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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, insbesondere ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, welches in einer Antriebsbatterie für ein Hybrid- oder Elektro-Kraftfahrzeug verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Batteriemodule beispielsweise zum Aufbau eines Antriebsbatteriesystems für Fahrzeuganwendungen bekannt. Jedes Batteriemodul weist typischer Weise eine oder mehrere elektrisch miteinander verbundene Batteriezellen zum Bereitstellen von elektrischer Energie auf..
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Zum Aufbau eines Batteriesystems kann entweder ein einzelnes Batteriemodul verwendet werden, oder aber es sind mehrere Batteriemodule in dem Batteriesystem zusammengefasst, die entsprechend gemeinsam eine höhere Leistung und/oder Kapazität bereitstellen können. In der Regel umfasst ein Batteriesystem neben dem einen oder den mehreren Batteriemodulen ein die Batteriemodule einhausendes Batteriesystemgehäuse und die notwendigen elektrischen Verschaltungen sowie ein Batteriemanagementsystem.
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Mehrere Batteriezellen können auch zu einem Batterieblock zusammengefasst werden, der sich dann quasi wie eine einzige Batteriezelle verhält.
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Die Leistung und die entnehmbare Kapazität einer Batteriezelle sind in hohem Maße temperaturabhängig. Denn Transportprozesse und elektrochemische Reaktionen laufen nur bei ausreichend hohen Temperaturen schnell genug ab, um hohe Ströme bei niedrigem Spannungsverlust zu gewährleisten. Andererseits laufen auch Alterungsmechanismen schneller bei hohen Temperaturen ab, was die optimale Temperatur über Lebensdauer nach oben begrenzt. Temperaturen höher als etwa 80° C werden aus Sicherheitsgründen in der Regel vermieden.
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Batteriemodule in Kraftfahrzeugen sind aufgrund klimatischer Veränderungen und aufgrund der stark schwankenden Leistungsabgabe über die Nutzungsdauer hinweg permanent großen Temperaturschwankungen unterworfen. Beispielsweise kann im Winter die Umgebungstemperatur bis in den Celsius-Minusgradbereich vordringen, im Sommer kann hingegen eine sehr hohe Umgebungstemperatur vorliegen. Weiterhin kann bei einer hohen Leistungsanforderung durch den Antrieb und durch weitere Verbraucher die Temperatur der Batterie kurzfristig stark ansteigen.
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Weiterhin erwärmen sich die Batteriezellen während des Betriebs aufgrund von Verlustwärme, insbesondere infolge von ohmschen Verlusten innerhalb der Batteriezellen, selbst, was zu einer Leistungsminderung oder gar zu Schäden an den Batteriezellen oder dem gesamten Modul führen kann.
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Um die vorgenannten Nachteile zu überwinden, sind Batteriemodule bekannt, bei welchen die Batteriezellen temperiert werden. Mit anderen Worten werden die einzelnen Batteriezellen das Batteriemodul oder das mindestens ein Batteriemodul umfassende Batteriesystem thermisch konditioniert. Dies wird durch eine thermische Anbindung der Batteriezellen an eine konditionierbare Temperierungsplatte auf einer Seite der Batteriezellen realisiert, wobei die Temperierungsplatte beispielsweise am Modulboden angeordnet ist. Derartige Temperierungsplatten werden in der Regel durch ein vorkonditioniertes Temperierungsmedium entweder erwärmt oder gekühlt. Die nebeneinander angeordneten Batteriezellen stehen dabei mit ihrer Unterseite jeweils in wärmeleitenden Kontakt mit der Temperierungsplatte.
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Die
DE 10 2014 015 742 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Batteriemodul, bei welchem ein aus parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gebildeter Zellblock an einer Temperiervorrichtung angeordnet ist, wobei die Temperiervorrichtung zumindest ein Peltier-Element und eine Temperierplatte aufweist. Das Peltier-Element steht in direktem flächigem Kontakt mit einer Seitenfläche des Zellblocks, so dass der Zellblock von dieser Seite aus durch das Peltier-Element temperiert werden kann. Auf der Rückseite des Peltier-Elements steht das Peltier-Element in direktem flächigen Kontakt mit der Temperierungsplatte, mittels welcher die Rückseite des Peltier-Elements temperierbar ist.
