DE102016206463A1

DE102016206463A1 - Halterung für batteriezellen, batteriemodul, speicherbatterie und fahrzeug

Info

Publication number: DE102016206463A1
Application number: DE102016206463.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Biller; Christoph Warkotsch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halterung für gestreckte, insbesondere zylindrische Batteriezellen (3). Die Halterung weist eine Vielzahl von gestreckten Kühlgliedern (4), die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in Richtung einer Längsachse der in der Halterung aufnehmbaren Batteriezellen (3) erstrecken, auf. Weitere Gesichtspunkte der Erfindung betreffen ein Batteriemodul (10) mit einem entsprechend aufgebauten Halterung, eine Speicherbatterie (180) mit mehreren Batteriemodulen (10) und ein Fahrzeug mit der Speicherbatterie (180).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halterung für Batteriezellen, ein Batteriemodul, eine Speicherbatterie und ein Fahrzeug.
STAND DER TECHNIK
Zur Bereitstellung elektrischer Energie sind Speicherbatterien, auch als Batterien oder Akkus bezeichnet, bekannt. Zur Versorgung elektrischer Antriebe von Fahrzeugen wird elektrische Energie einer vergleichsweise hohen Spannung von beispielsweise 60–400 V benötigt, und die hierfür verwendeten Speicherbatterien werden auch als Hochvoltspeicher oder Antriebsbatterien bezeichnet. Derartige Hochvoltspeicher sind heute im Allgemeinen nicht als Monoblocks, sondern modular aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die Verwendung vergleichsweise kostengünstiger Standardzellen, die als Massenprodukte hergestellt werden können, anstelle von individuellen Spezialanfertigungen. Die Anzahl der Batteriezellen kann je nach Zellformat drei- bis vierstellig sein. Die Anzahl der eingesetzten Batteriezellen steht auch in direktem Zusammenhang mit der Reichweite der Elektro- oder Hybridfahrzeuge und damit der Attraktivität für den Anwender. In der Praxis kommen als Batteriezellen für die Hochvoltspeicher Rundzellen, prismatische Batteriezellen, insbesondere Flachzellen, oder sog. Pouchzellen zum Einsatz. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung wird der Begriff Rundzelle für gestreckte zylindrische Zellen verwendet.
Ferner werden die Hochvoltspeicher oft im Bereich der Fahrgastzelle oder des Kofferraums eines Fahrzeugs verbaut und nehmen beträchtlichen Raum ein. Es besteht daher eine Herausforderung darin, für die Unterbringung des Hochvoltspeichers eine Gestaltung derart zu finden, dass Fahrgastkomfort und Laderaum möglichst wenig eingeschränkt werden. Es ist daher anzustreben, möglichst derartige Räume zur Unterbringung der Batteriezellen zu verwenden, die sonst keine weitere Verwendung haben. So sind Konzepte vorgeschlagen worden, Batteriezellen in Karosseriehohlräumen oder in Fahrer- oder Fahrgastsitzen unterzubringen. Im ersteren Fall besteht jedoch im Fall eines Unfalls die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezellen, was auch zum Austritt schädlicher Substanzen führen kann und auch eine Brand- und/oder Explosionsgefahr mit sich bringt. Im letzteren Fall können die Sicherheit und das Wohlbefinden des Fahrers bzw. Fahrgasts durch den Betrieb der Batteriezellen beeinträchtigt sein, und aufgrund der Beweglichkeit der Sitzkomponenten ist eine zuverlässige und leistungsfähige Verkabelung schwierig.
Die im Betrieb des Hochvoltspeichers entstehende Wärmemenge ist vergleichsweise hoch, und aufgrund der Packungsdichte und des oft verkapselten oder zumindest engen Einbaus würden die entstehenden Temperaturen ohne eine leistungsfähige Kühlung zulässige Parameter weit überschreiten. Hierbei nehmen innovative Kühlkonzepte eine wichtige Stellung ein, um das Überhitzen der Batteriesysteme und damit verbundene Konsequenzen, wie die Reduktion der Reichweite und die verkürzte Lebensdauer der Batteriemodule, zu verhindern.
Bei Kühlkonzepten für Rundzellen sind die Kühlkanäle oft zwischen den Batteriezellen angesiedelt. Eine solche Anordnung ist in 12A und 7B dargestellt. Dabei zeigt 12A eine Querschnittsansicht eines Batteriezellenmoduls 10 mit mehreren Batteriezellen 3. Eine Kühlschlange 71 mit Zu- und Abflüssen 72 durchzieht aneinandergrenzende Reihen der Batteriezellen 3. 12B zeigt eine Seitenansicht des Batteriezellenmoduls 10 in Blickrichtung eines Pfeils ”B” in 12A. Eine derartige Lösung ist aus der US 2008/031 1468 A1 bekannt, wobei die Kühlschlange 71 einen flachen Querschnitt aufweist und einen Teil einer Mantellänge der zylindrischen Rundzellen abdeckt. Eine ähnliche Lösung ist auch aus der US 2013/0916184 A1 bekannt, wobei die Batteriezellen an beiden Stirnseiten in sog. Muschelschalen (clamshells) gehalten werden, von welchen aus sich wellenförmige Kühlkanäle zur Mitte der zylindrischen Rundzellen hin erstrecken. Bei der WO 2012/168648 A1 stehen die Batteriezellen in Vertiefungen auf einer Grundplatte. Eine wellenförmige Kühltasche erstreckt sich zwischen den Reihen der Batteriezellen, wobei ein Wärmeleitschaum zwischen der Kühltasche und den Batteriezellen angeordnet ist, der sich bei Anbringung eines Deckels zusammendrückt. Die DE 10 2004 005 394 A1 offenbart eine selbsttragende Kühleinheit mit einem Vorlaufverteiler, einem Rücklaufverteiler und wellenförmigen Kühlkanälen, die sich zwischen dem Vorlaufverteiler und dem Rücklaufverteiler erstrecken. Zwischen Wellenbäuchen der Kühlkanäle sind Rundzellen aufnehmbar. Bei allen vorgenannten Lösungen werden die Kühlkanäle quer zur Zellenachse durchströmt. Hierdurch sind die Batteriezellen nahe des Vorlaufverteilers mit einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur konfrontiert als die Batteriezellen nahe des Rücklaufverteilers, was zu einer ungleichmäßigen Kühlung der Batteriezellen untereinander führen kann. Zwar ist bei der US 2013/0916184 A1 die Strömungsrichtung auf der Seite einer der Muschelschalen derjenigen auf der Seite der anderen Muschelschale entgegengesetzt, was im Mittel eine gleichmäßige Wärmeaufnahmekapazität zwischen den Batteriezellen ermöglicht, aber zu einem hohen Temperaturgefälle an Batteriezellen am Rand der Zellenanordnung bei einem abrupten Temperaturwechsel in deren Mitte in Bezug auf die Länge führen kann. Die Kühlung der Batteriezellen ist daher ungleichmäßig. Die wellenförmigen Kühlkanäle können nur einen geringen Winkelbereich über den Umfang der einzelnen Batteriezellen abdecken, daher ist der Wärmeübertragungswirkungsgrad gering im Vergleich mit einer Kühlung über den gesamten Umfang. Trotzdem müssen die Zellenreihen wegen der dazwischen unterzubringenden Kühlkanäle in einem Abstand angeordnet werden, was die Zellendichte und damit die Energiespeicherdichte der Anordnung herabsetzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Halterung für Batteriezellen, ein Batteriemodul und eine Speicherbatterie zu finden, welche eine dichte Anordnung der Batteriezellen bei hoher geometrischer Gestaltungsfreiheit und zuverlässiger und gleichmäßiger Kühlung ermöglicht.
Die Erfindung wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft eine Halterung für gestreckte, insbesondere zylindrische Batteriezellen. Die Halterung weist eine Vielzahl von gestreckten Kühlgliedern, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in Richtung einer Längsachse der in der Halterung aufnehmbaren Batteriezellen erstrecken, auf. Weitere Gesichtspunkte der Erfindung betreffen ein Batteriemodul mit einer entsprechend aufgebauten Halterung, eine Speicherbatterie mit mehreren Batteriemodulen und ein Fahrzeug mit der Speicherbatterie.
