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Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul mit einer Anzahl aneinander anliegender Batteriezellen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls. Die Batteriemodule werden insbesondere als Traktionsbatterien zum Antrieb von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen eingesetzt.
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Stand der Technik
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DE 10 2008 028 400 bezieht sich auf eine Ankopplung einer Kühleinrichtung. Ein Kühlelement wird von einem Kühlfluid durch eine Vielzahl von schlitzförmigen Öffnungen durchströmt. In eine jede der Öffnungen ist eine Kühlplatte eingesteckt. An die Kühlplatte sind mittels eines Klebematerials ein oder mehrere Lithium-Ionen-Batterien angekoppelt. Der Teil, der sich durch eine Öffnung hin auf eine gegenüberliegende Seite des Kühlelementes erstreckt, ist dort mit einem Blechteil durch Falzen oder Bördeln verbunden.
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Aufgrund des Umstandes, dass die Kühlplatte und das Blechteil kraftschlüssig und reibschlüssig miteinander verbunden sind und eine sehr enge Verbindung miteinander eingehen, wird eine sehr gute thermische Leitfähigkeit erreicht.
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US 2012/0028099 bezieht sich auf eine Verbindungsstruktur, mit der Batteriezellen und eine Kühlplatte unter Ausbildung einer guten thermisch leitenden Verbindung miteinander verbunden werden. Es werden thermisch leitende Elemente eingesetzt, deren Dimensionierung einer Dicke von Platten entspricht, auf denen Batteriezellenaufnahmeplatten angebracht sind. Die Batteriezellen werden durch Wärmeleitung über ein plattenförmiges Kühlelement entwärmt. Die Wärmeleitung begünstigenden Platten werden im Wesentlich aus einem metallischen Material gefertigt und mit den Batteriezellen verwendet, wobei eine Seite Batteriezellen mit einem isolierenden Harz versehen sein kann.
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Als Traktionsbatterien für Hybridfahrzeuge oder für Elektrofahrzeuge kommen heute Lithium- Ionen-Batteriezellen zum Einsatz, die sich durch ein geringes Gewicht auszeichnen und deutlich höhere Reichweiten ermöglichen, verglichen mit Blei-Säure-Batterien oder Nickel- Metallhydrid-Batterien. Allerdings ist zur Sicherstellung eines sicheren Betriebes und zur Erreichung einer langen Lebensdauer darauf zu achten, dass die als Traktionsbatterie eingesetzten Lithium-Ionen-Batteriezellen in einem sicheren Temperaturbereich betrieben werden. Sowohl hohe Temperaturen als auch hohe Leistungen bei niedrigen Temperaturen können die Lebensdauer der Batteriezellen erheblich verkürzen. Das Auftreten eines thermischen Durchgehens („Thermal Runaway“), ausgelöst durch zu hohe Temperaturen, zu hohe Leistungen oder durch Überladung, ist aufgrund der Eigenschaften der Lithium-Ionen- Batteriezellen unbedingt zu vermeiden.
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Ideal für einen Betrieb derartiger Lithium-Ionen-Batteriezellen ist ein permanent beizubehaltender Temperaturbereich zwischen 10°C und 25°C, um die optimale Kapazität der Batteriezelle zu nutzen und eine hinreichende Temperaturtoleranz zu kritischen Temperaturbereichen zu gewährleisten. Außer durch klimatisch bedingte höhere Temperaturen kommt es aber auch im Lade- und Entlademodus zu einer Erwärmung durch die Joule‘sche Wärme, so dass Traktionsbatterien mit einem Temperiersystem auszustatten sind. Aktiv geregelte Temperiersysteme gewährleisten in der Regel einen sicheren Betrieb. Im passiven Zustand, so zum Beispiel bei Auftreten längerer Ruhephasen befinden sich Überwachungs- und Steuermechanismen im Wesentlich im inaktivierten Zustand und vermögen somit nichtregulierend einzugreifen. Im Falle eines schleichenden Defekts, so zum Beispiel im Falle einer Beschädigung einer Batteriezelle durch einen Unfall und einem gleichzeitigen Verlust von Kühlflüssigkeit, fehlt einem derartig gekühlten Batteriesystem die notwendige passive Wärmekapazität, kurzzeitig anfallende thermische Energie aufzunehmen und damit einen aufgetretenen Batteriezellendefekt lokal im Batteriesystem zu begrenzen. Um eine gute Energieverteilung zu erreichen, ist ein Kühlkörper mit hoher Wärmekapazität und geringem Wärmeübergangswiderstand notwendig. Bisherige Lösungen ermöglichen lediglich eine Überwachung des Kühlflüssigkeitsstandes eines flüssigkeitsbasiertem Kühlsystems im Ruhezustand, d.h. im inaktivierten Zustand.
