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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eine Energiespeichereinheit für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. Derartige Speichereinheiten umfassen ein Gehäuse mit einem einen Gehäuseboden sowie ein Gehäusewandungen umfassendes kistenartiges Aufnahmeteil und ein das Aufnahmeteil verschließendes Deckelteil. Dabei nimmt das Gehäuse eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf. Zur Temperierung derselben ist eine ein Temperiermedium aufnehmende Temperiereinheit vorgesehen, wobei die Temperiereinheit Anschlüsse zur Zuführung und Abführung des Temperiermediums aufweist.
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In der
DE 10 2009 013 651 A1 ist ein Kühlsystem zur aktiven Kühlung von Batteriezellen eines Energiespeichers beschrieben. Dieses System mit einem Kühlmittelzufluss, einem Kühlmittelabfluss sowie einem Kühlmittelverteiler schlägt Durchflussbegrenzungsglieder vor, um den Kühlmittelfluss entsprechend verteilen zu können.
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Aus der
DE 10 2011 010 664 A1 ist ein rohrförmiger Energiespeicher bekannt, der eine durchgehende Ausnehmung aufweist, die als Durchströmungskanal zur Kühlung des Energiespeichers fungiert.
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Darüber hinaus beschreibt die
DE 10 2014 202 162 A1 eine elektrische Energiespeichereinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und mit einer aktiven Kühleinrichtung. Dabei sind mehrere Batteriezellen auf dem Boden des Energiespeichergehäuses angeordnet. Zur Kühlung der Batteriezellen ist an einer den Batteriezellen abgewandten Außenwandfläche des Gehäusebodens ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmbares Kühlelement vorgesehen, welches an ein entsprechendes Kühlmittelleitungssystem angeschlossen ist. Der Gehäuseboden des Energiespeichergehäuses bildet dabei zugleich eine Wärmetauscherfläche für die Kühlflüssigkeit der außerhalb des Gehäuses, unterhalb des Gehäusebodens angeordneten Kühlelements.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit zu schaffen, welche bei möglichst kleiner und flacher Bauweise einen hohen Wärmetransport für ein hoch effizientes Thermomanagement ermöglicht.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass hierfür die Anzahl der Wärmedurchgänge und Wärmeübergänge möglichst gering gehalten werden sollte. Ferner ist Ziel der Erfindung ein Temperiersystem bereitzustellen, bei dem auf den Einsatz von Wärmeleitpasten und -klebern aus Kosten-, Gewichts- und Prozessgründen möglichst verzichtet werden soll.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
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Im Kern der Erfindung steht insbesondere ein mehrschaliger Aufbau des Deckelteils des Gehäuses des Temperiersystems. Der mehrschalige Deckelaufbau umfasst das eigentliche Deckelteil (auch als Oberschale bezeichnet), welches die originäre Aufgabe hat, das Gehäuse des Temperiersystems hermetisch gegenüber der Umgebung zu verschließen und einer insbesondere als Formteil (insbesondere als Tiefziehformteil) ausgeführten an die Oberschale angebundenen Unterschale, die die Kontaktfläche(n) zum Wärmeaustausch mit den Batteriemodulen bereitstellt. Das Formteil ist vorzugsweise einteilig ausgeführt und entspricht in seiner flächigen Ausdehnung (Längen - und Breitenabmessung) mit Vorteil dem Deckelteil des Gehäuses. Alternativ ist auch eine mehrteilige Ausgestaltung des Formteils denkbar, wobei einzelne Formteile mit Teilbereichen des Deckelteils bzw. mit Batteriemodulteilgruppen zusammenwirken bzw. diesen zugeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Temperiersystem für eine Energiespeichereinheit umfasst ein insbesondere kistenartiges Gehäuse mit einem Aufnahmeteil für Batteriezellen - beziehungsweise aus einzelnen Batteriezellen (bevorzugt sogenannte Pouchzellen) aufgebauten Batteriemodulen - und einem das Aufnahmeteil dicht verschließenden Deckelteil. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Temperiersystem eine ein Temperiermedium aufnehmende Temperiereinheit zur Temperierung (insbesondere zum Kühlen oder Erwärmen) der Batteriemodule, wobei die Temperiereinheit Anschlüsse zur Zuführung und Abführung des Temperiermediums aufweist, und wobei die Temperiereinheit als integraler Bestandteil des Deckelteils und/oder des Gehäusebodens ausgebildet ist, so dass zwischen dem Deckelteil des Gehäuses und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen und/oder zwischen dem Gehäuseboden und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen eine Temperierungs- bzw. Temperiereinheit ausgebildet ist. Das Temperiersystem umfasst insbesondere ein Kühlsystem. Das Temperiermedium umfasst insbesondere ein Kühlmedium. Das Temperiermodul umfasst insbesondere ein Kühlmodul. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein.