Als Batteriezelle wird im Sinne der Erfindung eine elektrochemische Speicherzelle, vorzugsweise Sekundärzelle, verstanden. Der Begriff der Zelle ist dabei vorzugsweise im Hinblick auf das physikalische Erscheinungsbild als kleinste kontaktierbare Baueinheit zu verstehen. Als Batteriemodul wird eine Baueinheit verstanden, welche eine Vielzahl von Batteriezellen zusammenfasst. Als Speicherbatterie wird eine größere Baueinheit verstanden, welche eine Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere in Form mehrerer Batteriemodule, zusammenfasst. Als Speicherbatterie ist im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein Hochvoltspeicher für den Fahrantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu verstehen, es fallen jedoch auch andere Arten von Speicherbatterien darunter. Unter einer gestreckten Form wird eine zylindrische oder prismatische Form verstanden, deren Mantelfläche größer, insbesondere beträchtlich größer, als deren Stirnflächen ist.
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung geht von der Überlegung aus, ein Volumen, wie es etwa dem Tunneltank von Wasserstofffahrzeugen entspricht, als Bauraum für ein Energiespeichersystem mit Rundzellen des Typs 18650 zu nutzen. Der Tunneltank ist im Bereich eines Mitteltunnels des Fahrzeugs untergebracht und beeinträchtigt den Fahrer und die Passagiere hinsichtlich Bewegungs- und Stauraum und Bequemlichkeit kaum. Durch Anwendung dieses Konzepts auf eine Speicherbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs entsteht ein Hochvolt-Tunnelspeicher mit beispielsweise 24 Batteriemodulen von je beispielsweise 136 Rundzellen des oben beschriebenen Typs. Natürlich ist das nur ein Beispiel, und bei Batteriezellen anderer Typen und/oder dem Einbau in andere verfügbare Hohlräume können sich andere Anordnungen ergeben, die jedoch von der Erfindung gleichermaßen Gebrauch machen können. Die Kernaspekte der Erfindung beziehen sich zum einen auf den Aufbau der Batteriemodule und zum anderen auf die Realisierung des Kühlkonzepts der Batteriemodule.
Der Aufbau eines Batteriemoduls basiert auf einer Halterung mit integrierter Kühlung für die Rundzellen mit zwei Verteilerplatten und einer Vielzahl von Kühlgliedern, insbesondere Kühlrohren, die zwischen den Rundzellen geführt sind. Eine Besonderheit ist die Kontaktierung der Verteilerplatten über einen Spreizdorn und Klemmfinger.
Bisherige Kühlkonzepte mit Rundzellen des Typs 18650 setzen auf die sogenannte Kühlschlangenlösung. Nach der vorliegenden Erfindung wird anstatt der Kühlschlangenlösung eine Modulkühlkanallösung vorgeschlagen. Hierbei verlaufen die Kühlkanäle parallel zu den Zellachsen. Der Umschlingungswinkel der Kühlfläche ist größer als bei der Kühlschlangenlösung, was in einer besseren Kühlung der Rundzellen resultiert. Außerdem werden die Batteriezellen über beinahe ihre gesamte Achslänge kontaktiert. Um die Dichtigkeit der Kühlkanäle weiter zu verbessern ist auch eine Lösung denkbar, bei der ein kleiner Materialantrag am Anschlussende des Kühlkanals angebracht wird.
Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:

– Bessere Nutzung des Bauraums in einem Fahrzeugtunnel durch Rundzellen im Vergleich zu prismatischen Batteriezellen,
– Bessere Kühlung der Batteriezellen durch Modulkühlkanallösung,
– Mehr Batteriezellen im Tunnelspeicher als bei Kühlschlangenlösung,
– Umsetzung von Leichtbauprinzipien durch die Realisierung eines Faserverbundgehäuses

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigt bzw. zeigen
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B perspektivische Ansichten einer ersten Verteilerplatte des Batteriemoduls von 1;
3A und 3B perspektivische Ansichten einer zweiten Verteilerplatte des Batteriemoduls von 1;
4 einen Schritt in einem Verfahren zum Herstellen des Batteriemoduls;
5 eine perspektivische Ansicht eines Überzugs aus 1.;
6 eine stirnseitige Ansicht einer Einzelheit ”VI” in 4 nach Einsetzen der Batteriezellen;
7 einen weiteren Schritt in einem Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls in einer perspektiven Ausschnittdarstellung;
8 die gleiche Situation wie in 7 aus einer anderen Perspektive;
9A und 9B eine geschnittene perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht des zusammengebauten Batteriemoduls;
10 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Wärmeübergangs;
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Übergangs eines Kühlrohrs und einer zweiten Verteilerplatte des Batteriemoduls;
12A bis 12D schematische Schnitt- und Seitenansichten von Batteriemoduls zum Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung;
13 eine perspektivische Ansicht einer Isolierfolie des Batteriemoduls;
14A und 14B perspektivische Ansichten von Zellkontaktiereinheiten des Batteriemoduls;
15 eine perspektivische Ansicht von Berührschutzelementen des Batteriemoduls;
16 eine perspektivische Gesamtansicht des zusammengebauten Batteriemoduls;
17A und 17B schematische Darstellungen beispielhaften Querschnittsformen des Batteriemoduls;
18 eine perspektivische Explosionsansicht einer Speicherbatterie nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
19 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Speicherbatterie von 18.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden. Es versteht sich, dass die Darstellung in den Figuren rein schematisch zu verstehen ist und dass ihnen weder absolute noch relative Größenverhältnisse zu entnehmen sind, es sei denn, es wäre ausdrücklich darauf hingewiesen.
1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Batteriezellenmoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Batteriezellenmodul 10 weist eine erste Verteilerplatte 1, eine zweite Verteilerplatte 2, eine Vielzahl von dazwischen angeordneten Batteriezellen 3, eine Vielzahl von Kühlgliedern in Form von Kühlrohren 4, die von der ersten Verteilerplatte 1 abragen, eine erste Isolationsfolie 5, eine erste Zellkontaktierungseinheit 6, einen oberen Berührschutz 7, ein Zellüberwachungssystem 8, mehrere Dichtungsstopfen 9, einen Kühlmittelschnellverschluss 11, einen ersten Endberührschutz 12, einen zweiten Endberührschutz 13, Überzüge 14 über den Wärmetauscherrohren 4, ein zweite Isolationsfolie 15, eine zweite Zellkontaktierungseinheit 16, eine Vielzahl von Klemmfingern 17, die von der zweiten Verteilerplatte 2 abragen, und einen Rücklaufanschluss 19 an der zweiten Verteilerplatte 2 auf. Ein Vorlaufanschluss ist an der ersten Verteilerplatte 1 an der hier verdeckten Kante in ähnlicher Weise wie der Rücklaufanschluss 19 der zweiten Verteilerplatte 2 vorgesehen.
Die Batteriezellen 3 sind wiederaufladbare elektrochemische Speicherzellen von langgestreckter, zylindrischer Gestalt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 3 Rundzellen vom Typ 18650, und das Batteriemodul weist 136 Batteriezellen 3 auf; die vorliegende Erfindung ist aber hierauf nicht beschränkt. Die Batteriezellen 3 sind in einer vorbestimmten, hier nicht weiter auszuführenden Polorientierung gemäß einem vorbestimmten Verschaltungsplan angeordnet. Die Längsachsen der Batteriezellen 3 sind zueinander parallel und rechtwinklig zu den Hauptebenen der ersten Verteilerplatte 1 und der zweiten Verteilerplatte 2.
Die erste Verteilerplatte 1 ist aus Aluminium hergestellt. Eine Vielzahl von Kühlrohren 4 ragt von der ersten Verteilerplatte 1 ab. Die Kühlrohre 4 sind mit der ersten Verteilerplatte 1 einstückig ausgebildet, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Die Kühlrohre 4 sind so angeordnet, dass ihre Längsachse zu den in dem Batteriemodul 10 enthaltenen Batteriezellen 3 parallel ist. Wie später genauer beschrieben wird, ist jedes Kühlrohr 4 von vier Batteriezellen 3 in wärmeübertragendem Kontakt umgeben. Jedem Kühlrohr 4 ist ein Überzug 14 zugeordnet. Der Überzug 14 sitzt auf dem Kühlrohr 4 und dient dem Ausfüllen eines Spalts zwischen dem Kühlrohr 4 und den das Kühlrohr 4 umgebenden Batteriezellen 3. Der Überzug 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Silikon hergestellt, was ein wärmeleitender, elastischer Werkstoff ist. Durch den Überzug 14 kann auch bei einem zum leichteren Zusammenbau erforderlichen Spalt ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Kühlrohr 4 und den umgebenden Batteriezellen 3 hergestellt werden. Die am Ende geschlitzten Klemmfinger 17 sitzen beim Zusammenbau in der Endphase des Fügens auf Spreizdornen (hier nicht näher dargestellt), die auf der Innenfläche der ersten Verteilerplatte 1 ausgebildet sind, auf, spreizen sich hierdurch auf und drücken jeweils vier Batteriezellen 3 gegen eines der Kühlrohre 4, was später ausführlicher beschrieben wird.