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Bei Batteriezellen, die meistens bei Traktionsbatterien für Hybridfahrzeuge oder für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden, handelt es sich in der Regel um Batteriezellen, die ein prismatisches Gehäuse haben. Bei diesen erfolgt eine Entwärmung normalerweise über die Grundfläche der Batteriezellengehäuse. Die Batteriezellen werden in der Regel mit einer Kühlplattenfläche in Kontakt gebracht, wobei die Kühlplatte ihrerseits von einem Kühlfluid durchströmt wird. Die Kühlplatten werden üblicherweise aus Schichtblechen oder Flachrohren ausgeformt und miteinander verlötet. Da sich jedoch Lithium-Ionen- Batteriezellen im Laufe der Zeit verformen können, sind mehrere Batteriezellen miteinander zu verspannen, um Alterungseffekte durch Verformung zu vermeiden. Daher besteht das Erfordernis, stets Batteriezellenstapel bzw. Batteriezellenmodule zu kühlen.
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Eine der kritischen Stellen bei der Kühlung ist der Wärmeübergang zwischen der Batteriezelle und einer beispielsweise als Kühlplatte ausgebildeten Kühleinrichtung. Eine rein auf mechanischem Wege erfolgende Anpressung liefert hohe Wärmeübergangswiderstände, da über Unebenheiten und Ungenauigkeiten die Kontaktfläche, die für einen effektiven Wärmeübergang genutzt werden kann, signifikant reduzieren. Um Abhilfe zu schaffen, können Kleber eingesetzt werden, welche üblicherweise mit Bornitrid oder Aluminiumoxid gefüllt sind und dadurch die thermische Leitfähigkeit verbessern. Alternativ können auch Wärmeleitfolien und Wärmeleitpasten eingesetzt werden.
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Wärmeleitende Klebematerialien haben jedoch den Nachteil, dass es bei den im Betrieb von Traktionsbatterien auftretenden Vibrationen zum Auftreten von Rissen und damit zu einem thermischen Kontaktverlust kommen kann. Wärmeleitfolien und Pads werden dagegen durch Auftreten der Reibung auf Dauer zerstört. Durch ständige Vibration im Betrieb, thermische Einflüsse und dergleichen kommt es im Betrieb derartiger Lithium-Ionen-basierter Traktionsbatterien zu einem weiteren Abfluss oder Verlust von Masse.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul mit einer Anzahl aneinander anliegender Batteriezellen vorgeschlagen, wobei die Batteriezellen an mindestens einer Fläche über eine Temperiereinrichtung entwärmt oder beheizt werden. Zumindest an mindestens einer Batteriezelle ist ein Wärmeübertragungselement angeordnet, das in einem zu einem Verbund verformten Zustand eine thermische Kontaktierung zu einer Temperiereinrichtung bildet.
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Durch das Wärmeübertragungselement wird der Wärmeübergang zwischen Batteriekomponenten, wie beispielsweise den innerhalb eines Batteriemodus verbauten Batteriezellen einerseits und einer mit diesen thermisch leitend zu verbindenden Kühleinrichtung andererseits, erheblich verbessert. Dadurch lässt sich die beim Betrieb eines Batteriemoduls beispielsweise entstehende Wärme effektiv und effizienter abführen. Dies ermöglicht es einerseits, einen idealen Temperaturbereich für den Betrieb der Batterien zu erreichen und einzuhalten und andererseits schneller auf veränderte Umgebungstemperatureinflüsse zu reagieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist eine Oberseite einer Isolationsschicht oder eine Oberseite einer Kühleinrichtung unmittelbar mit mindestens einem zweiten Wärmeübertragungselement versehen.
