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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Kühlung einer Batterieanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein Fahrzeug mit einem hybriden Antrieb oder ein Fahrzeug mit einem rein elektrischen Antrieb.
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Wegen ihrer hohen Kapazität werden in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet. Dieser Typ von Akkumulatoren kann sich im Betrieb erwärmen. Zur Sicherstellung einer angemessenen Reichweite eines Fahrzeuges, einer angemessenen Lebensdauer der Akkumulatoren und einer angemessenen abrufbaren Leistung müssen die Akkumulatoren temperiert werden. Beispielsweise ist es erforderlich, dass die Temperaturdifferenz zwischen einzelnen Zellen eines Akkumulators niedrig ist. Die Abwärme des Akkumulators kann zur Temperierung des Innenraums eines Fahrzeuges verwendet werden. Im Stand der Technik sind aktive und passive Kühlsysteme für Akkumulatoren bekannt.
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Steigende Anforderung an die Reichweite und die Leistung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bedingen, dass der Akkumulator eine höhere Anzahl von Zellen aufweist, die seriell/oder parallel geschaltet werden können. Ein Akkumulator eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges kann eine Spannung von etwa 250 V bis etwa 600 V aufweisen. Mit der zunehmenden Kapazität eines Akkumulators für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nehmen dessen Abmessungen sowie die Anzahl an Zellen zu.
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Im Stand der Technik werden die Zellen teilweise starr auf einem Modulboden angeordnet. Diese Anordnungen weisen große Abmessungen auf, so dass sie während der Herstellung umständlich gehandhabt werden müssen . Ferner muss auch bei einer Lagetoleranz einzelner Zellen eine gleichmäßige Wärmeabfuhr sicher gestellt sein.
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Die
DE 10 2013 201 102 A1 offenbart mäanderförmige Kühlkanäle, die zwischen einer Batteriezelle und einem elastischen Element angeordnet sind. Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Batterieanordnung mit einer verbesserten Kühlung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung zu schaffen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Batterieanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.
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Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, die dazu ausgebildet ist, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit Strom zu versorgen, umfasst eine erste Mehrzahl von Modulen, die je mindestens eine Zelle aufweisen, die elektrische Ladung speichert, einen Boden, einen flexiblen Schlauch, zumindest ein Führungselement und ein Anordnungselement. Der flexible Schlauch ist in zumindest einer Dimension flexibel. Durch den flexiblen Schlauch strömt ein Fluid zum Temperieren der Module. Der Schlauch ist an den Modulen angeordnet. Das Anordnungselement ordnet zumindest ein Modul so an, dass der Querschnitt des Schlauches durch das Modul elastisch verformt wird. Der Schlauch ist in seinem Querschnitt und in seiner Querrichtung flexibel. Der Schlauch kann eine Positionstoleranz der Module elastisch ausgleichen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jedes Modul thermisch mit dem Schlauch hinreichend gekoppelt ist. Der Querschnitt des Schlauchs wird durch das Modul verformt, so dass eine größere Fläche des Schlauchs am Modul anliegt, wodurch der thermische Übergang verbessert wird.
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Der flexible Schlauch kann unter dem Modul angeordnet sein und kann durch das Gewicht des Moduls verformt werden. Zum einen können dadurch Positionstoleranzen des Moduls ausgeglichen werden und zum anderen wird sichergestellt, dass der flexible Schlauch eine große Kontaktfläche zum Modul hat.
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Der flexible Schlauch kann neben dem Modul angeordnet sein und durch ein Halteelement und das Modul verformt werden. Diese Anordnung ist für ein Randmodul geeignet.
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Der flexible Schlauch kann zwischen zwei Modulen angeordnet sein und durch die beiden Module verformt werden. Diese Anordnung ist für Module geeignet, die sich nicht am Rand der Batterieanordnung befinden. Durch den Schlauch können Positionstoleranzen ausgeglichen werden und die Module gegeneinander zusätzlich gestützt werden.
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Der flexible Schlauch kann über dem Modul angeordnet sein und durch das Halteelement und das Modul verformt werden. Diese Anordnung ist für Module geeignet, die eine zusätzliche Kühlung erfordern.
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Der flexible Schlauch kann durch das Gewicht und/oder durch die Position des Moduls bzw. der Module elastisch verformt werden. Der Schlauch kann aber auch durch eine Verpresskraft bei der Befestigung zumindest eines Moduls elastisch verformt werden.
