind, wodurch der Bauraum in Spaltenrichtung gering gehalten werden kann und genügend große Zwischenbereiche 28, 30 an einem zum Modulrahmen 26 weisenden im Vergleich zu einer anderen Zeile stärker beabstandeten Ende einer der Zeilen ausgebildet werden können.
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Die ersten Batteriezellen 14 können mit von dem zweiten Teilmodul 16 wegweisenden Polen ein erstes Terminalblech 32 des ersten Teilmoduls 12 kontaktieren, während die zweiten Batteriezellen 18 mit von dem ersten Teilmodul 12 wegweisenden Polen ein erstes Terminalblech 34 des zweiten Teilmoduls 16 kontaktieren können. Wie in 4 gezeigt kann das Sammlerrohr 24 an seinen Axialenden flüssigkeitsdicht mit den voneinander weg weisenden ersten Terminalblechen 32, 34 verbunden sein. Dadurch kann das Sammlerrohr 24 gleichzeitig das erste Terminalblech 32 des ersten Teilmoduls 12 mit dem ersten Terminalblech 34 des zweiten Teilmoduls 16 elektrisch kontaktieren, ohne dass hierzu eine separate elektrische Kontaktierung erforderlich ist. Für die strömungstechnische Verbindung des ersten Teilmoduls 12 mit dem zweiten Teilmodul 16 weist das Sammlerrohr 24 mit den ersten Zwischenbereichen 28 kommunizierende erste Öffnungen 36 und mit dem zweiten Zwischenbereich 30 kommunizierende zweite Öffnungen 38 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Querbohrungen i9n einem als gerades Rohr ausgestalteten Sammlerrohr 24 ausgebildet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0033742 A1 [0002]