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Die eingesetzten Wärmeübertragungselemente enthalten metallisches Material und sind insbesondere plastisch verformbar. Die Wärmeübertragungselemente werden bevorzugt als Bleche oder als Blechstreifen, insbesondere als gewinkelte Blechstreifen ausgeführt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wärmeübertragungselemente, die an den Batteriezellen bzw. an der Oberseite einer Isolationsschicht oder der Oberseite einer Kühleinrichtung befestigt werden, weisen einen ersten kurzen Schenkel sowie einen weiteren zweiten langen Schenkel auf, die zueinander eine Winkelanordnung bilden. Ein Biegewinkel zwischen dem ersten kurzen Schenkel und dem zweiten langen Schenkel eines Wärmeübertragungselementes liegt in einem Bereich zwischen 90°und 135°, bevorzugt zwischen 90° und 110°. Bevorzugt werden die Wärmeübertragungselemente aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Cu, Fe oder Al oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
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Die Wärmeübertragungselemente befinden sich am Boden oder einer Zellwand einer jeden der Batteriezellen und/oder an einer Oberseite entweder einer Isolationsschicht oder einer Oberseite einer Temperiereinrichtung.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind die Wärmeübertragungselemente an den Batteriezellen und der Oberseite der Isolationsschicht oder der Oberseite der Temperiereinrichtung paarweise einander gegenüberliegend angeordnet.
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Die Wärmeübertragungselemente, bevorzugt ausgebildet als Blechstreifen aus metallischem Material, weisen in Bezug aufeinander einen Horizontalversatz auf. Dies bedeutet, dass die Wärmeübertragungselemente, die beispielsweise als gewinkeltes Blech am Boden einer Batteriezelle angeordnet sind und diesem gegenüberliegende Wärmeübertragungselemente an der Oberseite der Isolationsschicht oder der Oberseite der Kühleinrichtung in der Horizontalebene einen seitlichen Versatz zueinander aufweisen. Gleiches gilt für einen Höhenversatz, der optional zum Ausgleich von Höhenunterschieden zwischen den an der Unterseite der Batteriezellen und/oder an der Oberseite der Isolationsschicht bzw. der Oberseite der Kühleinrichtung angeordneten metallischen Wärmeübertragungselementen ausgebildet sein kann.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können durch die plastisch verformbaren Wärmeübertragungselemente, die hervorragende Wärmeleiteigenschaften aufweisen, laterale und vertikale Versätze zwischen einzelnen Batteriezellen, die beispielsweise mittels eines Spannbandes zu einem Batteriemodul zusammengespannt sind, ausgeglichen werden. Wird ein derartiger Verbund aus mehreren Batteriezellen durch Einsatz eines Spannbandes gegeneinander vorgespannt, beispielsweise in das Gehäuse eines Batteriemoduls verpresst, bilden die plastisch verformbaren Wärmeübertragungselemente einen Verbund, der aufgrund der plastischen Eigenschaften des deformierbaren metallischen Werkstoffs der Wärmeübertragungselemente eine hervorragende thermisch leitende Anbindung zumindest zwischen der Bodenfläche der Batteriezellen und der Oberseite einer elektrischen Isolationsschicht bzw. der Oberseite einer Kühleinrichtung bildet. Ein derartig verpresster metallischer Verbund ist widerstandsfähig gegen auftretende Vibrationen, vermeidet eine Rissbildung, die beispielsweise bei Klebern auftreten kann, und stellt insgesamt gesehen eine robuste thermische Verbindung zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls und der Kühleinrichtung her.