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Mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 15 %, der dem Schlauch zugewandten Modulfläche befindet sich in thermischer Kopplung mit dem Schlauch. Vorteilhafterweise beträgt die Wärmeübertragung zwischen dem Modul und dem Fluid zwischen etwa 575 W/m2K und etwa 3000 W/m2K, vorzugsweise zwischen etwa 1000 W/m2K und etwa 2000 W/m2K. Vorzugsweise ist der Schlauch aus einem Kunststoff mit einer Wandstärke von etwa 0,05 mm bis etwa 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und etwa 0,75 mm, hergestellt. Bei Verwendung von Schläuchen aus einen für eine Wärmeübertragung optimierten Kunststoff oder bei Verwendung von Schläuchen mit einem Metallgeflecht oder bei der Verwendung von Kunststoff-Metall-integrierten Schläuchen sind höhere Wandstärken von bis zu etwa 4 mm, vorzugsweise bis etwa 6 mm möglich.
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Zwischen dem Schlauch und dem Boden kann ein Isolierelement angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass eine größere Menge thermischer Energie vom Modul an den Schlauch oder umgekehrt abgegeben werden kann. Das Isolierelement kann sicherstellen, dass weniger Wärme oder Kälte an die Umgebung aus dem Kühlmedium bzw. Heizmedium im Schlauch abgegeben wird und dass die Wärme oder die Kälte aus dem Medium im Schlauch mit niedrigen Verlusten an die Batterie abgegeben wird. Dadurch kann einerseits sichergestellt werden, dass alle Module der Batterieanordnung im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Andererseits kann dadurch erreicht werden, dass möglichst viel thermische Energie zum Klimatisieren des Innenraumes zur Verfügung steht.
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Die Batterieanordnung kann ein Befestigungselement aufweisen, das den Schlauch am Boden befestigt, wobei das Befestigungselement zumindest teilweise in den Boden ragt. Das Befestigungselement kann mittels eines sogenannten Clip-Verschlusses im Boden befestigt sein. Das Befestigungselement kann am Boden mittels eines Saugnapfes oder einer Klebeverbindung befestigt sein.
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Die Batterieanordnung kann ferner ein Abstandselement aufweisen, das zwischen einem ersten und einem zweiten Schlauchbereich angeordnet ist und das Isolierelement berührt. Das Abstandselement kann integral mit dem Anordnungselement ausgebildet sein. Dadurch wird zum einen erreicht, dass der Schlauch gezielt entlang des Bodens und unter den Modulen geführt wird und zum anderen erreicht, dass das Modul sicher gestützt wird und ein vorbestimmter Mindestquerschnitt für das durch den Schlauch strömende Fluid vorhanden ist.
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Wenn das Abstandselement integral mit dem Anordnungselement ausgebildet ist, kann das Abstandselement das Modul berühren. Das Abstandselement kann zumindest in einer Richtung, die vom Modul in Richtung Boden gerichtet ist, flexibel sein.
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Das Isolierelement kann eine Ausnehmung aufweisen, die in Richtung Modul geöffnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Schlauchs in der Ausnehmung angeordnet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Schlauch deterministisch entlang des Bodens geführt wird. Der Querschnitt der Ausnehmung kann im Wesentlichen U-förmig sein.
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Zumindest ein Anordnungselement kann elastisch ausgebildet sein und zumindest ein Modul gegen den Boden und/oder das Isolierelement stützen. Der Schlauch kann unter jedem Modul einen U-förmigen oder zig-zag-förmigen Bereich bilden. An jedem Modul kann ein Vorlaufbereich des Schlauches und ein Rücklaufbereich des Schlauches angeordnet sein. Sowohl der Vorlaufbereich als auch der Rücklaufbereich können mäanderförmig ineinander angeordnet sein. Durch eine mäanderförmig Anordnung des Schlauches kann erreicht werden, dass das kältere eintretende Kühlmedium und das wärmere austretende Kühlmedium aus jeder Zelle gleichmäßig abgeführt und verteilt wird. Dadurch kann eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Zellen der Batterieanordnung erreicht werden. Der Schlauch wird vorzugsweise quer zur Anordnung der Zellen gelegt, so dass unter jeder Zelle der Hinlauf und Rücklauf nahe beieinander liegen können. Es kann eine thermische Kopplung zwischen dem Rücklaufbereich und dem Vorlaufbereich vorhanden sein.