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Auch wenn im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung vorrangig von einer Kühlung der Energiespeichereinheit bzw. einer Kühlung von Batteriemodulen die Rede ist, umfasst die Erfindung allgemein die Temperierung derselben - was im Einzelfall auch eine Erwärmung der Batteriemodule bedeuten kann. Durch die Erfindung soll ein hoch effizientes betriebsabhängiges Thermomanagement bei möglichst kompakter Bauform und möglichst geringem Gewicht ermöglicht werden. Ferner soll eine gute Abdichtbarkeit und effiziente und kostengünstige Herstellung derselben erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Temperiersystem hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau zum einen auf teure und aufwändig zu verarbeitende zusätzliche Wärmeleitkleber oder ähnliches verzichtet werden konnte und zum anderen durch die Integration der Temperiereinrichtung in das Deckelteil, in dem die Temperiereinrichtung einteilig mit dem Deckelteil ausgebildet ist, eine hohe Bauraumdichte erreicht werden konnte. Ferner wird durch die funktionale Integration eine Komplexitätsreduktion und somit eine optimierte Fertigung und potenziell günstigere Kostenposition erreicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Temperiereinheit durch ein Formteil mit mindestens einer kissenartigen Vertiefung (Struktur, Aufnahme) gebildet, welches flüssigkeitsdicht (bevorzugt gas- und flüssigkeitsdicht) mit der Innenseite des Deckelteils des Gehäuses verbunden ist. Vorzugsweise weist das Formteil eine Mehrzahl von Vertiefungen auf, so dass eine Mehrzahl von kissenartigen Strukturen gebildet ist, wobei die durch die kissenartigen Strukturen gebildeten Einzeltemperiereinheiten auf der Innenseite des Gehäusedeckels bzw. Deckelteils (oder Gehäusebodens) über Verbindungsleitungen für den Zu- beziehungsweise Abfluss des Temperiermediums miteinander verbunden sind.
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Die Verbindungsleitungen werden dabei gebildet durch im Formteil und/oder im Deckelteil (oder Gehäuseboden) ausgebildete Ausnehmungen. Während das obere Deckelteil im Wesentlichen statische Aufgaben sowie den Verschluss des Gehäuses übernimmt, und von der Materialauswahl auf diese optimiert ausgelegt ist, ist die Hauptaufgabe des Formteils die Aufnahme und Durchleitung des Temperiermediums sowie die sichere thermische Kontaktierung zu den Batteriemodulen.
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Bevorzugt ist das Formteil derart ausgebildet, dass die Temperiereinheit auf ihrer den Batteriemodulen zugeordneten bzw. zugewandten flächigen Seite derart flexibel ausgebildet, dass sie sich in ihrer Form im Wesentlichen lückenlos an die Oberfläche der zu temperierenden Batteriemodule anschmiegt, so dass die Kontaktfläche zwischen Temperiereinheit beziehungsweise dem Formteil der Temperiereinheit und den Batteriemodulen flächenmäßig optimiert ist.
Hierfür ist das Formteil möglichst dünn und aus einem Werkstoff mit hohem Wärmedurchgangskoeffizienten ausgeführt - insbesondere kann das Formteil auch als Kunststofffolie oder Feinblech gefertigt sein.
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Darüber hinaus sind das Deckelteil sowie das Formteil auf seiner innen liegenden den Hohlraum zur Aufnahme des Temperiermediums bildenden Flächen vorzugsweise korrosionsbeständig ausgeführt. Dies wird bevorzugt (soweit erforderlich) durch eine entsprechende Beschichtung der korrodierenden Oberflächen gewährleistet.
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Das Formteil zur Bildung einer Temperiereinheit kann dabei sowohl bodenseitig als auch deckelseitig in die Energiespeichereinheit integriert werden - bevorzugt ist zumindest deckelseitig eine solche Ausgestaltung vorgesehen.
