DE102016110639A1

DE102016110639A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102016110639A1
Application number: DE102016110639.9A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grass
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) mit mehreren Batteriezellen (2) und Halteplatten (4, 5) zum Halten der Batteriezellen (2) auf abgewandten Seiten der jeweiligen Batteriezelle (2), wobei zwischen den Batteriezellen (2) ein freier Raum (9) zum Durchleiten eines Kühlmediums gebildet ist. Bei einem solchen Batteriemodul ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem freien Raum (9) zwischen den Batteriezellen (2) Verdrängungskörper (7) für das Kühlmedium angeordnet sind, wobei die Verdrängungskörper (7) direkt an den Batteriezellen (2) anliegen und Lamellen (10) zur Bildung von Strömungskanälen (11) zwischen den Batteriezellen (2) aufweisen. Ein derartiges Batteriemodul weist wegen des geringen Bedarfs an Kühlmedium ein relativ geringes Gewicht auf. Ferner ist das Totvolumen im Batteriemodul gering.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und Halteplatten zum Halten von Batteriezellen auf abgewandten Seiten der jeweiligen Batteriezelle, wobei zwischen den Batteriezellen ein freier Raum zum Durchleiten eines Kühlmediums gebildet ist.
Derartige Batteriemodule finden beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen Verwendung. Die Batteriezellen dieser Batteriemodule sind aufladbar und somit als Sekundärzellen ausgebildet.
Üblicherweise werden Batteriezellen, bei denen es sich beispielsweise um Rundzellen handelt, durch eine Direktkühlung temperiert, wobei ein Kühlmedium durch den freien Raum zwischen den Batteriezellen geleitet wird. Hierbei entsteht durch die Bauteilgeometrie der Batteriezellen viel überflüssiges Volumen, somit ein Totvolumen. Dieses kann nicht zur Temperierung der Batteriezellen verwendet werden. Hierdurch wird mehr Kühlmedium zur Kühlung der Batteriezellen des Energiespeichers benötigt. Dieses relativ große Volumen des Kühlmediums trägt nachhaltig zu einer Erhöhung des Gewichts des Batteriemoduls bei.
Ein Batteriemodul der eingangs genannten Art ist aus der WO 2008/153602 A1 bekannt. Bei diesem dienen die Halteplatten dem Halten von Rundzellen. Die jeweilige Rundzelle ist im Bereich abgewandter Enden in zwei aneinanderliegenden Halteplatten im Bereich deren Trennfläche gelagert. Hierbei sind die Halteplatten profiliert ausgebildet, um eine Vielzahl definierter Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit zu bilden. Dies erfordert eine recht aufwendige Gestaltung der Halteplatten, ferner ist eine präzise Auslegung der Halteplatten erforderlich, da diese nicht nur die Last der Batteriezellen aufnehmen müssen, sondern auch mit einer Vielzahl von Schwächungsstellen in Form von Durchlässen der Halteplatten zur Bildung der Strömungskanäle auszugestalten sind.
In der EP 1 906 126 B1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente beschrieben. Hierbei findet ein Kühlkörper Verwendung, der aus mehreren plattenförmigen Elementen zusammengesetzt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriemodul der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass, zum Zweck der Gewichtsreduktion des Batteriemoduls, beim Kühlen der Batteriezellen möglichst wenig Kühlmedium zu führen ist, und ferner das Totvolumen in dem Batteriemodul möglichst gering ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Batteriemodul, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist vorgesehen, dass in dem freien Raum zwischen den Batteriezellen Verdrängungskörper für das Kühlmedium angeordnet sind. Die Verdrängungskörper liegen direkt an den Batteriezellen an und weisen Lamellen zur Bildung von Strömungskanälen zwischen den Batteriezellen auf.
Die Verdrängungskörper werden zwischen die Batteriezellen, insbesondere Batteriezellen, die als Rundzellen ausgebildet sind, gelegt und verdrängen in diesem Bereich das Kühlmedium. Die Verdrängungskörper liegen direkt an den Batteriezellen an und sind zwischen den Batteriezellen mit den Lamellen ausgestattet, sodass Strömungskanäle zwischen den Batteriezellen entstehen.