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Vorzugsweise sind die Mäander in der Längsrichtung unter jedem Modul ausgebildet.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann der Schlauch unter einer Mehrzahl Module einen U-förmigen Bereich entlang der Querrichtung der Module bilden. Dadurch kann auch sichergestellt werden, dass in allen Modulen eine im Wesentlichen gleiche Temperatur herrscht. Die Querrichtung ist diejenige Richtung der Fläche des Moduls, die die kürzere Länge aufweist. Die Längsrichtung ist diejenige Richtung der Fläche des Moduls, die die längere Länge aufweist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit der zuvor beschriebenen Batterieanordnung.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung. Ein Schlauch wird auf einem Boden einer Batterieanordnung angeordnet, wobei vom Boden eine Mehrzahl bodenseitiger Vorsprünge wegragen. Ein Werkzeug mit einer Mehrzahl werkzeugseitiger Vorsprünge wird an den Schlauch positioniert, wobei die werkzeugseitigen Vorsprünge den Schlauch berühren. Das Werkzeug wird so verschoben, dass sich eine Mehrzahl Mäander bilden, wobei der Schlauch während des Verschiebens von den werkzeugseitigen Vorsprüngen und von den bodenseitigen Vorsprüngen gehalten wird. Auf dem Schlauch wird eine Mehrzahl Batteriemodule positioniert.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen, detaillierter beschrieben, wobei:
- 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 3 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 4 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 5 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 6 einen Schnitt durch eine sechste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 7 einen Schnitt durch eine siebte Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 8 einen Schnitt durch eine achte Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
- 9 und 10 eine perspektivische Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform der Erfindung zeigen.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Modul 102 mit zumindest einer Zelle quer zur Strömungsrichtung auf einen Schlauch 108, 110 angeordnet ist. In dem Schlauch 108, 110 fließt ein Fluid 112 zum Temperieren des Moduls 102. Der Schlauch 108, 110 ist auf einem Isolierelement 106 angeordnet. Das Isolierelement ist über dem Boden 104 der Batterieanordnung 100 angeordnet. Im Modul 102 ist zumindest eine Zelle 103 mit Anschlüssen angeordnet.
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Die Batterieanordnung 100 mit der Mehrzahl Modulen 102 liefert Strom an eine elektrische Maschine eines Fahrzeuges.
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Die Batterieanordnung 100 weist optionale Anordnungselemente 120 auf, die das Modul 102 so anordnen, dass der Querschnitt des Schlauches 108, 110 elastisch verformt wird. Dadurch wird zum einen erreicht, dass eine größere Fläche des Schlauches 108, 110 am Modul anliegt, wodurch der Wärmeübergang vom Modul 102 zum Schlauch 108, 110 und umgekehrt verbessert wird. Fernen können durch den verformbaren Schlauch 108, 110 Positionstoleranzen und/oder Größentoleranzen des Moduls 102 kompensiert werden. Das Anordnungselement 120 kann elastisch sein. Im Schlauchbereich 108 strömt das Fluid 112 in eine erste Richtung, und im Schlauchbereich 110 strömt das Fluid 112 in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
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Das Fluid erwärmt sich entlang dessen Strömungsrichtung. Durch den Kontakt einer Zelle bzw. eines Moduls mit einem vergleichsweise kühlen Vorlaufbereich 108 und einem in Strömungsrichtung weiter entfernten wärmeren Rücklaufbereich 110 findet ein Temperaturausgleich zwischen den Zellen und den Modulen statt. Dadurch können alle Zellen bzw. Zellenmodule auf einem im Wesentlichen gleichen Temperaturniveau gehalten werden.