Die erste Verteilerplatte 1 weist den Vorlaufanschluss sowie eine Vielzahl von Verteilkanälen (hier nicht näher dargestellt), die mit dem Vorlaufanschluss einerseits und mit den Kühlrohren 4 andererseits kommunizieren, auf. Die zweite Verteilerplatte 2 weist den Rücklaufanschluss 19 sowie eine Vielzahl von (hier nicht näher dargestellten) Verteilkanälen, die mit dem Rücklaufanschluss 19 kommunizieren, auf (insofern könnte die zweite Verteilerplatte 2 auch als Sammelplatte bezeichnet werden). Die Verteilkanäle der zweiten Verteilerplatte 2 kommunizieren mit Öffnungen (hier nicht näher dargestellt) auf der zu der ersten Verteilerplatte 2 hin weisenden Innenseite, wobei die Öffnungen Aufnahmen für die Kühlrohre 4 aufweisen, sodass im zusammengebauten Zustand die Verteilkanäle der zweiten Verteilerplatte 2 ebenfalls mit den Kühlrohren 4 kommunizieren. Die Dichtungsstopfen 9 dienen zum sicheren, dichten Verschließen der Verteilkanäle, die in der ersten Verteilerplatte 1 und der zweiten Verteilerplatte 2 ausgebildet sind und aus fertigungstechnischen Gründen und/oder für Wartungszwecke offen enden. Der Kühlmittelschnellverschluss 11 dient zum schnellen und zuverlässigen Anschließen einer Kühlmittelleitung an den Kühlmittelanschlüssen der ersten Verteilerplatte 1 und der zweiten Verteilerplatte 2 (Vorlaufanschluss 39 und Rücklaufanschluss 19).
Die erste Isolationsfolie 5 ist zur elektrischen Isolierung der ersten Verteilerplatte 1 von den Batteriezellen 3 vorgesehen, da ansonsten bei unterschiedlicher Polorientierung der Batteriezellen 3 ein Kurzschluss über die erste Verteilerplatte 1 entstehen könnte. In gleicher Weise ist die zweite Isolationsfolie 15 zur elektrischen Isolierung der zweiten Verteilerplatte 2 von den Batteriezellen 3 vorgesehen.
Die erste Zellkontaktierungseinheit 6 ist auf der Außenseite der ersten Verteilerplatte 1 vorgesehen, um die dort vorliegenden Pole der Batteriezellen 3 gemäß dem vorbestimmten Verschaltungsplan zu verbinden. Gleichermaßen ist die zweite Zellkontaktierungseinheit 16 auf der Außenseite der zweiten Verteilerplatte 2 vorgesehen, um die dort vorliegenden Pole der Batteriezellen 3 gemäß dem vorbestimmten Verschaltungsplan zu verbinden. Das Zellüberwachungssystem 8 ist zur Überwachung der Zellenfunktionen bzw. zum modular verteilten Batteriemanagement vorgesehen. Der obere Berührschutz 7 schirmt das Zellüberwachungssystem 8, der erste Endberührschutz 12 die Außenseite der ersten Zellkontaktierungseinheit 6 und der zweite Endberührschutz 13 die Außenseite der zweiten Zellkontaktierungseinheit 16 vor Berührungen durch eine Person und/oder äußeren mechanischen Einwirkungen ab.
Es ist anzumerken, dass die erste Verteilerplatte 1 mit den Kühlrohren 4 und die zweite Verteilerplatte 2 eine Halterung für die Batteriezellen 3 bilden, während die vorgenannten Teile mit allen weiteren Elementen und den Batteriezellen 3 selbst das Batteriemodul 10 bilden.
Einzelheiten der ersten Verteilerplatte 1 werden nachstehend anhand der Darstellung in 2A und 2B beschrieben. Dabei ist 2A eine perspektivische geschnittene Ansicht der ersten Verteilerplatte 1 von der Innenseite aus gesehen und ist 2B eine perspektivische Ansicht der ersten Verteilerplatte 1 von der Außenseite aus gesehen. Als Innenseite wird hier eine den Batteriezellen 3 zugewandte Seite verstanden, als Außenseite die gegenüberliegende Seite.
Gemäß der Darstellung in 2A sind die Kühlrohre 4 einstückig mit der ersten Verteilerplatte 1, von deren Innenfläche 20 rechtwinklig abragend, ausgebildet und weisen jeweils einen durchgehenden Kühlkanal 21 entlang ihrer Achse auf.
Gemäß der Darstellung in 2A und 2B weist die erste Verteilerplatte 1 einen Verteilkanal 22, eine Vielzahl von Spreizdornen 23, die von der Innenfläche 20 abragen, zwei Bodenbefestigungssockel 24, vier seitliche Anschraubsockel 25, zwei obere Anschraubsockel 26, eine Vielzahl von Positionierhilfen 27, die von der Innenfläche 20 abragen, eine Vielzahl von Kontaktierungslöchern 28 in der Innenfläche 20 und den Zulaufanschluss 29 auf. Der Verteilkanal weist einen von dem Zulaufanschluss 29 aus die Unterkante der ersten Verteilerplatte 1 entlang verlaufenden Stammkanal 22a und eine Vielzahl von rechtwinklig von dem Stammkanal 22a abzweigenden Zweigkanälen 22b auf. Die Zweigkanäle 22b verlaufen vertikal über die gesamte Höhe der ersten Verteilerplatte 1, kommunizieren mit den Kühlkanälen 21 der Kühlrohre 4 und sind an der Oberkante der ersten Verteilerplatte 1 offen.
Die Kontaktierungslöcher 28 entsprechen in ihrer Position der Lage von Polen der Batteriezellen 3 in dem Batteriemodul 10 (vgl. 1) und verlaufen von der Innenfläche 20 aus durch die gesamte Dicke der ersten Verteilerplatte 1 hindurch. Die Bodenbefestigungssockel 24 dienen der Befestigung an einer Bodenplatte, auf welcher eine Vielzahl von Batteriemodulen 10 angeordnet sein können. Die seitlichen Anschraubsockel 25 dienen der Verbindung mehrerer Batteriemodule 10 mittels Verbindungsfedern. Die oberen Anschraublöcher 26 dienen der Befestigung des Zellüberwachungssystems 8 (1).
Die erste Verteilerplatte 1 ist aus einem Aluminiumspritzgussteil gefertigt. Die Innenfläche 20 kann dabei eine Trennebene beim Guss sein und kann, ebenso wie die Außenkontur der Kühlrohre 4 und sonstigen Erhebungen, maschinell nachbearbeitet sein. Der Stammkanal 22a ist von der Seite her gebohrt, die Zweigkanäle 22b sind von oben her gebohrt, bis sie den Stammkanal 22a treffen, und die Kühlkanäle 21 sind von den Spitzen der Kühlrohre 4 her gebohrt, bis sie die jeweiligen Zweigkanäle 22b treffen. Die Befestigungs- und Anschraubsockel 24, 25, 26 sind wenigstens in ihren Kontaktflächen nachbearbeitet. Die Kontaktierungslöcher 28 sind gebohrt. Alternativ können bestimmte Kanäle und/oder Löcher bzw. Bohrungen durch bewegliche Kerne bereits beim Guss hergestellt werden.
Einzelheiten der zweiten Verteilerplatte 2 werden nachstehend anhand der Darstellung in 3A und 3B beschrieben. Dabei ist 3A eine perspektivische geschnittene Ansicht der zweiten Verteilerplatte 2 von der Innenseite aus gesehen und ist 3B eine perspektivische Ansicht der zweiten Verteilerplatte 2 von der Außenseite aus gesehen. Als Innenseite wird wieder eine den Batteriezellen 3 zugewandte Seite verstanden, als Außenseite die gegenüberliegende Seite.
Gemäß der Darstellung in 3A sind die Klemmfinger 17 einstückig mit der zweiten Verteilerplatte 2, von deren Innenfläche 30 rechtwinklig abragend, im Wesentlichen monolithisch ausgebildet und weisen jeweils ein überkreuz geschlitztes Kegelende 31 auf.