Insbesondere erstreckt sich der jeweilige Verdrängungskörper im Wesentlichen über die Höhe und die Breite des Batteriemoduls zwischen den Halteplatten. Die Halteplatten sind insbesondere horizontal angeordnet und/oder die Batteriezellen, bezogen auf deren jeweilige Längserstreckung, vertikal angeordnet.
Vorzugsweise sind die Lamellen über die gesamte Erstreckung der jeweiligen Batteriezelle in deren Längserstreckung, insbesondere über die gesamte Bauhöhe der jeweiligen Batteriezelle, angebracht. Den Lamellen kommt somit auch die Aufgabe zu, die Batteriezellen zu stabilisieren.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Lamellen des jeweiligen Verdrängungskörpers unterschiedlich gestaltet sind. Bevorzugt weisen die Lamellen des jeweiligen Verdrängungskörpers eine unterschiedliche Lamellenbreite und/oder Lamellenlänge auf. Insbesondere sind die Lamellen umlaufend gestaltet, um so Strömungskanäle zu den Batteriezellen zu bilden. Die Lamellen sind insbesondere über die komplette Bauteilhöhe angebracht. Somit wird eine Kühlung über die komplette Zellhöhe gewährleistet.
Durch das Variieren der Lamellenbreite und der Breite der Strömungskanäle kann die Verwirbelung des Kühlmediums und die Strömungsgeschwindigkeit optimiert werden.
Durch die Verdrängungskörper wird weniger Kühlmedium zum Temperieren des Energiespeichers benötigt, womit Gewicht eingespart werden kann. Durch das Optimieren der Strömungsgeschwindigkeit kann die Kühlleistung außerdem verbessert werden.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Materialdichte des jeweiligen Verdrängungskörpers geringer ist als die Dichte des Kühlmediums. Bei diesem Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlflüssigkeit, insbesondere um Öl. Durch die relativ geringe Materialdichte des jeweiligen Verdrängungskörpers kann das Gesamtgewicht des Batteriemoduls weiter reduziert werden.
Der jeweilige Verdrängungskörper besteht insbesondere aus einem schäumbaren oder spritzbaren Material. Demzufolge lässt sich der jeweilige Verdrängungskörper auf einfache Art und Weise bei weitgehend beliebiger Formgebung herstellen.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn der jeweilige Verdrängungskörper aus einem elastischen Material besteht. Aufgrund der elastischen Nachgiebigkeit des jeweiligen Formkörpers entstehen keine Komplikationen beim Verbau, da sich die in das Batteriemodul zwischen den Batteriezellen eingelegten Verdrängungskörper unkompliziert den räumlichen Gegebenheiten anpassen können. Zusätzlich können die Verdrängungskörper Öffnungen aufweisen, die gleichfalls Strömungskanäle bilden.
Die Verdrängungskörper werden insbesondere als Gleichteil verbaut, insbesondere jeweils um 180° gedreht. Vorzugsweise liegen die Verdrängungskörper aneinander an, um möglichst viel Kühlmedium zu verdrängen.
Die Erfindung einschließlich deren Weiterbildungen schlägt somit einen Energiespeicher in Art des Batteriemoduls vor, bei dem die Lamellen der Verdrängungskörper die Batteriezellen des Energiespeichers stabilisieren. Durch das Variieren der Form der Lamellen und der Strömungskanäle kann die Verwirbelung des Kühlmediums und die Strömungsgeschwindigkeit optimiert werden. Durch die Verdrängungskörper wird weniger Kühlmedium zum Temperieren des Energiespeichers benötigt, womit Gewicht eingespart werden kann. Durch das Optimieren der Strömungsgeschwindigkeit kann die Kühlleistung außerdem verbessert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung eines in der Zeichnung wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung ein Batteriemodul, veranschaulicht für den Bereich mehrerer nebeneinander angeordneter Batteriezellen, die stirnseitig in Halteplatten gehalten sind, und den Batteriezellen zugeordneten Verdrängungskörpern,
2 in einer Draufsicht eine Anordnung einer Vielzahl von Batteriezellen und diesen zugeordneten Verdrängungskörpern,
3 eine Ansicht X gemäß 2 eines der Verdrängungskörper mit zwei zusätzlich veranschaulichten Batteriezellen,
4 einen Schnitt A-A gemäß 3,
5 einen Schnitt B-B gemäß 3,
6 einen Schnitt C-C gemäß 3,
7 einen Schnitt D-D gemäß 3,
8 einen Schnitt E-E gemäß 4.