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In Weiterbildung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens können die Wärmeübertragungselemente auch im Verbund, d.h. in einem mittels eines Spannbandes gegeneinander verspannten Verbund aus mehreren Batteriezellen in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Gehäusewänden von Batteriezellen vorgesehen sein. Damit besteht die Möglichkeit, über einen länger ausgebildeten Schenkel der Wärmeübertragungselemente, der zwischen zwei gegeneinander verspannten Batteriezellen liegt, zwei Batteriezellen zu entwärmen und so die Wärmekapazität einer derartigen Anordnung erheblich zu steigern. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann insbesondere bei einem schleichenden Defekt dem Batteriesystem, welches die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezellen einsetzt, die notwendige passive Wärmekapazität verliehen werden, kurzzeitig auftretende thermische Energie aufzunehmen und damit einen Batteriezellendefekt lokal im Batteriesystem zu begrenzen.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriemodul in einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs eingesetzt.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass durch den Einsatz von Wärmeübertragungselemente, die bevorzugt als Bleche oder Blechstreifen aus Kupfer, Eisen oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind, der Wärmeübergang zwischen Batteriekomponenten, insbesondere zwischen Batteriezellen eines Batteriemoduls und einer Kühleinrichtung, aufgrund der verbesserten Wärmeleitung signifikant erhöht werden. Hierdurch kann die im Betrieb eines Batteriemodules entstehende Wärme während des Betriebes effektiv und effizient abgeführt werden. Dies erleichtert einerseits die Einhaltung eines idealen Temperaturbereichs zum Betrieb der Batteriezellen und andererseits ist die Möglichkeit gegeben, schneller auf sich ändernde klimatische Bedingungen zu reagieren.
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Kritische Batteriebetriebszustände oder thermisch stark belastete Bereiche, wie zum Beispiel „Hot Spots“ können verringert bzw. vermieden werden, was wiederum die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöht, die als Traktionsbatterien in Hybridfahrzeugen bzw. Elektrofahrzeugen heutzutage zunehmend zum Einsatz kommen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird insbesondere eine signifikante Erhöhung der passiven thermischen Wärmekapazität erreicht, so dass kurzzeitig anfallende thermische Energie aufgenommen werden kann, das heißt, ein Wärmepuffer geschaffen wird.
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Wird die Kühleinrichtung, mit der das erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriemodul gekühlt wird, beispielsweise im Falle des Verlustes von Kühlfluid sichtlich seiner Kühlwirkung beeinträchtigt, kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung das Batteriemodul kurzzeitig als Wärmespeicher genutzt werden, da der verformte Verbund aus den Wärmeübertragungselementen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist und demzufolge Wärme in metallischen Komponenten verteilt und kurzzeitig gespeichert werden kann. Durch die thermische Kontaktierung des Kühlsystems über den Verbund mit dem Batteriegehäuse, welches die Batteriekomponenten, d.h. das Batteriemodul oder die Batteriezellen aufnimmt, besteht somit die Möglichkeit, auch ohne ausreichenden Kühlfluid- Vorrat die Auswirkung eines thermischen Durchgehens („Thermal Runaway“) einer Batteriezelle lokal im Batteriesystem zu begrenzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 einen Grundaufbau eines Batteriemoduls mit mehreren durch ein Spannband gegeneinander verspannter Batteriezellen,
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2 die Anordnung von Wärmeübertragungselementen an der Unterseite einer jeden Batteriezelle sowie an der Oberseite einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht angeordnete Wärmeübertragungselemente – hier im Horizontalversatz angeordnet –,
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3 einen verpressten Verbund aus ineinander verspannten Batteriezellen und einer Kühleinrichtung mit plastisch verformten metallischen Wärmeübertragungselementen, die eine thermische Kontaktierung darstellen und
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4 eine weitere Ausführungsvariante einer thermischen Kontaktierung durch Wärmeübertragungselemente, wobei die Wärmeübertragungselemente in dieser Ausführungsvariante zwischen Zellwänden benachbarter Batteriezellen im Batteriemodul angeordnet sind.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt einen Grundaufbau eines Batteriemodules aus mehreren Batteriezellen sowie eine von einem Kühlfluid durchströmte Kühleinrichtung.