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Durch den Innendruck im Temperiersystem und damit im Temperiermodul selbst wird dafür gesorgt, dass bei allen vorgesehenen Betriebsbedingungen der Energiespeichereinheit die batteriemodulseitige dünne Wandfläche der Temperiereinheit (also die den Batteriemodulen zugekehrte Fläche des Formteils) im Wesentlichen vollflächig (d.h. mit der gesamten Kontaktfläche Temperiermodul/Batteriemodul) am zugeordneten Batteriemodul beziehungsweise dessen Kontaktfläche zum Formteil am selbigen anliegt bzw. an dieses angeschmiegt ist. Das Formteil kann derart ausgeführt sein, dass jeweils ein einzelnes Batteriemodul, eine Batteriemoduluntergruppe mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen oder die gesamte Batteriemodulgruppe der Energiespeichereinheit zwecks Wärmeaustausch abgedeckt wird.
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Das Formteil sollte derart ausgeführt sein, dass es mit seinen kissenartigen Vertiefungen bzw. Ausnehmungen seiner flächigen, den Batteriemodulen zugekehrten Kontaktseite seitlich über diese hinausragt und dadurch eine im Hinblick auf Wärmeleitung optimierte Konstruktion darstellt als auch etwaige vorhandene Positionstoleranzen der Batteriemodule im Gehäuse hierdurch ausgeglichen werden. Ferner werden hierdurch auch die betriebsbedingten Volumentoleranzen der Batteriemodule ausgeglichen, die sich abhängig von ihrem Ladezustand mehr oder weniger ausdehnen.
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Vorzugsweise weist das Formteil, beziehungsweise jede kissenartige Ausnehmung desselben, in seiner flächigen den Batteriemodulen zugekehrten Kontaktseite einen durch eine balgfederartige Ausgestaltung erzeugten Dehnungsbereich (sogenannte Balgfeder) auf. Eine derartige Balgfeder kann bei einem aus Stahlblech hergestellten Formteil beispielsweise durch eine umlaufende Verprägung des Formteils bzw. seiner kissenartigen Vertiefungen realisiert werden.
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Es ist ferner sicher zu stellen, dass das Formteil gas- beziehungsweise flüssigkeitsdicht ausgeführt ist. Die eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung von Formteil und Deckelteil kann durch Kleben oder Schweißen (Punktschweißen oder Laserschweißen) oder eine geeignete Verfahrenskombination erfolgen.
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Das Formteil ist vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, und/oder aus Metall, insbesondere einem korrosionsbeständigen oder beschichteten Stahl, und/oder aus einem Verbundmaterial, wie beispielsweise einem Sandwichelement, gefertigt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Energiespeichereinheit aufweisend das erfindungsgemäße Temperiersystem und insbesondere die Mehrzahl von Batteriemodulen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Draufsicht eines Temperiersystems mit einer Anordnung von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 2 zeigt einen Teilschnitt des Temperiersystems gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt einen Ausschnitt gemäß 2 mit einer vergrößerten Darstellung eines Details der Temperiereinheit gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der Tiefziehstruktur eines Formteils zur Bildung einer Temperiereinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In der folgenden Beschreibung eines bevorzugten möglichen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung als Temperiersystem mit einer Energiespeichereinheit und mit einer Temperiereinheit beschrieben, wobei diese Temperiereinheit jedoch derart ausgebildet ist, dass die über sie zu temperierenden Batteriemodule bei Bedarf auch beheizt werden können. Die beschriebene Temperiereinheit mit Temperiermedium ist im Sinne der Erfindung daher allgemeiner als Temperiereinheit mit Temperierungsmedium zu verstehen.
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In 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine exemplarische Anordnung von Batteriemodulen 1 in einem Gehäuse 2 einer Energiespeichereinheit gemäß einer möglichen Ausführung der Erfindung dargestellt. Dabei sind in einem wannen- oder kistenartigen Aufnahmeteil 20 mit einem Gehäuseboden 21 (siehe 3) und umfänglich schematisch dargestellten Gehäusewandungen 22 insgesamt drei Spalten mit jeweils zehn Batteriemodulen 1 - also insgesamt dreißig Batteriemodule 1 - im dargestellten Gehäuse 2 einer Energiespeichereinheit angeordnet. Das Aufnahmeteil 20 wird dabei über ein Deckelteil 200 (siehe 3) verschlossen.