Das in der 1 veranschaulichte Batteriemodul 1 dient der Aufnahme von mehreren als Rundzellen ausgebildeten Batteriezellen 2, die als Sekundärzellen ausgebildet sind. Das Batteriemodul 1 weist ein Gehäuse 3 mit zwei parallel zueinander angeordneten Halteplatten 4, 5 auf. Die jeweilige Halteplatte 4 bzw. 5 ist entsprechend der Anzahl der von dieser aufzunehmenden Batteriezellen 2 mit Rücksprüngen 6 versehen. Die Rücksprünge 6 der Halteplatten 4, 5 werden in die Batteriezellen 2 eingesetzt, womit die Batteriezellen 2 in den Halteplatten 4, 5 gelagert sind.
Zwischen den Batteriezellen 2 ist ein freier Raum 9 zum Durchleiten eines flüssigen Kühlmediums – vorliegend Öl – zwecks Direktkühlung gebildet. Um das Volumen dieses freien Raums zu reduzieren, sind zwischen den diversen Reihen von Batteriezellen 2 Verdrängungskörper 7 angeordnet. Die Verdrängungskörper 7 sind als Gleichteile ausgebildet, somit identisch gestaltet. Sie werden jeweils um 180° zueinander verdreht angeordnet, bezogen auf benachbart angeordnete Verdrängungskörper 7.
Die Verdrängungskörper 7 werden von oben zwischen die Zellreihen 8 geschoben, bevor die obere Halteplatte 4 auf den Batteriezellen 2 montiert wird. Die Verdrängungskörper 7 liegen dann zwischen den Zellkernen und zwischen der oberen und der unteren Halteplatte 4, 5.
In 2 sind nur für einen Teilbereich des Batteriemoduls 1 eingeschobene Verdrängungskörper 7 veranschaulicht, um besser den ohne Verdrängungskörper 7 vorhandenen freien Raum 9 zwischen den Batteriezellen 2 verdeutlichen zu können.
Der Darstellung der 2 ist zu entnehmen, dass die Verdrängungskörper 7 direkt an den Batteriezellen 2 anliegen. Veranschaulicht ist, dass die jeweilige Zellreihe 8 aus fünf Batteriezellen 2 gebildet ist, wobei die Batteriezellen 2 parallel zueinander angeordnet sind, mit deren Längsachsen vertikal positioniert. Die Verdrängungskörper 7 sind mit Lamellen 10 versehen, um so Strömungskanäle 11 zwischen den Batteriezellen 2 zu bilden. Die Lamellen 10 stellen die Freiräume zur Bildung der Strömungskanäle 11 sicher. Die Höhe und Breite der Lamellen 10 und der Strömungskanäle 11 können auf die Kühlleistung, den Volumenstrom und den Strömungswiderstand angepasst werden.
Durch die Verdrängungskörper 7 wird eine zwangsweise Durchströmung des Batteriemoduls 1 erzeugt, bei geringem Totraum und Verwirbelung des Kühlmediums, mit der Folge einer besonders guten Kühlleistung. Die Dichte des jeweiligen Verdrängungskörpers 7 ist kleiner als die Dichte des Kühlmediums. Der jeweilige Verdrängungskörper 7 stellt ein gespritztes oder geschäumtes, insbesondere geschlossenporig geschäumtes Bauteil dar. Somit wird das Material der Verdrängungskörper 7 allein nach der Dichte und der Gewichtseinsparung ausgewählt.
Da die Verdrängungskörper 7 unabhängig von der mechanischen Anbindung der Batteriezellen 2 sind, gehören sie nicht zum Gehäuse 3 und nehmen keine mechanischen Kräfte auf. Demzufolge sind die eingeschobenen Verdrängungskörper 7 durchaus bauraumneutral. Es könnte zum Beispiel eine Basisvariante ohne Verdrängungskörper 7 und eine leichte Sportvariante eines Personenkraftwagens mit den Verdrängungskörpern 7 bereitgestellt werden. Hierbei wären alle anderen Bauteile des Batteriemoduls 1 identisch. Bei dieser leichten Sportvariante wird somit durch die Verdrängungskörper 7 Kühlmedium/Öl und somit Gewicht eingespart. Zudem ergibt sich bei dem Batteriemodul 1 eine besonders gute Wärmeabfuhr, da durch die Anordnung der Verdrängungskörper 7 die Batteriezellen 2 besonders günstig vom Kühlmedium umströmt werden.