Gemäß der Darstellung in 3A und 3B weist die zweite Verteilerplatte 2 einen Verteilkanal 32, zwei seitliche Anschraubsockel 34 zur Befestigung von Kabelklemme 35, einen oberen Befestigungssockel 36, eine Vielzahl von Positionierhilfen 37, die von der Innenfläche 30 aus abragen, eine Vielzahl von Kontaktierungslöchern 38 in der Innenfläche 30 und den Rücklaufanschluss 19 auf. Der Verteilkanal 32 weist einen von dem Rücklaufanschluss 19 aus die Unterkante der zweiten Verteilerplatte 2 entlang verlaufenden Stammkanal 32a und eine Vielzahl von rechtwinklig von dem Stammkanal 32a abzweigenden Zweigkanälen 32b auf. Die Zweigkanäle 32b verlaufen vertikal über die gesamte Höhe der zweiten Verteilerplatte 2, öffnen sich in der Innenfläche 30 in Anschlusslöchern 39 und sind an der Oberkante der zweiten Verteilerplatte 2 offen.
Die Positionierhilfen 37 sind so gestaltet, dass sie Enden der Batteriezellen 3 aufnehmen und diese in einer regelmäßigen Anordnung um jeweils einen der Klemmfinger 17 herum halten bzw. stützen.
Die Kontaktierungslöcher 38 entsprechen in ihrer Position der Lage von Polen der Batteriezellen 3 in dem Batteriemodul 10 (vgl. 1) und verlaufen von der Innenfläche 30 aus durch die gesamte Dicke der zweiten Verteilerplatte 2 hindurch.
Die zweite Verteilerplatte 2 ist aus einem Kunststoffspritzgussteil gefertigt. Die Innenfläche 30 kann dabei eine Trennebene beim Guss sein und kann, muss aber nicht, ebenso wie Erhebungen hiervon, maschinell nachbearbeitet sein. Der Stammkanal 32a ist von der Seite her gebohrt, die Zweigkanäle 32b sind von oben her gebohrt, bis sie den Stammkanal 32a treffen, und die Anschlusslöcher sind von der Innenfläche 20 her gebohrt, bis sie die jeweiligen Zweigkanäle 32b treffen. Die Kontaktierungslöcher 38 sind gebohrt. Alternativ können bestimmte Kanäle und/oder Löcher bzw. Bohrungen durch bewegliche Kerne bereits beim Guss hergestellt werden.
4 zeigt einen Schritt in einem Verfahren zum Herstellen eines Batteriezellenmoduls in perspektivischer Darstellung. Die Perspektive zeigt die erste Verteilerplatte 1 von der Innenseite aus. Als vorbereitende Schritte wurden die erste Verteilerplatte 1 vorbereitet, die erste Isolationsfolie 5 aufgelegt und die Überzüge 14 über die Kühlrohre 4 der ersten Verteilerplatte 1 gezogen. Ferner wurde ein Zellpaket 40 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 3 vorbereitet. Man beachte, dass in dem Zellpaket 40 jeweils vier Batteriezellen 3 als Quartette 41 zusammengefasst sind. 4 zeigt den Schritt, wie das Zellpaket 40 der ersten Verteilerplatte 1 gegenüber positioniert ist und in einer Fügerichtung 42 auf die erste Verteilerplatte 1 zu bewegt werden.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Überzugs 4 aus 1. Der Überzug 14 dient der Verbesserung der thermischen Kontaktierung und damit der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlrohr 4 und den Batteriezellen 3 (vgl. 4). Der Überzug 14 ist aus einem elastischen und wärmeleitenden Werkstoff wie etwa Silikon mit geeigneten Additiven bzw. Füllstoffen hergestellt und so geformt, dass er sich in seiner Form an das Kühlrohr 4 und die Batteriezellen 3 anpassen kann. Der Überzug 14 ist im unverbauten Zustand beispielsweise ein Silikonschlauch mit kreisrundem Querschnitt, der etwas kleiner als das ”Eckenmaß” der Kühlrohre 4 ist, und passt sich im Einbau an die Form sowohl der Kühlrohre 4 als auch der verwendeten Batteriezellen 3 an. Bei Verwendung der Rundzellen vom Typ 18650 kann der Rohling beispielsweise eine Länge von 45 mm und einen Rohteildurchmesser von 8 mm aufweisen. Die Darstellung zeigt das Kontaktelement 4 im verpressten, d. h. im verbauten und fertig montierten Zustand. Durch das Verpressen werden die Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 3 und dem zentralen Kühlkanal 21 ausgefüllt, der Kontaktanpressdruck erhöht sich und damit wird die Kontaktfläche vergrößert, was zu einer besseren Wärmeleitung führt.
6 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer Einzelheit ”VI” in 4 nach Einsetzen der Batteriezellen 3, in Fügerichtung betrachtet. D. h., der Betrachter blickt auf die Stirnseiten der Batteriezellen 3 und zwischen diesen hindurch auf die Innenfläche 20 der ersten Verteilerplatte 1. Wie in 6 gezeigt, liegen die jeweils vier Batteriezellen 3 eines Quartetts 41 zwischen vier Kühlrohren 4 und umgeben einen Spreizdorn 23, der von der Innenfläche 20 der ersten Verteilerplatte 1 abragt.
Wie in 6 gezeigt, weisen die Kühlrohre 4 eine im Querschnitt mehrfach konkave Außenkontur (hier in der Form eines vierzackigen Sterns) auf. In den oben beschriebenen vorbereitenden Schritten wird der zunächst schlauchförmige Überzug 14 über das Kühlrohr gezogen. Da der Durchmesser des Schlauchs kleiner gewählt ist als das „Eckenmaß” der Kühlrohre, spannt sich der Überzug 14 dabei über diese Außenkontur und weist dann zunächst einen in etwa viereckringförmigen Querschnitt auf. Die Batteriezellen 3 eines Quartetts 41 liegen locker aneinander und an den Überzügen 14 der Kühlrohre 4 an. Wenn die Batteriezellen 3 in die Verteilerplatte gestellt werden, liegen sie tangential an den „Sehnen” des nun vorgespannten Überzugs 14 an (oder sie haben minimalen Abstand). Es ist darauf hinzuweisen, dass dies noch nicht dem Endzustand des fertig montierten Batteriemoduls entspricht.
7 und 8 zeigen einen weiteren Schritt in dem Verfahren zum Herstellen des Batteriezellenmoduls in perspektivischen Ausschnittdarstellungen. Die Perspektive zeigt in 7 einen Abschnitt der ersten Verteilerplatte 1 von der Außenseite aus, wobei ein Teil der ersten Verteilerplatte 1 aufgeschnitten ist, so dass die Batteriezellen 3 von der in 4 verborgenen Stirnseiten aus sichtbar sind, und in 8 einen Abschnitt der ersten Verteilerplatte 1 von der Innenseite aus gesehen zwei Spreizdornen 23 im Schnitt, einen Abschnitt der zweiten Verteilerplatte 2 mit zwei Klemmfingern 17, und einige Batteriezellen 3. In dieser Ausführungsvariante sind die Klemmfinger 17 mit hohlem Kern ausgeführt. 7 und 8 zeigen, wie die zweite Verteilerplatte 2 mit den Klemmfingern 17 voran auf die erste Verteilerplatte 1 zu bewegt wird. Die Bewegungsrichtung entspricht der Fügerichtung 42 in 4.
Beim Einführen der Klemmfinger 17 in den Zwischenraum zwischen vier Batteriezellen 3 werden die Batteriezellen 3 zur Seite gedrückt. Durch Vergleich mit 6 wird ersichtlich, dass die Batteriezellen 3 dabei die Überzüge 14 über den Kühlrohren 4 in Richtung der konkaven Abschitte der Wandungen der Kühlrohre 4 pressen. Dadurch werden die Batteriezellen 3 durch die Klemmfinger 17 der zweiten Verteilerplatte 2 in die „Sehnen” des Überzugs 14 gedrückt, bis diese an der konkaven Kontur der Kühlrohre 4 anliegen bzw. dagegen gepresst werden, um den Kontakt und somit die Wärmeleitung zu verbessern. Wie in 7 und 8 gezeigt, werden die Klemmfinger 17 so zwischen den Batteriezellen 3 in Richtung der ersten Verteilerplatte 1 geschoben, dass die geschlitzten Enden 31 auf den Spreizdornen 23 zu sitzen kommen. D. h., die Spreizdornen 23 werden am Ende des Fügevorgangs von den doppelt geschlitzten Kegelenden 31 der Klemmfinger 17 gefangen, die Kegelenden 31 spreizen sich hierdurch auf und drücken auch die zur ersten Verteilerplatte 1 hin weisende Enden der Batteriezellen 3 auseinander.
9A und 9B zeigen das zusammengebaute Batteriezellenmodul in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht und in einer Schnittansicht. Die 9A und 9B veranschaulichen einen Kühlmittelfluss in dem Batteriezellenmodul 10.