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Ein Batteriemodul 10 gemäß der Darstellung in 1 umfasst eine Anzahl von Batteriezellen 12. Eine jede der Batteriezellen 12 umfasst einen Zellendeckel 14, einen Zellenboden 16 sowie Zellenwände 18, die die Batteriezelle 12 begrenzen. Im Batteriemodul 10 ist auch eine mit Bezugszeichen 22 bezeichnete deformierte Batteriezelle aufgenommen. Sämtliche Batteriezellen 12 bzw. 22 des Batteriemodules 10 werden mittels eines Spannbandes 20 gegeneinander verspannt, so dass sich ein inniger Flächenkontakt zwischen den Zellenwänden 18 jeweils benachbarter Batteriezellen 12 bzw. 22 innerhalb des Batteriemodules 10 einstellt.
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Das Batteriemodul 10 aus gegeneinander mittels des Spannbandes 20 verspannten Batteriezellen 12, 22 wird über eine Temperiereinrichtung 32 temperiert. Bei der Temperiereinrichtung 32 handelt es sich im Allgemeinen um eine Kühlplatte, die von einem Kühlfluid oder einem Temperierfluid durchströmt wird. Zur Abfuhr von Wärme, d.h. zur Beibehaltung eines optimalen Betriebstemperaturbereiches für die Batteriezellen 12, 22 ist eine Temperatur im Batteriemodul 10 zwischen 10°C und 25°C einzuhalten, um optimale Betriebsbedingungen zu schaffen. Bei niedrigen Außentemperaturen, beispielsweise im Winter, kann es erforderlich sein, über die Temperiereinrichtung 32 die Batteriezellen 12, 22 des Batteriemodules 10 nicht zu entwärmen, sondern zu beheizen, um besagten optimalen Betriebstemperaturbereich zwischen 10°C und 25°C beizubehalten.
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Zur Erreichung einer effektiven Entwärmung – um bei diesem Betriebsmodus der Temperiereinrichtung 32 zu bleiben – ist ein flächiger Kontakt zwischen den Batteriezellen 12, 22 des Batteriemodules 10 und der elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. der als Kühlplatte ausgebildeten Temperiereinrichtung 32 anzustreben.
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Wie aus 1 hervorgeht, herrscht innerhalb des Batteriemodules 10, dem Verbund der in 1 dargestellten sieben Batteriezellen 12, 22 ein Höhenversatz 28. Die Zellenböden 16 sind unterschiedlich hoch und kontaktieren die Isolationsschicht 30 im günstigsten Falle. Der Höhenversatz 28 der Zellenböden 16 andererseits bewirkt bei schlecht ausgerichteten Batteriezellen 26, jedoch, dass ein Luftspalt 24 zwischen dem Zellenboden 16 der jeweiligen Batteriezellen 12, 22 und der Isolationsschicht 30 bzw. der Temperiereinrichtung 32 verbleibt. Für den Fall, dass im Batteriemodul 10 eine deformierte Batteriezelle 22 enthalten ist, stellt sich bei deformiertem Zellenboden 16, vgl. Pos. 22 in 1, auch kein vollflächiger eine Wärmeleitung begünstigender Kontakt zwischen dem deformiertem Zellenboden 16 und der Isolationsschicht 30 bzw. Temperiereinrichtung 32 ein.
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2 zeigt ein Batteriemodul, welches aus einer Anzahl gegeneinander mittels eines Spannbandes verspannter Batteriezellen besteht.
