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Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul mit einer Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen, wobei die einzelnen Batteriezellen durch ein Temperierfluid temperiert sind.
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Stand der Technik
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WO 2013/023847 A1 bezieht sich auf ein Batteriemodul mit Luftkühlung, sowie auf ein Kraftfahrzeug. Es wird ein Batteriemodul mit einem Batteriezellen-Stapel aus mindestens zwei Batteriezellen offenbart, bei dem jede Batteriezelle von zumindest einem Luftkanal kontaktiert wird. Der zumindest eine Luftkanal ist in den Batteriezellen-Stapel eingefügt. Dadurch ist trotz eines schlechten Wärmeübergangs-Koeffizienten eine ausreichende Kühlung mittels eines Luftstroms der Batteriezellen möglich.
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US 2012/00150003 A1 bezieht sich auf ein Batteriemodul. Dieses umfasst eine Anzahl wiederaufladbarer Batteriezellen sowie ein Gehäuse, welches die wiederaufladbaren Batteriezellen aufnimmt. Erste Wärmeableitrippen stehen vom Gehäuse ab und haben eine Polygonform oder eine geschlossene Geometrie. Ferner stehen zweite Wärmeableitrippen vom Gehäuse ab, die derart beschaffen sind, dass diese die ersten Wärmeableitrippen miteinander koppeln.
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US 6,689,510 B1 bezieht sich auf eine Monoblockbatterie-Anordnung mit Gegenstromkühlung. Eine Mehrzellen-Monoblockbatterie umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen, die in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Das Batteriegehäuse umfasst eine oder mehrere Zellenabteilungen, welche das Innere des Gehäuses in eine Anzahl von Zell-Aufnahmeräumen unterteilen, in welchem die elektrochemischen Zellen aufgenommen sind. Vorzugsweise befinden sich eine oder mehrere Kühlkanäle in der mindestens einen, im Innere des Gehäuses ausgeführten Zellabteilung.
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KR 2006 011 8797 bezieht sich auf ein Batteriemodul. Das Batteriemodul gemäß dieser Lösung weist ein hohes Wärmeableitvermögen auf und ist sehr gut isoliert; ferner weist es ein reduziertes Gewicht, verglichen mit konventionellen Batteriemodulen, auf. Das Batteriemodul umfasst eine Anzahl von Batteriezellen, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Batteriezellen befinden sich Wände. Es ist eine Leitung für ein Wärmetransportmedium vorgesehen, welche aus einer Magnesiumlegierung gefertigt ist. Die Wände sind aus einer Magnesiumlegierung mit Aluminium, Zink und Zirkon, sowie einem geringen Anteil seltener Erden gefertigt. Der Zirkon-Anteil innerhalb der Magnesiumlegierung liegt zwischen 2,0 Gew.-% und 10 Gew.-%.
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Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymerbatterien erwärmen sich vor allem bei der Energieabgabe. Eine optimale Betriebstemperatur derartiger Batteriesysteme liegt in der Größenordnung von ca. 25°C. Ab einer Betriebstemperatur von ca. 40°C wird die Lebensdauer dieser Batteriesysteme deutlich verringert. Temperaturwechsel, Lade- und Entladezyklen führen zu einer Abnahme der Kapazität und zu einer Erhöhung der Selbstentladung derartiger Batterien. Die Erfüllung der Lebensdauer-Anforderungen von 10 Jahren und mehr, die an derartige Batteriesysteme gestellt werden, ist deshalb nur mit einer hinreichenden thermischen Konditionierung realisierbar.
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Wird in einer Batteriezelle mehr Wärme erzeugt als an die Umgebung abgeführt werden kann, so kann es zu einem „thermal runaway“ mit unerwünschten Folgen kommen. Dies bedeutet, dass es eines aktiven, leistungsfähigen Thermo-Managements für Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer-Batterien bedarf, welches bei kalten Temperaturen heizt und bei wärmeren Temperaturen die Batteriezellen kühlt.