In dem zusammengebauten Batteriemodul 10 münden die Kühlrohre 4 in den Anschlusslöchern 39 der zweiten Verteilerplatte 3 (vgl. 3). Hierdurch kommunizieren die Kühlrohre 4 (bzw. deren Kühlkanäle 21) mit den Zweigleitungen 32b des zweiten Verteilkanals 32 der zweiten Verteilerplatte 2. Es sei angenommen, dass der Vorlaufanschluss (29 in 2) der ersten Verteilerplatte 1 mit einem Kühlmittelvorlauf 91 eines nicht näher dargestellten Kühlmittelkreises verbunden ist und der Rücklaufanschluss (39 in 3) der zweiten Verteilerplatte 2 mit einem Kühlmittelrücklauf 92 des Kühlmittelkreises verbunden ist. Somit strömt Kühlmittel aus dem Kühlmittelvorlauf über den Stammkanal 22a und die Zweigkanäle 22b des ersten Verteilkanals 22 in der ersten Verteilerplatte 1, von dort durch die Kühlkanäle 21 der Kühlrohre 4 unter Wärmeaufnahme von den Batteriezellen 3, um über die Zweigkanäle 32b und den Stammkanal 32a des zweiten Verteilkanals 32 in den Kühlmittelrücklauf 92 zu münden.
10 ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Wärmeübergangs von den Batteriezellen 3 in die Kühlkanäle 21 der Kühlrohre 4. Die Ansicht ist eine Aufsicht auf die Innenseite 20 der ersten Verteilerplatte 1 mit einem Kühlrohr 4 und vier Batteriezellen 3.
Wie in 10 gezeigt, pressen vier Batteriezellen 3 den Überzug 14 eines Kühlrohrs 4 in Richtung jeweils eines konkaven Abschnitts der Außenkontur des Kühlrohrs 4, so dass der Überzug 14 den Spalt zwischen dem Kühlrohr 4 und den Batteriezellen 3 ausfüllt und sich dabei an die Konturen sowohl der Batteriezellen 3 als auch des Kühlrohrs 4 anpasst. Hierdurch wird ein guter Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen 3 und dem Kühlrohr 4 verwirklicht. Es stellt sich ein Wärmestrom 100 von den Batteriezellen 3 über den Überzug 14 und die Wandung des Kühlrohrs 4 in das Kühlmittel in dem Kühlkanal 21 ein.
Im Vergleich mit 6 kann ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung deutlich gesehen werden. Vor Fügen der zweiten Verteilerplatte 2 mit den Klemmfingern 17 liegen die Batteriezellen 3 locker an den Überzügen 14 an. Das bedeutet, dass die Batteriezellen 3 ohne nennenswerten Kontakt und damit im Wesentlichen ohne Reibung und/oder Anhaftung an den Überzügen 14 zwischen die Kühlrohre 4 eingebracht werden können. Erst beim Fügen der zweiten Verteilerplatte 2 dringen die Klemmfinger 17 in den von den Batteriezellen 3 eines Quartetts 41 gebildeten Zwischenraum und drängen diese nach außen gegen die Überzüge 14 und damit gegen die Kühlrohre 4. Da die Batteriezellen 3 selbst und die Klemmfinger 17 glatt sind, entsteht auch hierbei kaum Reibung.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Übergangs des Kühlrohrs 4 und der zweiten Verteilerplatte 2 in einer Schnittansicht entlang einer Längsachse des Kühlrohrs 4.
Wie in 11 gezeigt, weist das Kühlrohr 4 ein Anschlussende 112 auf, der im Gegensatz zu dem mehrfach konkaven Querschnitt im übrigen Teil eine zylindrische Außenkontur aufweist (vgl. auch 1 2A. Ein Außendurchmesser des Anschlussendes 112 ist kleiner als ein Innendurchmesser des Anschlusslochs 39 der zweiten Verteilerplatte 2. Hierdurch ergibt sich auch eine Anschlagfläche 113 des Kühlrohrs 4 mit der Innenfläche 30 der zweiten Verteilerplatte 2. Das zylindrische Anschlussende 112 trägt eine Dichtung 114, deren Außendurchmesser geringfügig größer als der Innendurchmesser des Anschlusslochs 39 der zweiten Verteilerplatte 2 ist.
Wenn das Anschlussende 112 in das Anschlussloch 39 eingeführt wird, wird die Dichtung 114 zusammengepresst, sodass eine dichte Verbindung zwischen dem Kühlkanal 21 des Kühlrohrs 4 und dem Zweigkanal 32b des Verteilkanals 32 der zweiten Verteilerplatte 2 hergestellt wird. Da die Stirnseite (Anschlagfläche 113) des Kühlrohrs 4 an der Innenfläche 30 der zweiten Verteilerplatte 2 zum Anliegen kommt, ist ein Abstand zwischen der zweiten Verteilerplatte 2 und der ersten Verteilerplatte 1 (hier nicht dargestellt) definiert.
12A bis 12D zeigen einen Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung in schematischen Schnitt- und Seitenansichten. Dabei ist 12A eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriezellenmoduls 120 mit Kühlschlangenlösung aus dem Stand der Technik, ist 12B eine Seitenansicht des Batteriezellenmoduls 120 in Blickrichtung eines Pfeils ”B” in 12A, ist 12C eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriezellenmoduls 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, und ist 12D eine Seitenansicht des Batteriezellenmoduls 10 in Blickrichtung eines Pfeils ”D” in 12C. Es versteht sich, dass die Darstellungen in 12A bis 12D rein schematisch sind und nur der Veranschaulichung des Prinzips dienen. Ein Vergleich konkreter Formen bei gleichem vorgegebenen Bauraum für eine Speicherbatterie und gleicher Art der Batteriezellen 3 zeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Ausführung insgesamt mehr Batteriezellen 3 untergebracht werden können.
13 ist eine perspektivische Darstellung der ersten Isolierfolie 5 des Batteriemoduls 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Gemäß der Darstellung in 13 weist die erste Isolierfolie 5 eine Vielzahl von ersten Öffnungen 131, zweiten Öffnungen 132, dritten Öffnungen 133, vierten Öffnungen 134 und fünften Öffnungen 135 auf. Die ersten Öffnungen 131 sind Durchlässe für die Kühlrohre 4, die zweiten Öffnungen 132 sind Durchlässe für die Klemmfinger 17, die dritten Öffnungen 133 sind Durchlässe für die Zellkontaktierung, welche den Kontaktierungslöchern 28 entsprechen, die vierten Öffnungen 134 sind Aufnahmen für die Positionierhilfen 27, und die fünften Öffnungen 135 dienen der Gewichtsreduktion.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die zweite Isolierfolie 15 entsprechend aufgebaut sein kann, aber ggf. andere Öffnungen zur Aufnahme der Positionierhilfen 37 der zweiten Verteilplatte 2 aufweisen kann. Die Isolierfolien 15 weisen elektrisch isolierende Eigenschaften auf und können beispielsweise aus Polypropylen hergestellt sein.
14A und 14B sind perspektivische Darstellungen von Zellkontaktiereinheiten des Batteriemoduls. Dabei zeigt 14A die erste Zellkontaktiereinheit 6 und zeigt 14B die zweite Zellkontaktiereinheit 16.
Gemäß der Darstellung in 14A weist die erste Zellkontaktiereinheit 6 ein erstes Kontaktierblech 141 und ein zweites Kontaktierblech 142 auf, und gemäß der Darstellung in 14B weist die zweite Zellkontaktiereinheit 16 ein drittes Kontaktierblech 143, ein viertes Kontaktierblech 144 und ein fünftes Kontaktierblech 145 auf. Stanzlöcher 146 öffnen sich in den Kontaktierblechen 141–145 an Stellen, die den Kontaktierungslöchern 28, bzw. 38 der ersten und zweiten Verteilerplatten 1, 2 entsprechen, wenn die Kontaktierbleche 141–145 montiert sind. Eine Einschlagmutter 147, die an dem dritten Kontaktierblech 143 angebracht ist, bildet einen Pol des Batteriemoduls. Eine zweite Einschlagmutter (nicht näher dargestellt) kann einen anderen Pol des Batteriemoduls bilden.
Die Kontaktierbleche 141–145 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Stahlblech gepresst und gestanzt. Zur Montage werden die Kontaktierbleche 141, 142 der ersten Zellkontaktiereinheit 6 auf die Außenfläche der ersten Verteilerplatte 1 geklebt und werden die Kontaktierbleche 143–145 der zweiten Zellkontaktiereinheit 16 auf die Außenfläche der zweiten Verteilerplatte 2 geklebt. Pole der Batteriezellen 3 (1) werden nach einem vorgegebenen Verschaltungsplan durch die Stanzlöcher 146 und die Kontaktierungslöcher 28 bzw. 38 hindurch mittels Bonddrähten mit den Kontaktierblechen 141–145 verbunden.