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Das Batteriemodul 10 gemäß der Darstellung in 2 ist identisch zu dem Batteriemodul gemäß der Darstellung in 1, bei dem einzelne Batteriezellen 12 bzw. 22 mit einem Höhenversatz 28 in Bezug auf den Zellenboden 16 mittels des Spannbandes 20 gegeneinander verspannt sind.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend befindet sich in der Ausführungsvariante des Batteriemodules gemäß der Darstellung in 2 an der Unterseite, d.h. am Zellenboden 16 einer jeden der Batteriezellen 12 bzw. 22 des Batteriemodules 10 erste Wärmeübertragungselemente 34. Bei den ersten Wärmeübertragungselementen 34 handelt es sich beispielsweise um gewinkelte Bleche, welche aus einem gute Wärmeleiteigenschaften aufweisenden Material, wie beispielsweise Cu, Fe, Al oder einer Al-Legierung gefertigt sind. Den einzelnen, an den Zellenböden 16 der Batteriezellen 12 bzw. 22 befestigten ersten Wärmeübertragungselementen 34 gegenüberliegend, befindet sich an einer Oberseite 62 einer elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. einer Temperiereinrichtung 32 zweite Wärmeübertragungselemente 36. Diese sind jeweils als gewinkelte Bleche bzw. gewinkelte Blechstreifen ausgebildet. Ein jedes der ersten und zweiten Wärmeübertragungselemente 34, 36 gemäß der Ausführungsvariante in 2 umfasst einen ersten kurz ausgebildeten Schenkel 40 sowie einen zweiten länger ausgebildeten Schenkel 42. Die beiden Schenkel 40 bzw. 42 eines jeden Wärmeübertragungselementes 34 bzw. 36 sind in einem Biegewinkel 38 zueinander orientiert. Der Biegewinkel 38 wird vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 90° und 110° gewählt.
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Wie 2 weiter zeigt, liegen die ersten Wärmeübertragungselemente 34, die an den Zellenböden 16 der Batteriezellen 12 bzw. 22 angebracht sind und die als gewinkelte Blechstreifen ausgebildeten zweiten Wärmeübertragungselemente 36, die sich auf der Oberseite 62 der Isolationsschicht 30 bzw. der Temperiereinrichtung 32 befinden, paarweise einander gegenüber. Ein jedes Paar einander gegenüberliegender erster Wärmeübertragungselemente 34 und zweiter Wärmeübertragungselemente 36 sind in einem Horizontalversatz 44 in Bezug aufeinander ausgebildet. Die Geometrie des zweiten Wärmeübertragungselementes 36 aus metallischem Material wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein erster kurzer Schenkel 40 länger ist als ein erster kurzer Schenkel 40 eines ersten Wärmeübertragungselementes 34 (vergleiche insbesondere Darstellung gemäß 2).
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Die paarweise einander gegenüberliegenden Wärmeübertragungselemente 34 bzw. 36 sind hinsichtlich ihrer offenen Enden so zueinander ausgerichtet, dass bei der Montage die Möglichkeit besteht, dass die hakenförmig ausgebildeten Wärmeübertragungselemente 34 bzw. 36 miteinander verhakt werden können.
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3 zeigt eine Ausbildung eines Verbundes und eine damit einhergehende plastische Verformung der paarweise einander gegenüberliegenden Wärmeübertragungselementen zu einem Verbund.
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Ausgehend von der Darstellung in 2, wird der Verband aus Batteriezellen 12, 22 der wie in 2 angedeutet einen Höhenversatz 28 aufweist und durch das Spannband 20 zusammengehalten wird, gegen die elektrische Isolationsschicht 30 bzw. die als Kühlplatte ausgebildete Temperiereinrichtung 32 verpresst. Nun erfolgt ein Pressvorgang, bei dem die Wärmeübertragungselemente 34, 36 zu einem Verbund 48, d.h. einem stabilen metallischen Verbund, umgeformt werden. Es entsteht eine thermische Kontaktierung 52 zwischen den Zellenböden 16 der Batteriezellen 12, 22 des Batteriemodules 10 und der Oberseite der elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. der Temperiereinrichtung 32. Durch den stabilen aus metallischem Material entstandenen Verbund 48 und dessen gute thermische Leitfähigkeit kann somit eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 12, 22 und der darunter angeordneten Temperiereinrichtung 32, die bevorzugt als eine von einem Kühlfluid durchströmte Platte ausgebildet sein kann, erreicht werden. Zuvor entstandene Toleranzen zwischen den Batteriezellen 12, 22 werden durch die Wärmeübertragungselemente 34, 36 im Wesentlichen kompensiert.