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Weiter ist zu erwähnen, dass im Falle eines hohen Druckes in einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batteriezelle ein Berstventil, öffnet. Austretende unerwünschte mehr als 600°C heiße Gase sollten nicht in das Fahrzeuginnere eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges gelangen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches eine Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen umfasst. Die einzelnen Batteriezellen werden durch eine Luftströmung temperiert, die Kanäle durchströmt, die sich im Wesentlichen entlang der Batteriezellen erstrecken. Die Batteriezellen sind durch die Kanäle thermisch gekoppelt, wobei die Kanäle einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der durch eine Kanalwand begrenzt ist, die einen variablen Wandbreitenverlauf aufweist.
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In einer äußerst vorteilhaften Weiterbildung hinsichtlich der Festigkeit der Luftkanäle, die bevorzugt aus einem Aluminiummaterial bzw. einer Aluminiumlegierung gefertigt werden, folgt die variable Wandbreite der Kanäle, die von Temperierungsluft durchströmt werden, einem hyperbolischen Verlauf, insbesondere einem Cosinus-Hyperbolicus-Verlauf (cos h). Aluminiumprofile, aus welchen die Kanäle gefertigt werden, lassen sich fertigungstechnisch am besten und kostengünstigsten durch Strang-Press-Verfahren herstellen. Der variable, vom Temperierfluid, d. h. der Kühlluft, durchströmte Strömungsquerschnitt der Kanäle wird – bezogen auf die Höhe der Kanäle, die zwischen den einzelnen Batteriezellen untergebracht sind – in Bezug auf die Kanalhöhe variabel gestaltet. Dazu sind die Kanäle, die von der Kühlluft durchströmt werden, in ihrem oberen bzw. unteren Bereich enger als beispielsweise in der Mitte, an der die Kanäle ihre maximale Breite annehmen.
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Die Kanäle, die aus Aluminiummaterial oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind, sind elektrisch isoliert, wozu insbesondere eine elektrisch isolierende Lackierung oder eine elektrisch isolierende Folie eingesetzt werden kann.
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Die Kanäle sind des Weiteren gegenüber den Batteriezellen, insbesondere den Seitenwänden der Batterien im Batteriemodul, mit einer Dichtungsmasse oder durch Kleberaupen oder dergleichen abgedichtet, so dass eventuell aus den Batteriezellen austretende Schadgase nicht in die Kanäle gelangen, welche mit der Fahrgastzelle, in der sich die Fahrzeuginsassen aufhalten, verbunden sind. Aus dieser stammt die Temperierungsluft, mit der die Batteriezellen gemäß des vorgeschlagenen Lufttemperierungssystem temperiert werden. In Weiterbildung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens liegt eine mittlere Wandstärke der Kanalwand der Kanäle – in Bezug auf die vertikale Richtung des Strömungsquerschnittes – im Wesentlichen in der Größenordnung von 3 mm. Die Kanäle, die vom Temperierfluid, beispielsweise Kühlluft durchströmt werden, erstrecken sich entlang der Seitenflächen der Batteriezellen-Hülle. Die Batteriezellen weisen Berstventile auf, die eine Sollbruchstelle der Batteriehülse zur Entgasung darstellen, die unmittelbar in einen Ausgasungskanal münden, der sich durch das Gehäuse des Batteriemoduls erstreckt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens können die Kanäle, die vom Temperierfluid durchströmt werden, in Seitenwänden eines Batteriezellen-Halters eingelassen sein. Der Batteriezellen-Halter umfasst neben den Seitenwänden auch eine Rückwand und eine Vorderwand, wobei die Seitenwände derart durch den Batteriezellen-Halter verlaufen, dass eine Anzahl von Batteriezellen-Fächern erhalten wird, welche einzelne Batteriezellen aufnehmen. Die Seitenwände des Batteriezellen-Halters sind dabei so ausgebildet, dass diese an ihren Enden jeweils Überstände aufweisen, die über die senkrecht zu den Seitenwänden angeordneten Vorderwände, bzw. Rückwände, hinausragen. Die Überstände vereinfachen in erheblichem Maße zum einen die Herstellung des Batteriezellen-Halters und zum anderen ist eine sichere Trennung von Temperierkanälen und Entgasungskanälen möglich. Die Erzeugung von Kleberaupen oder Schweißnähten sowie ein Verprägen von Rückwand, Vorderwand mit den jeweiligen Seitenwänden kann bei Ausbildung der Überstände wesentlich prozesssicherer erfolgen, so dass ein zuverlässiges Fügen von Rückwand, Vorderwand und Seitenwand und eine dadurch erzielbare sichere Abdichtung von Entgasungskanälen und Temperierfluidkanälen erreicht werden kann.