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2 zeigt die Schnittdarstellung eines Ausschnittes beziehungsweise Teilbereichs einer Energiespeichereinheit in schematischer Darstellung. Dabei sind die einzelnen Batteriemodule 1 auf dem Gehäuseboden 21 des Gehäuses 2 der Energiespeichereinheit angeordnet und über zueinander beabstandete Querträger 23 räumlich voneinander getrennt beziehungsweise innerhalb des Gehäuses 2 fixiert. Durch die Querträger 23 werden dabei einzelne nach oben offene Batteriekästen zur Aufnahme der Batteriemodule 1 gebildet. Die Querträger 23 weisen mit Vorteil ein im Querschnitt gesehen trapezförmiges Profil auf, wodurch einerseits ein geführtes Einführen der Batteriemodule 1 in das Gehäuse 2 erleichtert wird und andererseits die Batteriemodule 1 bodenseitig positioniert und gegen seitliches Verrutschen gesichert werden.
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Das Deckelteil 200 weist auf seiner den Batteriemodulen 1 zugewandten Innenseite eine als Formteil 31 ausgebildete Unterschale auf, mit der es durch im Formteil 31 selbst gebildete kissenartige Vertiefungen V eine Art thermisch miteinander verbundene Einzeltemperiereinheiten für hiermit korrespondiere Batteriemodule 1 bildet. Die thermische Verbindung der Vertiefungen V erfolgt dabei durch Ausnehmungen im Deckelteil 200 und/oder im Formteil 31, wodurch entsprechende Verbindungskanäle K gebildet werden (siehe auch 4). Die in der Schnittdarstellung angedeuteten als Klebe- und/oder Schweißverbindung ausgeführten Verbindungsbereiche zwischen Deckelteil 200 und Formteil 31 sind durch mit Bezugszeichen P bezeichnete Bereiche dargestellt.
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In 3 ist ein Ausschnitt gemäß 2 dargestellt, in dem der der Temperiereinheit 3 zugewandte Teil eines Batteriemoduls 1 nebst einer diesem zugeordneten Einzeltemperiereinheit gezeigt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Formteil 31 mit einer kissenartigen Vertiefung V im Detail gezeigt, wobei das Formteil 31 mittels einer Klebe- und/oder Schweißverbindung oder dergleichen gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Deckelteil 200 des Gehäuses 2 verbunden ist. Der zwischen Deckelteil 200 und Formteil 31 gebildete Hohlraum wird zwecks Temperierung der Batteriemodule 1 mit einem Temperiermedium durchströmt. Damit sich das Formteil 31 möglichst optimal an die zu temperierende Oberfläche des Batteriemoduls 1 anschmiegen kann, weist das Formteil 31 (optional) umlaufend seiner kissenartigen Vertiefungen V jeweils entsprechende Dehnungsbereiche (Balgfedern) 31a auf. Im montierten Zustand der Energiespeichereinheit wird durch die flexible Kontaktfläche (in der Art eines Wasserbettes) eine thermisch optimierte Kopplung zwischen Batteriemodulen 1 und der Temperiereinheit 3 erreicht. Wie dargestellt sind die kissenartigen Vertiefungen V derart bemessen, dass sie seitlich über die Abmessungen der Batteriemodule 1 hinausragen - also entsprechend größer bemessen sind, so dass ein Überstand gebildet wird, durch den etwaige bauliche Toleranzen und/oder eine hierdurch bedingte Lagevarianz einzelner Batteriemodule 1 ausgeglichen werden können, ohne Nachteile bei der Temperierung derselben hinnehmen zu müssen.
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In 4 ist die Oberflächenstruktur eines Formteils 31 zur Bildung einer Temperiereinheit 3 in einer inneren Draufsicht dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind korrespondierend zu den in 1 gezeigten drei mal zehn (3 x 10) Batteriemodulen 1 drei Spalten je neun Vertiefungen V im Formteil 31 ausgebildet, wobei jede Spalte auf ihrer einen Längsseite einen als Zulaufkanal KZul und einen Ablaufkanal KAbl ausgebildeten Verbindungskanal aufweist, die jeweils an einen Zulaufanschluss Z sowie einen Ablaufanschluss A angebunden sind. Jede kissenartige Vertiefung V ist dabei auf ihrer einen Seite sowohl mit einem Zulaufkanal KZul als auch mit einem Ablaufkanal KAbl verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Gehäuse
- 20
- Aufnahmeteil
- 21
- Gehäuseboden
- 22
- Gehäusewandungen
- 200
- Deckelteil
- 3
- Temperiereinheit
- 31
- Formteil
- V
- kissenartige Vertiefung
- 31a
- Dehnungsbereich (Balg)
- A
- Ablaufkanal
- Z
- Zulaufkanal
- ZA
- Zulaufanschluss
- AA
- Ablaufanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013651 A1 [0002]
- DE 102011010664 A1 [0003]
- DE 102014202162 A1 [0004]