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Ferner kann beim Verpressen der Höhenversatz 28, vgl. Darstellung gemäß der 1 und 2, des Verbundes aus Batteriezellen 12, 22 kompensiert werden. Bei einem Verpressen des durch das Spannband 20 zusammengehaltenen Verbundes aus Batteriezellen 12, 22 mit entsprechender Presskraft, entstehen Verbunde, die eine unterschiedliche Geometrie ausweisen. Dies bedeutet, dass je nach Höhenversatz 28 der Zellenböden 16 der Batteriezellen 12, 22 in Bezug aufeinander, unterschiedlich breite und unterschiedlich hohe Verbunde entstehen und stets gewährleistet ist, dass sich eine äußerst wirksame thermische Kontaktierung 52 zwischen den Batteriezellen 12, 22 einerseits und der elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. der Temperiereinrichtung 32 andererseits einstellt. Mit Bezugszeichen 54 ist in 3 eine Entwärmung angedeutet. Wird bei niedrigen Außentemperaturen eine Beheizung der Batteriezellen 12 bzw. 22 des Batteriemoduls 10 erforderlich, so kann eine in umgekehrte Pfeilrichtung gemäß 3 erfolgende Beheizung, d.h. ein Wärmeübergang von der Temperiereinrichtung 32 hin zu den Batteriezellen 12, 22 des Batteriemoduls 10 realisiert werden.
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Um mögliche Toleranzen zwischen den einzelnen Komponenten, d.h. den Batteriezellen 12, 22 des durch das Spannband 20 zusammengehaltenen Verbundes ausgleichen zu können, sollte ein ausreichender Abstand zwischen den Wärmeübertragungselementen 34, 36 und den entsprechenden miteinander zu kontaktierenden Komponenten vorgesehen werden. Der erste, kurze Schenkel 40 der zweiten Wärmeübertragungselemente 36 sollte – im Verhältnis zu dem ersten kurzen Schenkel 40 der ersten Wärmeübertragungselemente 34 – so groß gewählt sein, dass die ersten Wärmeübertragungselemente 34 der Batteriezellen 12, 22 mit dem höchsten auszugleichenden Vertikalversatz 46 immer noch problemlos in die gegenüberliegenden zweiten Wärmeübertragungselemente 36 eingehakt werden. Bei den ersten und zweiten Wärmeübertragungselementen 34 bzw. 36 handelt es sich jeweils um standardisierte Bauteile, deren Schenkellängen des ersten kurzen Schenkels 40 bzw. zweiten längeren Schenkels 42 bereits im Vorfeld festgelegt und nicht für ein jedes neues Batteriemodul 10 angepasst werden, so dass eine Gleichteileverwendung ermöglicht ist.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Verbesserung eines thermischen Kontaktes zwischen einem Verbund aus Batteriezellen und einer Temperiereinrichtung dargestellt.