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Die Batteriezellen-Fächer weisen auf ihrer jeweils einer Batteriezelle zuweisenden Fläche eine elektrisch isolierende Oberfläche auf, die als Folie oder Lackierung ausgestaltet sein kann.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriemodul umfasst mindestens einen Luftkanal, der mit der Fahrgastzelle eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs in Verbindung steht. Mittels eines Ventilators wird aus der Fahrgastzelle Luft in die Kanäle, die sich zwischen den einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls, oder die sich durch Seitenwände eines Batteriezellen-Halters erstrecken, befördert. Zum Durchblasen oder Absaugen der Temperierluft durch die Kanäle kann ein Ventilator in einer Fahrgastzelle vorgesehen sein. Der Strömungswiderstand in den Luftkanälen hängt von deren Breite ab. Bei einer mittleren Spaltbreite in der Größenordnung von 3 mm stellt sich ein optimaler Luftstrom ein, mit minimalen Druckverlusten. Der Ventilator kann auch in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Batteriepack angeordnet sein. Vor dem Batteriepack kann ein Filter installiert sein; ferner besteht die Möglichkeit die Temperierluft, beispielsweise Kühlluft von außen, anzusaugen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass das Temperierfluid, im vorliegenden Falle Kühlluft, für die Temperierung des mindestens einen Batteriemoduls, bzw. mehrerer Batteriemodule, aus dem klimatisierten Fahrzeuginneren eines Hybrid-, eines Elektrofahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs entnommen werden kann und so deutlich Kosten eingespart werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist sichergestellt, dass keine Batteriezelle im Falle einer Entgasung in Verbindung mit dem Fahrzeug-Innenraum tritt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend ist eine erhebliche Steigerung der Effektivität einer Temperierung erreichbar, da das Temperierfluid seitlich an den Batteriezellen vorbei und nicht nur darunter vorbeigeleitet wird. Dies bedeutet, dass die Seitenflächen der einzelnen Batteriezellen umströmt werden, die in der Regel deutlich größer, insbesondere mehr als viermal, größer sind als die Grundflächen der Batteriezellen. Aus diesem Grunde ist bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konzept bei seitlich von Kühlluft umströmten Batteriezellen eine signifikante Entwärmung möglich. Bei dem Kühlluft-Konzept ist zu berücksichtigen, dass die spezifische Wärmekapazität CWasser mehr als viermal größer ist als die spezifische Wärmekapazität CLuft (bei Raumtemperatursind CWasser gleich 4,182 kJ/(kg·K), CLuft = 1,005 kJ/(kg·K).
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung sind die einzelnen Batteriezellen durch die Kanäle thermisch miteinander gekoppelt. Dadurch kann eine zuverlässige Temperatur-Erfassung der Batteriezellen erfolgen. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung das Anbringen von Temperatursensoren an einer jeden der Batteriezellen umgangen werden. Durch die Luftkanäle, die bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material wie Aluminium gefertigt sind, kann eine thermische Kopplung zwischen den einzelnen Batteriezellen erreicht werden.