15 ist eine perspektivische Darstellung einer Berührschutzbaugruppe 150 des Batteriemoduls.
Gemäß der Darstellung in 15 weist die Berührschutzbaugruppe 150 den oberen Berührschutz 7, den ersten Endberührschutz 12 und den zweiten Endberührschutz 13 auf. Befestigungslaschen 153 dienen der Befestigung an der ersten bzw. zweiten Verteilerplatte 1, 2. Durchgangslöcher 154 sind für Befestigungsschrauben vorgesehen. Ferner sind Passlöcher 155 vorgesehen, welche der Positionierung an entsprechenden Vorsprüngen, Passstiften oder dergleichen dienen.
16 ist eine perspektivische Gesamtdarstellung des zusammengebauten Batteriemoduls 10 ohne die Berührschutzelemente.
Wie in 16 gezeigt, sind im Zusammenbau die Kontaktierbleche 143–145 der zweiten Zellkontaktiereinheit 15 über Passstifte 163, welche von der zweiten Verteilerplatte 2 aus in entsprechende Passbohrungen der Kontaktierbleche 143–145 ragen, positioniert und können in dieser Position befestigt werden. Das Zellüberwachungssystem 8 ist mittels Befestigungsschrauben (nicht näher dargestellt) an den oberen Anschraubsockeln 26, 36 (vgl. 2, 3) der Verteilerplatten 1, 2 angeschraubt.
Ein Modulverbinder 187 ist an der Einschlagmutter 142 des dritten Kontaktierblechs 143 angeschraubt. Der Modulverbinder 187 ermöglicht eine elektrische Verbindung mit einem nächsten Batteriemodul.
17A und 17B sind schematische Darstellungen beispielhafter Querschnittsformen eines Batteriemoduls und ein Belegungsschema mit Batteriezellen 3. Dabei sind Batteriezellen 3, die über eine vorgegebene Begrenzung des Querschnitts hinausragen würden und daher nicht besetzt werden können, gestrichelt dargestellt.
Wie in 17A und 17B gezeigt, ist mittels Rundzellen 3 eine gute Anpassung an beliebige Querschnittsformen möglich. 17A zeigt einen torbogenförmigen Querschnitt 171, und 17B zeigt einen dreieckigen Querschnitt 172. Hier zeigt sich der Vorteil von Rundzellen gegenüber Flachzellen mit großer rechteckiger Querschnittsfläche. Während der torbogenförmige Querschnitt 171 mit einem rechteckigen Querschnitt bereits nur mit einigem Verlust an genutztem Raum angenähert werden kann, ist es bei dem dreieckigen Querschnitt 172 nur mit großem Verlust möglich. Nähert man einen viereckigen Zellenquerschnitt einer Flachzelle durch mehrere runde Querschnitte der in 17A und 17 gezeigten Rundzellen 3 an, so entspricht bei dem torbogenförmigen Querschnitt 171 eine optimale rechteckige Annäherung 8 × 8 = 64 Rundzellen, während bei Verwendung der Rundzellen 3 insgesamt 82 Rundzellen 3 untergebracht werden können, das entspricht einem Raumgewinn von (82/64) – 1 = 28% gegenüber der Verwendung einer einzigen Flachzelle. Bei dem dreieckigen Querschnitt 172 entspricht eine optimale rechteckige Annäherung 3 × 7 = 21 Rundzellen, während bei Verwendung der Rundzellen 3 insgesamt 39 Rundzellen 3 untergebracht werden können, das entspricht einem Raumgewinn von (39/21) – 1 = 86% gegenüber der Verwendung einer einzigen Flachzelle. Die Rundzellen 3 bieten daher eine optimale Voraussetzung, um die Batterieform an die Fahrzeuggeometrie anzupassen.
Eine Speicherbatterie 180 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Darstellung in 18 und 19 beschrieben. Dabei zeigt 18 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Speicherbatterie 180, und zeigt 19 eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts der Speicherbatterie von 18.
Die Speicherbatterie 180 wird nachstehend auch als Tunnelbatterie 180 bezeichnet, da ihr Querschnitt einem Tunnel nachempfunden ist, der etwa einem Mitteltunnel eines Fahrzeugs entsprechen kann. Die Speicherbatterie 180 weist einen Batteriedeckel 181, eine Bodenplatte 182, eine EMV-Folie 183, eine S-Box 184, ein Speichermanagementmodul 185, einen Batteriemodulblock 186 mit mehreren Batteriemodulen 10 (19), mehrere elektrische Modulverbinder 187 zur Verbindung der Batteriemodule 10 untereinander, mehrere Stützrahmen 188 und eine Kühlmittelversorgungsleitung 189 auf.
Wie in 19 gezeigt, sind die einzelnen Batteriemodule 10 mit einem Modulabstand 191 auf der Grundplatte 182 angeordnet und mittels Befestigungsschrauben 192 über die Befestigungssockel 24 mit der Grundplatte 182 verschraubt. Zur Stabilisierung sind die Stützrahmen 188 mittels Befestigungsschrauben 193 an den seitlichen Anschraubsockeln 25 der ersten Verteilerplatten 1 (2) angeschraubt. Die elektrischen Modulverbinder 187 sind mittels Befestigungsschrauben 194 an den Einpressmuttern (Anschlusspolen) 147 (14B) jeweils zweier Batteriemodule 10 angeschraubt und stellen so eine elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen 10 her; auf der hier nicht sichtbaren Seite des Modulblocks 186 ist eine entsprechende Verbindung vorgesehen. Die Kühlmittelversorgungsleitung 189 ist mittels der Kühlmittelschnellverschlüsse 11 an den Rücklaufanschlüssen 19 der zweiten Verteilerplatten 2 angeschlossen; in gleicher Weise ist auf der hier nicht sichtbaren Seite des Modulblocks 186 eine Kühlmittelableitung an die Vorlaufanschlüsse der ersten Verteilerplatten 1 angeschlossen.
Der Modulblock 186 weist eine Vielzahl von Batteriemodulen 10 auf, die stirnseitig, d. h. mit ihren flachen Außenseiten, aneinander anliegen und dabei eine längliche Tunnelform bilden. Die Länge des Tunnels bestimmt die Anzahl der Batteriemodule, die verbaut werden können. In diesem Beispiel handelt es sich um vierundzwanzig Batteriemodule 10.
Der Deckel schützt die Batteriemodule 10 sowie die anderen Teile vor mechanischer äußerer Einwirkung. Die Bodenplatte 182 bildet einen gemeinsamen Träger zur Befestigung der Batteriemodule 186 und der anderen Teile. Die EMV-Folie 183 dient dem Schutz vor elektromagnetischer Abstrahlung. Die EMV-Folie 183 kann eine Aluminiumfolie sein und/oder eine schwarze Farbe haben. Die Farbe kann zusätzlich Wärme in Form von Infrarotstrahlung ableiten. Die Bodenplatte 182 und der Deckel 181 sind vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff, der mit der EMV-Folie 183 überzogen ist, hergestellt. Das Speichermanagementmodul 185 kann den gesamten Modulblock 186 steuern und überwachen. Der Stützrahmen 188, der bevorzugt aus Aluminium hergestellt ist, dient insbesondere dazu, rotatorische Freiheitsgrade in der Speicherbatterie 180 weitestgehend zu unterbinden und deren innere Stabilität und die Aufrechterhaltung des Modulabstands 191 zu gewährleisten. Der Modulabstand 191 beträgt beispielsweise 2 mm, die Erfindung ist aber hierauf nicht beschränkt.
Die vorstehend beschriebene Speicherbatterie 180 mit Rundzellen und gehäuseintegrierter Zwischenzellenkühlung weist gegenüber anderen Batterieformen eine höhere Energiedichte auf. Eine beispielhafte Speicherbatterie mit Flachzellen (sog. Pouch-Batteriezellen) aus der Entwicklung der Anmelderin für einen PKW der Kompaktklasse weist bei einer Masse von 234 kg und einem Volumen von 213 l einen Energieinhalt von 18,3 kWh auf; das entspricht einer Energiedichte von 78 Wh/kg bzw. 85 Wh/l. Eine andere beispielhafte Speicherbatterie mit Flachzellen aus einer anderen Entwicklung für einen Sportwagen weist bei einer Masse von 608 kg und einem Volumen von 385 l einen Energieinhalt von 79 kWh auf; das entspricht einer Energiedichte von 130 Wh/kg bzw. 205 Wh/l. Der hier beschriebene, erfindungsgemäße Tunnelspeicher weist bei einer Masse von 270 kg und einem Volumen von 176 l einen Energieinhalt von 39,25 kWh auf; das entspricht einer Energiedichte von 145 Wh/kg bzw. 223 Wh/l.