3 veranschaulicht, dass der jeweilige Verdrängungskörper 7 sowohl oben als auch unten und überdies zwischen der oberen und unteren Begrenzung des Verdrängungskörpers 7 eine Vielzahl von Lamellen 10 aufweist. Diese Lamellen sind weitgehend parallel zueinander angeordnet. Die Verdrängungskörper 7 durchsetzen, zwischen benachbarten Lamellen 10, eine Vielzahl Strömungskanäle 11, wie dies insbesondere der Darstellung der 4 zu entnehmen ist. Bei Verwendung eines elastischen Materials des Verdrängungskörpers 7 kann sich dieser besonders gut den Batteriezellen 2 anschmiegen.
Der jeweilige Verdrängungskörper 7 weist im Bereich eines Endes einen verstärkten Wulst 12 und im Bereich des abgewandten Endes einen stegförmigen Ansatz 13 auf. Wie insbesondere der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, liegen aufgrund der Ausbildung der Verdrängungskörper 7 als Gleichteile benachbarte Verdrängungskörper 7 jeweils im Bereich des Wulstes 12 des einen Verdrängungskörpers 7 und des stegförmigen Ansatzes 13 des benachbarten Verdrängungskörpers 7 weitgehend aneinander an und tragen somit auch in den Randbereichen, die dem Gehäuse 3 zugewandt sind, zur Bildung geringer Durchströmquerschnitte des Kühlmediums bei.
In der 2 sind mit Pfeilen für einen Teilbereich des Batteriemoduls 1 die Durchströmrichtungen des Kühlmediums veranschaulicht, das im Wesentlichen horizontal durch das Batteriemodul 1 strömt. Die Durchströmung kann grundsätzlich in verschiedenen Durchströmungsrichtungen erfolgen, beispielsweise auch in y-Richtung oder diagonal in x-y-Richtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/153602 A1 [0004]
EP 1906126 B1 [0005]

Claims

Batteriemodul (1) mit mehreren Batteriezellen (2) und Halteplatten (4, 5) zum Halten der Batteriezellen (2) auf abgewandten Seiten der jeweiligen Batteriezelle (2), wobei zwischen den Batteriezellen (2) ein freier Raum (9) zum Durchleiten eines Kühlmediums gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem freien Raum (9) zwischen den Batteriezellen (2) Verdrängungskörper (7) für das Kühlmedium angeordnet sind, wobei die Verdrängungskörper (7) direkt an den Batteriezellen (2) anliegen und Lamellen (10) zur Bildung von Strömungskanälen (11) zwischen den Batteriezellen (2) aufweisen.
Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2) als Rundzellen ausgebildet sind.
Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen Sekundärzellen sind.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Verdrängungskörper (7) im Wesentlichen über die Höhe und die Breite des Batteriemoduls (1) zwischen den Halteplatten (4, 5) erstreckt.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatten (4, 5) horizontal angeordnet sind und/oder die Batteriezellen (2), bezogen auf deren jeweilige Längserstreckung, vertikal angeordnet sind.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (10) über die gesamte Längserstreckung der Batteriezellen (2), insbesondere über die gesamte Bauhöhe der jeweiligen Batteriezelle (2) angebracht sind.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (10) des jeweiligen Verdrängungskörpers (7) unterschiedlich gestaltet sind, insbesondere eine unterschiedliche Lamellenbreite und/oder Lamellenlänge aufweisen.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdichte des jeweiligen Verdrängungskörpers (7) geringer ist als die Dichte des Kühlmediums.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl ist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungskörper (7) aus einem schäumbaren oder spritzbaren Material besteht.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungskörper (7) aus einem elastischen Material besteht.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete Verdrängungskörper (7) aneinanderliegen.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungskörper (7) als Gleichteile ausgebildet sind.
Batteriemodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Verdrängungskörper (7) um jeweils 180° zueinander verdreht angeordnet sind.