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Die Kanäle weisen ein Profil auf, welches bevorzugt einer Cosinus-Hyperbolicus-Funktion (cos h) entspricht. Dadurch können sehr kleine Wandstärken des bevorzugt als Strang-Press-Profil gefertigten Kanals erhalten werden, die im Wesentlichen in der Größenordnung von 3 mm liegen. Aufgrund der gewählten Cosinus-Hyperbolicus-Funktion kann mechanisch eine hohe Festigkeit gegen Lateraldruck erreicht werden, so dass die die Kanäle aufweisenden Profile im zusammengespannten Zustand eine sehr hohe Festigkeit aufweisen und durch Spannbänder gegeneinander verspannt werden können. Bei einer mittleren Luftspaltbreite von ca. 3 mm stellen sich optimale Strömungsverhältnisse ein, hinsichtlich der Auslegung eines den Kühlluftstrom fördernden Ventilators. Die einzelnen Batteriezellen können auch in einem Batteriezellen-Halter, der gewissermaßen als Gitter aus Luftkanälen dient, aufgenommen sein und von diesem gehalten werden. Die Kanäle sind gegen die Batteriezellen-Hüllen mit einer thermisch stabilen Dispenser-Dichtung abgedichtet. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsvariante, bei der die Kanäle durch Seitenwände eines Batteriezellen-Halters aus Aluminium verlaufen, stehen über die Vorder- bzw. Rückwände Überstände der Seitenflächen hervor. Dadurch ist gewährleistet, dass bei deren Durchtritt durch Vorder- und Rückwände auch durch die jeweilige Modul-Vorderwand bzw. Modul-Rückwand eine zuverlässige Abdichtung an Durchtrittsstellen mit einer elektrisch leitenden Dichtungs- und Klebermasse erfolgen kann. Damit erhält man ein in sich abgeschlossenes Temperiersystem.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist der Raum bzw. der Kanal, in dem eine Entgasung einer Batteriezelle erfolgen kann, von dem Raum bzw. dem Kanal getrennt, aus dem mit aus dem Fahrgastraum stammender Luft des Fahrzeugs die Batteriezellen bzw. die Batteriemodule temperiert, insbesondere gekühlt werden können. Die Abdichtung zwischen diesen Räumen bzw. diesen Kanälen, beispielsweise am Batteriezellen-Halter kann durch Ausbildung von Überständen an den Seitenwänden, die an den miteinander zu fügenden Wänden des Batteriezellen-Halters ausgeführt sind, prozesssicher gefertigt werden.
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Ausführungsvarianten
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf einen mehrere Batteriefächer für Batteriezellen aufweisenden Batteriezellen-Halter,
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2 eine Draufsicht auf den Batteriezellen-Halter mit darin aufgenommenen Batteriezellen von der Oberseite,
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3 die Darstellung eines Kanals aus einem Al- bzw. Al-Legierungs-Strangprofil in vergrößerter Darstellung,
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4 den Verlauf von Luftkanälen zwischen einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls,
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5 die p/d-Kennlinie zur Auslegung eines Förderaggregates für ein Lufttemperierungskonzept und
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6 eine Darstellung eines Batteriemoduls mit durch Luftspalte voneinander getrennten einzelnen Batteriezellen.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist in perspektivischer Draufsicht ein Batteriezellen-Halter zu entnehmen, der einzelne Batteriezellen-Fächer umfasst, in denen die Batteriezellen eines Batteriemoduls untergebracht sind.
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1 zeigt ein Batteriemodul 19, welches eine Anzahl von Batteriezellen 10 umfasst. Die einzelnen Batteriezellen 10 weisen jeweils Zell-Terminals 12 auf, die an einer Oberseite 14 der Batteriezellen 10 angeordnet sind. Auf der Batteriezellen-Oberseite 14 befindet sich ein Berstventil 16, welches eine Sollbruchstelle des Batteriezellen-Gehäuses darstellt, über die eine unerwünschte Entgasung der Batteriezelle 10 erfolgen kann. Die einzelnen Batteriezellen 10 sind in aufrechter Position in einem Batteriezellen-Halter 18 aufgenommen, der aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung oder aus einem anderen, gute Wärmeleit-Eigenschaften aufweisenden Material gefertigt ist.
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Der Batteriezellen-Halter 18 weist einen Boden 20 auf; einzelne Batteriezellen-Fächer 28 zur Aufnahme der Batteriezellen 10 sind durch eine Rückwand 22 bzw. eine Vorderwand 24 und Seitenwände 26 voneinander getrennt. Durch die Seitenwände 26 erstrecken sich jeweils Kanäle 30, die von einem Temperierfluid, gemäß der vorgeschlagenen Lösung Luft, durchströmt sind. Die Kanäle 30 weisen jeweils einen Strömungsquerschnitt 32 auf.