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Jetzt werden weitere Ausführungsformen beschrieben, deren Funktionsweise im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht. Folglich werden im Wesentlichen lediglich die strukturellen Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine zweite Ausführungsform 200 der erfindungsgemäßen Batterieanordnung zeigt. Ein Modul 202 mit zumindest einer Akkumulatorzelle 203 mit Anschlüssen 205 wird mittels optionaler Anordnungselemente 220 so gehalten, dass der Querschnitt eines Schlauches 208, 210, der auf einem Isolierelement 206 angeordnet ist, das auf einem Boden 204 angeordnet ist, durch das Modul 202 verformt wird. Im Schlauch 208, 210 strömt ein Fluid 212 zum Temperieren des Moduls. Der Schlauch 208, 210 ist mittels eines Befestigungselementes 214 am Boden 204 befestigt. Das Befestigungselement umfasst einen vergleichsweise weichen Auskragungsbereich 216 mit zumindest einer Auskragung, die in eine komplementäre Ausnehmung im Boden 204 gesteckt wird. Eine derartige Befestigung wird im Stand der Technik als Clips-Verbindung bezeichnet. Ferner weist das Befestigungselement 214 einen Säulenbereich 218 auf, der sich vom Auskragungsbereich 216 in Richtung Schlauch 208, 210 erstreckt und durch das Isolierelement 206 verläuft. Am oberen Ende des Säulenbereichs 218 kann eine Schelle angebracht sein, die den Schlauch 208, 210 umschließt, oder ein gebogenes Segment angeordnet sein, in das der Schlauch 208, 210 gelegt werden kann. Es versteht sich, dass das Befestigungselement in dem den Schlauch 208, 210 zumindest teilweise umfassenden Bereich flexibel ausgebildet sein muss.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine dritte Ausführungsform 300 der erfindungsgemäßen Batterieanordnung zeigt. Ein Modul 302 mit zumindest einer Zelle 303 mit Anschlüssen 305 eines Akkumulators wird von einem optionalen Anordnungselement 320 gegenüber dem Boden 304 gestützt. Das Anordnungselement 320 kann elastisch ausgebildet sein. Das Modul verformt einen Schlauch 308, 310 durch den ein Fluid 312 strömt. Zwischen dem Boden 304 und dem Schlauch 308, 310 ist ein Isolierelement 306 angeordnet. Zwischen dem Modul 302 und dem Isolierelement 306 ist ein Abstandselement 324 angeordnet, das den Abstand zwischen dem Modul 302 und dem Isolierelement 306 festlegt. Dadurch wird die Verformung des Schlauches 308, 310 festgelegt. Das Abstandselement 324 kann je nach Anforderung starr oder flexibel ausgebildet sein. Durch das Abstandselement 324 wird einerseits sichergestellt, dass eine determinierte Verformung des Schlauchs 308, 310 auftritt und andererseits sichergestellt, dass die Schlauchbereiche 308, 310 auf eine vorbestimmte Weise zwischen dem Modul 302 und dem Isolierelement 306 angeordnet sind.
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Es wird auf 4 Bezug genommen, die eine vierte Ausführungsform 400 der Erfindung zeigt. Ein Modul 402 mit zumindest einer Zelle 403 mit Anschlüssen 405 eines Akkumulators wird durch ein optionales Anordnungselement 420 gegenüber dem Boden 404 gestützt. Auf einem Isolierelement 406 ist ein Schlauch 408, 410 angeordnet. Das Modul 402 verformt den Schlauch 408, 410. Das Isolierelement umfasst Ausnehmungen 436, 438, die zwischen Vorsprüngen 430, 432, 434 gebildet sind, und in denen die Schlauchbereiche 408, 410 angeordnet sind. Die Ausnehmungen 436, 438 stellen sicher, dass der Schlauch innerhalb des Isolierelements 406 in einer deterministischen Position angeordnet ist. Die Vorsprünge 430, 432, 434, können zum Modul 402 reichen und als Abstandselement und/oder als Anordnungselement fungieren.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt, die im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform entspricht.
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Ein Modul 502 umfasst eine Zelle 503 mit einer Mehrzahl Anschlüssen 505. Das Modul wird von optionalen Anordnungselementen 520 in einer Position gehalten, in der der flexible Schlauch 508, 510 in seinen Querschnitt verformt wird. Unter dem Schlauch 508, 510 sind Isolierelemente 506 angeordnet. Die Isolierelemente 506 verhindern den Austausch thermischer Energie zwischen dem Schlauch 508, 510 und dem Boden 504 der Batterieanordnung 500. Ein Befestigungselement 514 hält den Schlauch 508, 510 in seiner Stellung. Ein Säulenbereich 518 des Befestigungselementes 514 kann mittels eines Saugnapfes oder einer Klebeverbindung am Boden 504 befestigt sein. Innerhalb des Schlauchs 508, 510 fließt ein Fluid zum Temperieren des Moduls 502.
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Es wird auf 6 Bezug genommen, die eine sechste Ausführungsform der Erfindung zeigt. Eine Mehrzahl Module 601, 602 umfassen je zumindest eine Zelle 603 mit Anschlüssen 605. Zwischen den Modulen 601, 602 ist ein flexibler Schlauch 608, 610 angeordnet, durch den ein Fluid zum Temperieren der Module 601, 602 strömt. Die Module 601, 602 sind so angeordnet, dass sie den flexiblen Schlauch 608, 610 in seinem Querschnitt verformen. Dadurch können zum einen Positionstoleranzen ausgeglichen werden und zum anderen kann sichergestellt werden, dass eine möglichst große Fläche der Module 601, 602 mit dem Schlauch 608, 610 thermisch gekoppelt ist.