ALTERNATIVEN UND VARIANTEN
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelheiten sind für die Ausführung der Erfindung nur insoweit erforderlich, als sie auch in den Ansprüchen beansprucht sind.
Im Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 3 Rundzellen vom Typ 18650; die Erfindung ist jedoch auf jedwede Art von langgestreckten Batteriezellen anwendbar. Unter langgestreckt ist im Sinne der Erfindung eine zylindrische oder prismatische Form zu verstehen, deren Mantelflächen wenigstens eine beträchtlicher Wärmeaustauschfläche im Verhältnis zu deren Stirnflächen bilden.
Anstelle von Aluminium kann die erste Verteilerplatte 1 aus einem wärmeleitenden Kunststoff hergestellt sein. Dadurch ließe sich zwar eine weitere Gewichtsersparnis und bessere Fertigbarkeit erzielen, allerdings wäre die Wärmeleitfähigkeit geringer.
Die Kühlrohre 4 sind im Ausführungsbeispiel mit der ersten Verteilerplatte 1 einstückig ausgebildet. Es ist jedoch eine Ausführung denkbar, in welcher die Kühlrohre 4 einzeln hergestellt und an der ersten Verteilerplatte 1 angebracht sind. Dies vereinfacht die Herstellung der ersten Verteilerplatte 1 und kann insbesondere im Prototypenbau, aber nicht nur dort, Kostenvorteile mit sich bringen.
Optional können die Spreizdorne 23 und die Enden 31 der Klemmfinger 17 zueinander passende Hinterschnitte aufweisen (die Spreizdorne außen und die Enden 31 der Klemmfinger 17 innen), sodass sich die Hinterschnitte beim Zusammenbau schließlich verhaken.
Anstelle der Dichtung 114 am Anschlussende 112 des Kühlrohrs 4 kann eine ringförmige Erhebung vorgesehen sein, die auf Übermaß zu dem Anschlussloch 39 der zweiten Verteilerplatte 2 passt. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen dem Anschlussende 112 und des Kühlrohrs 4 ein Schrumpfsitz vorgesehen sein; d. h., zum Fügen können entweder die Anschlussenden 112 und der Kühlrohre 4 abgekühlt und/oder die zweite Verteilerplatte 2 erhitzt werden, wobei die Passung zwischen dem Anschlussende 112 und des Kühlrohrs 4 so bemessen ist, dass das Fügen ohne Kraftaufwand möglich ist und nach Normalisieren der Temperatur(en) sich ein fester Sitz einstellt.
In dem Ausführungsbeispiel ist in einem Batteriemodul 10 ein Batteriezellenblock 40 zwischen einer ersten Verteilerplatte 1 und einer zweiten Verteilerplatte 2 angeordnet, wobei eine Kühlung der Batteriezellen 3 über die zwischen der ersten Verteilerplatte 1 und der zweiten Verteilerplatte 2 verlaufenden Kühlrohre 4 unter Zuhilfenahme der mechanischen Anpressung durch die Klemmfinger 17 erfolgt. In einer Ausführungsvariante kann das Batteriemodul 10 mehrere Batteriezellenblöcke 40 aufweisen, die hintereinander angeordnet sind. Zusätzlich zu der ersten Verteilerplatte 1 und der zweiten Verteilerplatte 2 kann eine Halteplatte zwischen jeweils zwei Batteriezellenblöcken 40 vorgesehen sein. Die Halteplatte kann auf einer Seite mit Kühlrohren in der Art der Kühlrohre 4 und auf der anderen Seite mit Klemmfingern in der Art der Klemmfinger 17 versehen sein, wobei die Kühlrohre mit Anschlusslöchern in der Art der Anschlusslöcher 39 auf der anderen Seite der Halteplatte kommunizieren. Auf diese Weise können grundsätzlich beliebig viele Batteriezellenblöcke 40 hintereinander angeordnet werden, wobei sich eine Begrenzung in der Kapazität und dem Durchflusswiderstand der Kühlkanäle ergeben kann.
Insbesondere im Hinblick auf die Halteplatte der vorgenannten Ausführungsalternative, aber grundsätzlich auch im Hinblick auf die Verteilerplatten 1 und 2, können die Kühlrohre 4, anstelle aus einem Guss mit der ersten Verteilerplatte 1 bzw. der Halteplatte hergestellt zu sein, auch als separate Bauteile hergestellt sein, und/oder können die Klemmfinger 17, anstelle aus einem Guss mit der zweiten Verteilerplatte 2 bzw. der Halteplatte hergestellt zu sein, auch als separate Bauteile hergestellt sein.
Zur Erleichterung der Entformung und/oder des Fügens können die Kühlrohre 4 und/oder die Klemmfinger 17 über die Länge eine leichte Konizität aufweisen.
Um die große Anzahl an Dichtstellen zu umgehen, können die Kühlglieder anstelle von Kühlrohren auch die Form voll ausgeführter Finger aufweisen, wobei jede Verteilerplatte zur Kühlplatte mit eigenem Vorlauf- und Rücklaufanschluss versehen sein muss. Die einfachere Fertigung wird aber dadurch erkauft, dass der Wärmeabtrag nur an den Enden der Batteriezellen vorhanden ist.
Anstelle einer kreuzweisen Schlitzung der über Kreuz geschlitzten Kegelenden 31 der Klemmfinger 17 können diese auch beispielsweise eine sternförmige oder anders geartete Schlitzung aufweisen. Bei der Gestaltung des freien Endes der Klemmfinger 17 kommt es im Wesentlichen darauf an, dass sich die Enden über den Spreizdornen so aufspreizen, dass die einen Klemmfinger 17 umgebenden Batteriezellen 3 gleichmäßig weggedrückt werden.
Anstelle von Silikon kann für den Überzug 14 auch jeder andere Werkstoff verwendet werden, der, ggf. durch Zusatz von geeigneten Additiven und/oder Füllstoffen die gewünschten Eigenschaften wie Elastizität, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturstabilität etc. aufweist. Die Konfektionierung und Formulierung des Werkstoffs ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: erste Verteilerplatte
2: zweite Verteilerplatte
3: Batteriezelle
4: Kühlrohr (Kühlglied)
5: erste Isolationsfolie
6: erste Zellkontaktierungseinheit
7: oberer Berührschutz
8: Zellüberwachungssystem
9: Dichtungsstopfen
10: Batteriemodul
11: Kühlkanalschnellverschlus
12: erster stirnseitiger Berührschutz
13: erster stirnseitiger Berührschutz
14: thermisch leitender, elastischer Überzug
15: erste Isolationsfolie
16: erste Zellkontaktierungseinheit
17: Klemmfinger
18: Vorlaufanschluss
19: Rücklaufanschluss
20: Innenfläche
21: Kühlkanäle
22: Verteilkanal
22a: Stammkanal
22b: Zweigkanal
23: Spreizdorne
24: Bodenbefestigungssockel
25: seitliche Anschraubsockel
26: obere Anschraublöcher
27: Positionierhilfen
28: Kontaktierungslöcher
29: Vorlaufanschluss
30: Innenfläche
31: geschlitztes Kegelende
32: Verteilkanal
32a: Stammkanal
32b: Zweigkanal
33: Spreizdorne
34: seitliche Anschraubsockel
35: Kabelklemme für Kühlmittelversorgungsleitung
36: obere Anschraublöcher
37: Positionierhilfen
38: Kontaktierungslöcher
39: Anschlusslöcher
40: Zellpaket
41: Zellquartett
42: Fügerichtung
91: Kühlmittelvorlauf
92: Kühlmittelrücklauf
100: Wärmestrom
112: Anschlussende
113: Stirnfläche
114: Dichtung
120: Batteriezellenmodul (Stand der Technik)
121: Kühlschlange
131: erste Öffnungen für Kühlkanäle
132: zweite Öffnungen für Klemmfinger
133: dritte Öffnungen für Zellkontaktierungen
134: vierte Öffnungen für Positionierhilfen
135: fünfte Öffnungen zur Gewichtsreduktion
141: erstes Kontaktierungsblech (ZKS2-3)
142: zweites Kontaktierungsblech (ZKS6-7)
143: drittes Kontaktierungsblech (ZKS1)
144: viertes Kontaktierungsblech (ZKS8)
145: fünftes Kontaktierungsblech (ZKS4-5)
146: Stanzlöcher
147: Einpressmutter (elektrischer Pol)
150
153: Befestigungslaschen
154: Durchgangslöcher für Schrauben
155: Passlöcher
163: Positionierhilfe
171: torbogenförmiger Querschnitt
172: dreieckiger Querschnitt
180: Speicherbatterie
181: Speicherbatterie- oder Speicherdeckel
182: Grund- oder Bodenplatte
183: EMV-Folie
184: S-Box
185: Speichermanagementmodul
186: Batteriemodulblock
187: elektrische Modulverbindung
188: Stützrahmen
189: Kühlmittelversorgungsleitung
191: Modulabstand
192: Befestigungsschrauben
193: Befestigungsschrauben
194: Befestigungsschrauben

Die vorstehende Liste ist integraler Bestandteil der Beschreibung.