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Angedeutet sind in 1 durch Bezugszeichen 34 Überstände, um welche die einzelnen Seitenwände 26 über die Vorderwand 24 und die Rückwand 22 der einzelnen Batteriezellen-Fächer 28 jeweils überstehen. Durch die Überstände 34 wird die Herstellung einer Abdichtung 40, zum Beispiel als Kleberaupen oder Schweißnähte 42 zwischen Vorder- und Seitenwänden 24, 26 oder Rückwänden und Seitenwänden 22, 26 prozesstechnisch erheblich verbessert.
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In der perspektivischen Wiedergabe gemäß 1 lässt sich erkennen, dass die Strömungsquerschnitte 32, die im Wesentlichen in vertikaler Orientierung ausgeführt sind, sich durch die Seitenwände 26 erstrecken. Der Strömungsquerschnitt 32 der Kanäle 30 weist mittig eine Maximalbreite auf und eine engste Breite jeweils am oberen bzw. am unteren Ende, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben werden wird.
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf den Batteriezellen-Halter gemäß der Darstellung in 1, mit in einzelnen Batteriezellen-Fächern aufgenommenen Batteriezellen zu entnehmen.
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Aus 2 gehen die Überstände 34 hervor, um welche die Seitenwände 26, die von den Kanälen 30 (in 2 nicht dargestellt, da in den Seitenwänden 26 verlaufend) durchzogen sind, über die Rückwand 22 bzw. die Vorderwand 24 eines jeden Batteriezellen-Fachs 28 überstehen. In einem jeden der Batteriezellen-Fächer 28 befindet sich eine Batteriezelle 10. Die zur Temperierung der Batteriezellen 10 erforderliche Luft strömt den Kanälen 30, die in den Seitenwänden 26 verlaufen, aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zu. Durch Abdichtungen 42 bzw. 40 von den Seitenwänden 26 getrennt, sind Ausgasungskanäle 54, die in der Darstellung gemäß 2 nur teilweise dargestellt sind. Diese verlaufen oberhalb der Oberseite 14 der einzelnen Batteriezellen 10, oberhalb der Zeichenebene die in der Draufsicht gemäß 2 dargestellt ist. Aufgrund der Überstände 34 an den Enden der jeweiligen Seitenwänden 26 lassen sich die Ausgasungskanäle 54, die durch die Modulrückwand 36 und die Rückwand 22 einerseits und die Modulvorderwand 38 und die Vorderwand 24 andererseits gebildet sind, gegen die Ausgangskanäle 54 abdichten.
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Aus der Draufsicht gemäß 2 geht hervor, dass eine jede der in den Batteriezellen-Fächern 28 aufgenommenen Batteriezellen 10 an ihrer Oberseite 14 zwei Zell-Terminals 12, d. h. einen Pluspol und einen Minuspol zur elektrischen Verschaltung aufweist. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die der aufzunehmenden Batteriezelle 10 zugewandten Flächen der Batteriezellen-Fächer 28 des Batteriezellen-Halters 18 gemäß den 1 und 2 mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche versehen sind, beispielsweise einer Lackierung. Auch die Batteriezellen 10 selbst können mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche versehen sein, die ebenfalls als Lackierung oder Folie beschaffen sein kann.
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Durch den Batteriezellen-Halter 18 werden die Batteriezellen 10 von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Batteriemodulen 19 beispielsweise eines Boost-Recuperation-Systems (BRS) sicher gehalten und sowohl durch den Boden nach unten, als auch durch die Rückwände 22 und die Vorderwände 24, sowie die Seitenwände 26 an allen vier Seiten arretiert. Der Batteriezellen-Halter 18 gemäß der 1 und 2 bietet darüber hinaus auch einen Schutz gegen mechanische Deformation oder Beschädigung, beispielsweise im Falle eines Unfalls.
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3 zeigt im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch einen Kanal, der von Kühlluft durchströmt ist.