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Durch die einseitige Anbindung der Batteriezellen an die Temperierungsplatte beziehungsweise an das Peltier-Element und der daraus resultierenden einseitigen Wärmeabfuhr beziehungsweise Wärmezufuhr entsteht ein Temperaturgradient innerhalb einer Zelle. Der der Temperierungsplatte zugewendete und mit dieser in direktem thermischen Kontakt stehende Bereich der Batteriezellen ist dabei stärker beheizt beziehungsweise gekühlt und weist entsprechend eine höhere beziehungsweise geringere Temperatur auf, als der obere, von der Temperierungsplatte abgewandte Bereich.
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Des Weiteren ändert sich die Temperiermedientemperatur in dem Verlauf ihres Durchströmens durch die Temperierungsplatte. Die Batteriezellen, welche nahe an der Eintrittsöffnung des Temperiermediums auf der Temperierungsplatte angeordnet sind, werden stark temperiert, mithin stärker gekühlt beziehungsweise beheizt. Mit zunehmendem Abstand von der Eintrittsöffnung des Temperierungsmediums nimmt der Betrag der Temperierung, mithin die Stärke der Kühlung beziehungsweise Beheizung in der Batteriezelle, ab, da das Temperiermedium im Verlauf des Durchfließens der Temperierungsplatte Wärme aufnimmt oder abgibt. Dies führt zu unterschiedlichen Temperaturen der Temperierungsplatte und damit auch zu unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen Batteriezellen entlang des Strömungsverlaufs des Temperierungsmediums.
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Durch diese vorgenannten Inhomogenitäten sowohl innerhalb der einzelnen Zellen sowie auch zwischen den einzelnen Zellen entstehen teils hohe Temperaturgradienten im Batteriemodul. Diese Temperaturgradienten innerhalb des Moduls führen zu einer ungleichmäßigen Alterung der Batteriezellen, wodurch die Lebensdauer des gesamten Batteriemoduls auf die kürzeste Lebensdauer einer individuellen Batteriezelle aller Batteriezellen im Batteriemodul reduziert wird. Zudem unterscheiden sich die entnehmbaren Kapazitäten zwischen den einzelnen Zellen, wobei die entnehmbare Kapazität einer Zelle mit zunehmendem Abstand zur vorgegebenen Betriebstemperatur der Batteriezelle abnimmt.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul mit einer verbesserten Lebensdauer bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Entsprechend wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, umfassend eine Batteriezelle und eine Temperierungsplatte, wobei die Temperierungsplatte auf einer ersten Seite der Batteriezelle angeordnet ist und in wärmeleitendem Kontakt mit der Batteriezelle steht. Erfindungsgemäß ist ein Peltier-Element in wärmeleitendem Kontakt zu der Batteriezelle auf einer von der ersten Seite verschiedenen zweiten Seite der Batteriezelle angeordnet.
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Die Temperierungsplatte ist dabei zum direkten Temperieren der Batteriezelle an deren erster Seite vorgesehen und das Peltier-Element ist zum direkten Temperieren der Batteriezelle an deren zweiter Seite vorgesehen.
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Dadurch, dass ein Peltier-Element zum Temperieren der Batteriezelle auf einer von der ersten Seite der Batteriezelle verschiedenen zweiten Seite an der Batteriezelle in wärmeleitendem Kontakt zu dieser angeordnet ist, kann über sowohl die erste Seite als auch über die zweite Seite zielgerichtet Wärme an die Batteriezelle zugeführt und/oder von dieser abgeführt werden. So können Temperaturunterschiede sowohl innerhalb einer Batteriezelle als auch zwischen unterschiedlichen Batteriezellen des Batteriemoduls durch das Peltier-Element gezielt verringert werden.
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Mit anderen Worten kann durch das Peltier-Element der sich durch die Temperierung mittels der Temperierungsplatte einstellende Temperaturgradient der Temperierungsplatte beziehungsweise der sich mit zunehmender Entfernung von der Temperierungsplatte einstellende Temperaturgradient innerhalb einer Batteriezelle angeglichen oder gar ausgeglichen werden. Die Batteriezelle kann mithin gleichmäßiger temperiert werden. Dies führt zu einer Homogenisierung der Temperaturen innerhalb der Batteriezelle und somit auch innerhalb des Batteriemoduls, was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer der Batteriezelle sowie des Batteriemoduls auswirkt.
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Das Peltier-Element kann zudem die Temperierungsplatte bei der Temperierung bei Leistungsspitzen des Batteriemoduls unterstützen, um die maximal bereitstellbare Temperierung zu erhöhen, bevorzugt die Kühlung oder Erwärmung zu verstärken.