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Aus 4 geht hervor, dass in diesem Falle ebenfalls ein Verbund aus Batteriezellen 12 bzw. 22 durch das Spannband 20 zusammengehalten wird. Analog zu den Darstellungen gemäß den 1 und 2 weist auch der Verbund aus Batteriezellen 12, 22 gemäß der Darstellung in 4 in Bezug auf die Zellenböden 16 der einzelnen Batteriezellen 12 bzw. 22 den Höhenversatz 28 auf. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsvariante befinden sich jedoch dritte Wärmeübertragungselemente 58, die ebenfalls aus einem gute Wärmeleiteigenschaften aufweisenden Material, wie beispielsweise Cu, Fe oder Al oder einer Al-Legierung gefertigt sind, zwischen den einzelnen Zellenwänden 18 benachbarter Batteriezellen 12 bzw. 22. Die dritten Wärmeübertragungselemente 58, die in die Zwischenräume 56 zwischen einander benachbarter Batteriezellen 12 bzw. 22 eingelegt sind, werden beim Verspannen des Verbundes aus Batteriezellen 12 bzw. 22 durch das Spannband 20 an die einzelnen an die Zellenwände 18 benachbarter Batteriezellen 12, 22 angestellt. Somit ergibt sich ein inniger Flächenkontakt zwischen den dritten Wärmeübertragungselementen 58, die fast die gesamte Höhe der Zellenwände 18 benachbarter Batteriezellen 12 bzw. 22 überdecken und somit sowohl eine effiziente Entwärmung als auch erforderlichenfalls eine effiziente Beheizung einander benachbarter mit den in den Zwischenräumen 56 hineinragenden Schenkeln realisieren. Die einzelnen Zwischenräume 56, die sich zwischen benachbarten Batteriezellen 12 bzw. 22 befinden, sind durch die längeren Schenkel der dritten Wärmeübertragungselemente 58 ausgefüllt, d.h. dort herrscht ein Flächenkontakt 60 zwischen den dritten Wärmeübertragungselementen 58 und den Zellenwänden 18 benachbarter Batteriezellen 12 bzw. 22.
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Dadurch besteht die Möglichkeit, einen Wärmetransport auch in vertikale Richtung, d.h. insbesondere aus der Mitte einer Batteriezelle 12 bzw. 22 heraus zu ermöglichen. des Weiteren kann die Wärme außerdem großflächig über die Zellenwände 18 der Batteriezellen 12, 22, d.h. eines Batteriemodulgehäuses, abgeführt werden. Auch in der Ausführungsvariante gemäß 4 weisen die dritten aus einem metallischen Werkstoff mit guten Wärmeleiteigenschaften gefertigten dritten Wärmeübertragungselemente 58 einen ersten kurzen Schenkel 40 auf, der im Wesentlichen parallel zum Zellenboden 16 der miteinander verspannten Batteriezellen 12 bzw. 22 des Batteriemoduls 10 verläuft. Dieser liegt analog zur Ausführungsvariante gemäß 2 ebenfalls aus einem metallischen Material gefertigten zweiten Wärmeübertragungselement 36 gegenüber, das sich auf der Oberseite 62 der elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. Temperiereinrichtung 32 befindet.
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Auch in der Ausführungsvariante gemäß 4 sind die ersten Wärmeübertragungselemente 34, die an der Unterseite der Zellenböden 16 befestigt sind, in einem Biegewinkel 38 ausgebildet; analog verhält es sich bei den ersten kurzen Schenkeln 40 und den zweiten längeren Schenkeln 42 der zweiten Wärmeübertragungselemente 36, die sich auf der Oberseite 62 der elektrischen Isolationsschicht 30 bzw. der Temperiereinrichtung 32 befinden. Die ersten Wärmeübertragungselemente 34 und die dritten Wärmeübertragungselemente 58 bilden in der Ausführungsvariante, die in 4 dargestellt ist, ein gemeinsames Bauteil. Alternativ besteht die Möglichkeit, die ersten Wärmeübertragungselemente 34 und die dritten Wärmeübertragungselemente 58 form- bzw. stoffschlüssig miteinander zu verbinden, um die Wärme aus der Mitte eines Batteriezellenverbunden an die Temperiereinrichtung 32 übertragen zu können.
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Bei einem Verpressen des durch das Spannband 20 vorgespannten Verbundes aus Batteriezellen 12 bzw. 22 stellen sich analog zur Ausführungsvariante gemäß 3 thermische Kontaktierungen 52 zwischen den Batteriezellen 12, 22 und der elektrischen Isolationsschicht 30 ein, die entweder eine effiziente Entwärmung der Batteriezellen 12 bzw. 22 bei deren Betrieb ermöglicht, oder gegebenenfalls eine effiziente Beheizung der Batteriezellen 12 bzw. 22 bei niedrigen Außentemperaturen je nach Betriebsweise der Temperiereinrichtung 32 ermöglichen.
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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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- DE 102008028400 [0002]
- US 2012/0028099 [0004]