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Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass die einzelnen Seitenwände 26 des Batteriezellen-Halters 18 jeweils Kanäle 30 aufweisen. Die Kanäle 30 umfassen einen Strömungsquerschnitt 32, der im Wesentlichen einer hyperbolischen Funktion, beispielsweise einem Cosinus-Hyperbolicus-Verlauf 44, folgt. Dadurch ergibt sich eine Form des Strömungsquerschnitts 32, die einerseits an der Decke des Kanals 30 bzw. am Fuße des Kanals 30 durch eine erste, relativ enge Kanalweite 46 in der Größenordnung von 2 mm gekennzeichnet ist, und etwa mittig eine maximale Kanalweite 48 aufweist, die in der Größenordnung von etwa 4 mm liegt. Alles in allem ergibt sich eine mittlere Luftspaltbreite 50, die in der Größenordnung von 3 mm liegt. Die mittlere Kanalweite von 3 mm ist von Vorteil, vgl. das p/d-Diagramm gemäß 5, da dort ein ausreichend niedriger Druckverlust vorliegt, auf welchen ein Ventilator zur Förderung von Temperierluft ausgelegt werden kann.
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Die Kontur, d. h. die einem Cosinus-Hyperbolicus-Verlauf 44 folgende, bietet höchste mechanische Festigkeit gegen einen seitlich wirkenden Druck bei einer gegebenen mittleren Wandstärke von ca. 1 mm von Kanalwänden 45, die den Strömungsquerschnitt 32 begrenzen, wobei eine mittlere Luftspaltbreite 50 in der Größenordnung von 3 mm liegt, während eine mittlere Wandstärke 52 in der Größenordnung von 1 mm bleibt. Durch die den Querschnitt begrenzende Innenkontur der Seitenwand 26 erhält man auch bei kleinen Wandstärken des Aluminiums, bzw. einer Aluminium-Legierung – im Mittel etwa 1 mm – die mechanisch höchste Festigkeit gegen seitlich wirkenden Lateraldruck 53, so dass die einzelnen Batteriezellen 10 mittels Spannbänder gegen Wickelausdehnung zusammengespannt werden können. In den Seitenwänden 26 kann auch eine Mehrzahl von Kanälen 30 – zum Beispiel in übereinanderliegende Anordnung – ausgebildet sein, ebenfalls einen cos h-Verlauf 44 hinsichtlich der Kanalwandkontur aufweisend. Dadurch erhöht sich nicht nur die Steifigkeit gegen Lateraldruck 53, sondern auch die zur Wärmeübertragung zu Verfügung stehende Oberfläche.
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4 zeigt die Ansicht eines Batteriemoduls, welches mehrere Batteriezellen aufweist, deren Berstventile in einen gemeinsamen Ausgasungskanal münden.
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4 zeigt ein Batteriemodul 19, welches eine Anzahl von Batteriezellen 10 umfasst, die in Hochkantlage nebeneinander liegend ausgebildet sind. Zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenwänden der einzelnen Batteriezellen 10 verlaufen die Kanäle 30, die vom Temperierfluid, im vorliegenden Falle klimatisierte Kühlluft aus der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs, durchströmt werden. Im oberen Bereich, d. h. auf der Oberseite 14 der Batteriezellen 10 weisen diese Berstventile 16 auf, die allesamt in einen gemeinsamen Ausgasungskanal 54 münden, der sich durch das Gehäuse für das Batteriemodul 19 erstreckt. Mit Position 58 ist ein elektrisch isolierter Modulboden bezeichnet, welcher die Aufstellfläche für die im Wesentlichen in vertikaler Einbaulage orientierten Batteriezellen 10 bildet. Die einzelnen Kanäle 30 werden senkrecht zur Zeichenebene von klimatisierter Kühlluft, die durch einen nicht näher dargestellten Ventilator aus der Fahrgastzelle des Hybrid-, Elektrofahrzeugs oder Brennstoffzellenfahrzeugs gefördert wird, durchströmt. überstreicht die relativ langen, sich ebenfalls in die Zeichenebene erstreckenden Seitenwände 26 der einzelnen Batteriezellen 10. Eine Entwärmung der Batteriezellen 10 durch eine entlang von deren Seitenwänden entlangstreichenden Luftströmung ist wesentlich effektiver, da die vom Kühlmedium überstrichene Fläche wesentlich größer ist als die Bodenfläche bzw. die Deckelfläche der rechteckförmig konfigurierten Batteriezellen 10. 4 zeigt, dass im Falle einer Entgasung einer Batteriezelle 10 das jeweilige Berstventil 16 unmittelbar in den gemeinsamen Ausgasungskanal 54 mündet, der innerhalb des Gehäuses des Batteriemodules 19 oberhalb der Batteriezellen 10 verläuft. Die einzelnen zwischen den Batteriezellen 10 im Wesentlichen in vertikale Anordnung verlaufenden Kanäle 30, die vom Temperierfluid durchströmt werden, sind von dem gemeinsamen Ausgasungskanal 54 durch die Abdichtungen 40 getrennt, so dass eine Trennung des gemeinsamen Ausgasungskanals 54, über welchen eine Ableitung 68 nach außen erfolgt von den in 6 dargestellten Kanälen 30 bzw. dem Luftkanal 62 aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs sichergestellt ist.