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

US 2008/0311468 A1 [0005]
US 2013/0916184 A1 [0005, 0005]
WO 2012/168648 A1 [0005]
DE 102004005394 A1 [0005]

Claims

Halterung für gestreckte, insbesondere zylindrische Batteriezellen (3), aufweisend eine Vielzahl von gestreckten Kühlgliedern (4), die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in Richtung einer Längsachse der in der Halterung aufnehmbaren Batteriezellen (3) erstrecken.
Halterung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) im Querschnitt eine mehrfach, insbesondere vierfach, konkave Außenkontur aufweisen, die an eine Außenkontur der Batteriezellen (3) angepasst ist.
Halterung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Kühlglieder (4) von einem ersten zu einem zweiten Ende kontinuierlich verjüngt.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) eine wirksame Länge aufweisen, die einer Länge der Batteriezellen (3) entspricht.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) einen Überzug (14) aus einem elastischen, wärmeleitenden Werkstoff tragen.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) ein Anschlussende (112) mit einer vorzugsweise zylindrischen Außenkontur aufweisen.
Halterung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussende eine konvex-ringförmige Verdickung oder eine Ringnut zur Aufnahme eines Dichtrings (114) aufweist.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) jeweils einen zentralen Kühlkanal (21) aufweisen.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine erste Verteilerplatte (1) mit einem ersten Kühlmittelanschluss (29) und einem Verteilkanal (22), der mit dem ersten Kühlmittelanschluss (29) kommuniziert, wobei der Verteilkanal (22) vorzugsweise einen Stammkanal (22a), der mit dem ersten Kühlmittelanschluss (29) kommuniziert, und eine Vielzahl von Zweigkanälen (22b), die von dem Stammkanal (22a) abzweigen, aufweist.
Halterung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) von einer Oberfläche (20) der ersten Verteilerplatte (1) rechtwinklig oder im Wesentlichen rechtwinklig abragen.
Halterung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) mit der ersten Verteilerplatte (1) einstückig ausgebildet sind, wobei ein in den Kühlgliedern (4) jeweils ausgebildeter Kühlkanal (21) mit dem Verteilkanal (22) der ersten Verteilerplatte (1), insbesondere einem der Zweigkanäle (22a), kommuniziert.
Halterung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) in Anschlussöffnungen (39) der ersten Verteilerplatte (1) eingesetzt oder einsetzbar sind, wobei die Anschlussöffnungen (39) mit dem Verteilkanal (22) der ersten Verteilerplatte (1), insbesondere jeweils einem der Zweigkanäle (22b), kommunizieren.
Halterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine zweite Verteilerplatte (2) mit einem zweiten Kühlmittelanschluss (19), einem Verteilkanal (32), der mit dem zweiten Kühlmittelanschluss (19) kommuniziert, wobei der Verteilkanal (32) vorzugsweise einen Stammkanal (32a), der mit dem ersten Kühlmittelanschluss (19) kommuniziert, und eine Vielzahl von Zweigkanälen (22b), die von dem Stammkanal (22a) abzweigen, aufweist, und einer Vielzahl von Anschlussöffnungen (39), die an die Anschlussenden (112) der Kühlglieder (4) angepasst sind, sich in einer Oberfläche der zweiten Verteilerplatte (2) öffnen und mit dem Verteilkanal (32), insbesondere jeweils mit einem der Zweigkanäle (32b), kommunizieren.
Halterung gemäß Anspruch 13, weiter aufweisend eine Vielzahl von Klemmfingern (17), die von einer Oberfläche (30) der zweiten Verteilerplatte (2) rechtwinklig oder im Wesentlichen rechtwinklig abragen.
Halterung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmfinger (17) im Querschnitt eine sich von einem Ende zu dem anderen Ende hin leicht verjüngende Außenkontur aufweisen.
Halterung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende ein mehrfach, insbesondere kreuzweise, geschlitztes Ende ist, wobei das geschlitzte Ende vorzugsweise eine sich stärker als in dem restlichen Teil verjüngende Außenkontur aufweist.
Halterung einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmfinger (17) einstückig mit der zweiten Verteilerplatte (2) ausgebildet sind.
Halterung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) und die Klemmfinger (17) jeweils ein regelmäßiges Anordnungsmuster derart aufweisen, dass in einem von vier Kühlgliedern (4) aufgespannten Viereck vier Batteriezellen (3) aufnehmbar sind und in einem von den vier Batteriezellen (3) aufgespannten Zwischenraum ein Spreizdorn (23) derart aufnehmbar ist, dass der Spreizdorn (23) die Batteriezellen (3) in Richtung der Kühlglieder (4) presst.
Batteriemodul (10), aufweisend eine Vielzahl von gestreckten, insbesondere zylindrischen Batteriezellen (3) und eine Halterung zur Aufnahme der Batteriezellen (3), wobei die Halterung eine Vielzahl von gestreckten Kühlgliedern (4), die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander in Richtung einer Längsachse der Batteriezellen (3) erstrecken, aufweist, wobei die Batteriezellen (3) in der Halterung so aufgenommen sind, dass jede der Batteriezellen (3) in wärmeleitendem Kontakt mit wenigstens einem der Kühlglieder (4) angeordnet ist, wobei die Halterung vorzugsweise nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Batteriemodul (10) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) in Quartetten (41) zu je vier Batteriezellen (3) geordnet sind, wobei die vier Batteriezellen (3) eines Quartetts (41) jeweils in einem von vier Kühlgliedern (4) aufgespannten Raum aufgenommen sind.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Batteriezellen (3) eines Quartetts durch einen Klemmfinger (17), der in einem von den vier Batteriezellen (3) aufgespannten Zwischenraum angeordnet ist, gegen die vier umgebenden Kühlglieder (4) gepresst werden, wobei vorzugsweise ein die Kühlglieder (4) umhüllender elastischer und wärmeleitender Überzug (14) zusammengepresst wird.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlglieder (4) einen Kühlkanal (21) aufweisen, der mit einem in einer ersten Verteilerplatte (1) vorgesehenen Verteilkanal und mit einem in einer zweiten Verteilerplatte (2) vorgesehenen Verteilkanal kommuniziert.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerplatte (1) die Kühlglieder (4) trägt und die zweite Verteilerplatte (2) die Klemmfinger (17) trägt.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 4, weiter aufweisend eine erste Kontaktierungseinheit (6), welche an einer Außenseite der ersten Verteilerplatte (1) angebracht ist, und eine zweite Kontaktierungseinheit (16), welche an einer Außenseite der zweiten Verteilerplatte (2) angebracht ist, zur Kontaktierung von Polen der Batteriezellen (3) durch Kontaktierungslöcher (28, 38) in der ersten Verteilerplatte (1) und der zweiten Verteilerplatte (2) hindurch.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 4, weiter aufweisend eine Berührschutzbaugruppe (150, 7, 12, 13) zum Schutz von außen auf dem Batteriemodul (10) freiliegenden stromführenden Teilen vor Berührung.
Speicherbatterie (180) mit einer Vielzahl von Batteriemodulen (10), in denen jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen (3) zusammengefasst sind, wobei die Batteriemodule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet sind und wobei Pole der Batteriemodule (10) elektrisch miteinander verbunden sind.
Speicherbatterie (180) nach Anspruch 26, weiter aufweisend eine Bodenplatte, auf welcher die Batteriemodule (10) befestigt sind, und einen Deckel, mit welcher die Batteriemodule (10) abgedeckt und eingehaust sind.
Speicherbatterie (180) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbatterie (180) einen wenigstens abschnittweise torbogenförmigen Querschnitt aufweist.
Speicherbatterie (180) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbatterie (180) zur Aufnahme in einem Hohlraum eines Fahrzeugs ausgebildet ist, wobei der Hohlraum insbesondere ein Mitteltunnel des Fahrzeugs ist.
Fahrzeug mit einer Speicherbatterie (180) nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei die Speicherbatterie (180) insbesondere in einem Mitteltunnel des Fahrzeugs eingebaut ist.