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Es wird auf 7 Bezug genommen, die eine siebte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein Modul 702 umfasst zumindest eine Zelle 703 mit Anschlüssen 705. Ein Befestigungselement 720 hält einen Schlauch 708, 710 derart, dass er vom Modul 702 und Befestigungselement 720 verformt wird. Zwischen dem Befestigungselement 720 und dem Schlauch 708, 710 befindet sich ein Isolierelement 706. Im Schlauch 708, 710 strömt ein Fluid 712 zum Temperieren des Moduls 702.
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Es wird auf 8 Bezug genommen, die eine achte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein Zulaufbereich 808 ist auf einem Modulboden mäanderförmig angeordnet. Benachbart zum Zulaufbereich 808 des Schlauchs ist ein Rücklaufbereich 810 mäanderförmig angeordnet. Der mäanderförmige Zulaufbereich 808 und der mäanderförmige Rücklaufbereich 810 sind ineinander so angeordnet, dass sie sich nicht überkreuzen. Die Module 802 sind in einer Modulanordnung so angeordnet, dass jeweils ein Vorlaufbereich 808 und ein Rücklaufbereich 810 thermisch mit dem Modul 802 gekoppelt sind. Der Schlauch 808, 810 verläuft unter den Modulen 802 vorzugsweise in deren Längsrichtung.
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Es wird auf 9 und 10 Bezug genommen, die ein Verfahren zum Anordnen eines Schlauches auf dem Boden 904 gemäß einer neunten Ausführungsform 900 einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung zeigt. Das Fluid strömt bei einem Einlassbereich 909a in die Batterieanordnung ein und bei einem Auslassbereich 909b aus der Batterieanordnung heraus. Der Schlauch wird in Mäandern 908, 912 auf dem Boden 904 über einer Mehrzahl Isolierelemente 906 verlegt. Der Schlauch liegt an ersten Anordnungselementen 940 an. Mittels eines rechenartigen Montagewerkzeuges 962, das eine Mehrzahl Vorsprünge 964 aufweist, die den Schlauch 908, 910 greifen, wird der Schlauch 908, 910 von seinen Einlassbereich 909a und Auslassbereich 909b in Mäandern über dem Boden 904 gezogen, bis er an zweiten Befestigungselementen 950 angeordnet ist. Dabei halten die ersten Befestigungselemente 940 den Schlauch 908, 910 derart, dass sich die Mäanderstruktur bzw. eine Zig-Zag-Struktur bildet.
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Erfindungsgemäß kann der zuvor beschriebene Schlauch aus einem elastischen Kunststoff gebildet sein. Der Schlauch kann in U-förmigen Schleifen im Bodenbereich des Akkumulators angeordnet sein. Die Zellböden können senkrecht zum Schlauch angeordnet sein, so dass jede Zelle den Schlauch berührt. Falls eine höhere Temperierungsleistung erforderlich ist, kann der Schlauch in mehreren Schleifen einen Boden einer Zelle oder eines Moduls berühren, um mehr Temperierungsfläche und damit mehr Temperierungsleistung zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich kann durch die Mehrzahl von Berührungsflächen des Schlauches an einem Modul eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Batterieanordnung erreicht werden.
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Das Fluid im Schlauch kann ein Kältemittel oder ein Gemisch aus Wasser und Glykol sein. Die flexible Ausgestaltung des Schlauches ermöglicht, dass der Schlauch zwischen dem Boden der Zelle beziehungsweise des Moduls mit dem Boden der Batterieanordnung verpresst werden kann. Folglich befindet sich der Schlauch über die gesamte Lebensdauer der Batterieanordnung in der gewünschten Position und die Kontaktfläche zum Boden oder Wand der Zelle bzw. des Moduls vergrößert sich.
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Die Erfindung vermeidet darüber hinaus die Nachteile starrer Kühler, die kompliziert und teuer hinsichtlich Handhabung beim Transport, bei der Produktion und bei der Verpackung sind. Darüber hinaus sind Kühler des Standes der Technik, beispielsweise Flachrohrkühler mit einer Federschiene, nicht beliebig skalierbar.