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Der Darstellung gemäß 5 ist die Druck p/Luftspaltbreite d-Abhängigkeit zu entnehmen. Zum Durchblasen von temperierter Luft, oder auch zum Absaugen von temperierter Luft, beispielsweise klimatisierter Luft, die aus dem Inneren von der Fahrgastzelle entnommen werden kann, ist ein Ventilator erforderlich. Der Widerstand der Luftströmung durch die Kanäle 30 hängt von der mittleren Luftspaltbreite 50 ab. Für die p/d Abhängigkeit gilt das in 5 qualitativ dargestellte Verhalten. Anhand des Diagramms gemäß 5 kann eine bezüglich der Kosten und der Leistung des benötigten Ventilators optimale Auslegung vorgenommen werden.
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Der Draufsicht gemäß 6 ist ein Batteriemodul 19 zu entnehmen, in dem einzelne, durch Kanäle 30 voneinander getrennte Batteriezellen angeordnet sind.
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Wie aus 6 hervorgeht, strömt temperierte Luft, die im vorliegenden Falle als Kühlmedium eingesetzt wird, gefördert über einen beispielsweise in der Fahrgastzelle oder auch anderswo angeordneten Ventilator, in einen Luftkanal 62 ein. Der Luftkanal 62 mündet im Inneren des Batteriemoduls 19, in dem die Anzahl von Batteriezellen 10 aufgenommen ist. Die Kühlluft strömt vom Luftkanal 62 in die einzelnen, jeweils von Seitenwänden der Batteriezellen 10 begrenzten, Kanäle 30 ein. Dabei überstreicht die Kühlluft die Seitenwände der Batteriezellen 10, deren Ausdehnung zumindest um den Faktor 4 größer ist als die Fläche, die die Oberseite 14 der Batteriezellen 10 und deren Unterseite einnehmen. Durch die die Kanäle 30 passierende Luftströmung 70 erfolgt eine Entwärmung der Batteriezellen 10, wobei Batteriezellen-Hüllen 64 durch eine Abdichtung 40, beispielsweise Kleberaupen oder Schweißnähte 42 oder dergleichen, gegen die Kanäle 30 abgedichtet sind. Die Luftströmung 70 tritt aus den Kanälen 30 aus und strömt in eine Abluft-Ableitung 68 aus dem Batteriemodul 19 aus. Die Batteriezellen 10 gemäß der Darstellung in 6 befinden sich innerhalb eines Gitters 66. welche aus den Luftkanälen 62, 30 und 68 gebildet ist.
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Aus der Draufsicht gemäß 6 geht hervor, dass sich auf der Oberseite 14 der Batteriezellen 10 Berstventile 16 befinden. Im Entgasungsfalle entgast eine der Batteriezellen 10 über Öffnen des Berstventiles 16 in einen gemeinsamen Entgasungskanal 54 (vergleiche Darstellung gemäß 3), der in einer Zeichenebene verläuft, die oberhalb der in 6 dargestellten Zeichenebene liegt. Die Batteriehüllen 64 der Batteriezellen 10 sind über die Abdichtungen 40 bzw. 42, die in der Darstellung gemäß 6 in die Zeichenebene geklappt dargestellt sind, gegen die das Temperiermedium führenden Kanäle 30 abgedichtet. Die Abdichtung 40 erfolgt insbesondere über Kleberaupen 42 oder auch über Schweißnähte 42. Dadurch kann eine Trennung der Temperierfluidführung von einer Entgasungsluftführung erreicht werden, so dass im Entgasungsfall einer Batteriezelle 10 der gemeinsame Ausgasungskanal 54 sicher von der Fahrgastzelle eines Hybrid-, eines Elektro- oder auch eines Brennstoffzellenfahrzeugs getrennt ist.
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Aus der Draufsicht gemäß 6 geht des Weiteren hervor, dass sich an der Oberseite 14 einer jeden Batteriezelle 10 ein Berstventil 16 befindet. Eine Entgasung einzelner Batteriezellen 10 erfolgt über die Berstventile 16 in einen oberhalb der Zeichenebene gemäß 6 liegenden gemeinsamen Ausgasungskanal 54. Dieser ist in 4 oberhalb der Batteriezellen 10 liegend dargestellt. Wie aus 6 des Weiteren hervorgeht, ist die Abdichtung 40 als Kleberaupen 42 ausgeführt; es besteht auch die Möglichkeit, die Abdichtung 40 mit einer elektrisch leitenden, temperaturstabilen Dichtungsmasse vorzunehmen, welche beispielsweise im Dispensing-Verfahren aufgebracht werden kann. Ebenso kann eine elektrisch isolierende Beschichtung an denen der Batteriezelle 10 zuweisenden Innenseiten der Batteriezellen-Fächer 28 im Wege des Dispensing-Verfahrens aufgebracht werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann vermieden werden, an einer jeden der Batteriezellen 10 Temperatursensoren zuzuordnen, die dann wiederum über einen erheblichen Signal-Verwaltungsaufwand anzubinden wären. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht die Möglichkeit, bei einem dicht gekapselten Luft-Temperiersystem und einwandfrei funktionierenden Entgasungssystemen mit mindestens einem gemeinsamen Ausgasungskanal 54 für Berstfenster aller Batteriezellen 10 über Abdichtungen 40 der Kanäle 30 in einem Batteriepack mit mehreren Batteriemodulen 19 zu trennen, so dass eine Fahrgastzelle, aus der Temperierfluid entnommen wird, vom Ausgangssystem für eine unerwünschte Entgasung, vollständig entkoppelt ist. Das gekapselte Temperiersystem, ausgestattet mit einem funktionierenden, davon fluidisch getrennten Entgasungssystem, wie oben stehend skizziert, kann auch unter einem Fahrersitz, unter dem Rücksitz oder im Kofferraum eines Fahrzeugs untergebracht werden.
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Aus 6 geht hervor, dass der Luftkanal 62 aus dem Fahrgastraum von der Modulvorderwand 38 des Gehäuses des Batteriemoduls 19 begrenzt ist, wohingegen die Ableitung 68 von der Modulrückwand 36 des Gehäuses des Batteriemodules 19 begrenzt ist.
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Die Leistungs- und Lebensdauer-Ziele eines Batteriepacks aus den erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriemodulen 19 lassen sich nur bei einer Kühlung mit klimatisierter Fahrzeuginnenraum-Luft erreichen, wobei eine Außenluft-Temperatur von beispielsweise +50°C herrschen kann, oder eine Außentemperatur von –30°C gegeben sein kann. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung besteht die Möglichkeit, in einfacher Weise durch Nutzung der in der Fahrgastzelle vorhandenen klimatisierten Luft ein effizientes Luftkühlungs-Konzept zu verwirklichen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/023847 A1 [0002]
- US 2012/00150003 A1 [0003]
- US 6689510 B1 [0004]
- KR 20060118797 [0005]