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Weiterhin ist es dadurch möglich, die Batteriezellen in einfacher und effektiver Weise vorzuheizen, um diese schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen beziehungsweise in ein Temperaturbereich zu bringen, in welchem die Batteriezellen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Das Peltier-Element kann eine Temperierung sehr schnell bereitstellen, so dass auch bei einem Kaltstart der Batterie eine zügige Temperierung erreicht werden kann.
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Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass das Peltier-Element eine deutlich geringere Trägheit aufweist, als eine mit einem Temperierungsmedium durchflossene Temperierungsplatte. Auch aus diesem Gesichtspunkt heraus kann durch das Peltier-Element eine effiziente und schnelle Angleichung oder gar ein Ausgleich von Temperaturgradienten erreicht werden.
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Ist nur eine geringe Kühl- beziehungsweise Heizleistung notwendig, kann das Peltier-Element die Temperierung auch im Wesentlichen komplett übernehmen. Dadurch kann das Einschalten einer Vorkonditionierung des Kühlmediums später erfolgen, was wiederum den Gesamtenergieverbrauch senkt und den Aufbau eines das Batteriemodul aufweisenden Systems vereinfacht.
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Besonders effektiv kann das Homogenisieren der Temperaturen innerhalb der Batteriezelle erfolgen, wenn das Peltier-Element je nach ermitteltem Bedarf zeitweise zugeschaltet oder abgeschaltet wird und/oder die Leistung des Peltier-Elements gesteuert/geregelt wird.
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Das Peltier-Element kann auf einer Kontaktseite des Peltier-Elements mit der Batteriezelle thermisch gekoppelt sein und auf der anderen Seite des Peltier-Elements mit einer Gehäusewand eines Batteriemodulgehäuses und/oder eines Batteriesystemgehäuses und/oder mit einem Temperierungskörper thermisch gekoppelt sein. Dadurch wird eine effektive Wärmezufuhr und auch Wärmeabfuhr erzielt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Vielzahl von Batteriezellen auf der Temperierungsplatte angeordnet, wobei das Peltier-Element mit einer oder mehreren der Batteriezellen in wärmeleitendem Kontakt steht. Hierdurch ist es möglich, auch bei Batteriemodulen, welche eine Vielzahl von Batteriezellen oder eine Mehrzahl von Batterieblöcken, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen, die obengenannten Vorteile und Wirkungen zu erzielen und weiterhin ein Batteriemodul mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau zu ermöglichen.
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Wenn eine Mehrzahl von Peltier-Elementen vorgesehen ist, wobei jedes Peltier-Element mit mindestens jeweils einer der Vielzahl von Batteriezellen in wärmeleitendem Kontakt steht, kann die Homogenisierung der einzelnen Batteriezellen besonders genau erfolgen. Mithin ist es somit möglich, die Temperierwirkung einzelner Peltier-Elemente auf einzelne Batteriezellen gezielt lokal zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise können Batteriezellen, die seitens der Temperierungsplatte aufgrund eines relativ großen Abstands zur Eintrittsöffnung des Temperiermediums in die Temperierungsplatte weniger stark temperiert werden, stärker durch das diesen Batteriezellen zugeordnete, mit diesen thermisch gekoppelte Peltier-Element temperiert werden, als Batteriezellen, die stärker durch die Temperierungsplatte temperiert werden. Dadurch kann die unterschiedliche Temperierwirkung der Temperierungsplatte über dessen Erstreckung gesehen effektiv angeglichen oder gar ausgeglichen werden.
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Die vorgenannten Vorteile und Wirkungen lassen sich analog erzielen, wenn ein Peltier-Element derart angeordnet ist, dass es einem Temperaturgradient der Temperierungsplatte, welcher sich aufgrund der oben beschriebenen Änderung der Temperatur des Temperierungsmedium der Temperierungsplatte während des Strömens durch die Temperierungsplatte ergibt, entgegenwirkt.
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Mit anderen Worten kann das Peltier-Element derart angeordnet sein, dass es die mit zunehmenden Abstand von einer Eintrittsöffnung des Temperierungsmediums in die Temperierungsplatte schwächer werdende Temperierungswirkung der Temperierungsplatte kompensiert. Das Peltier-Element erzeugt folglich einen Temperaturgradienten, welcher dem Temperaturgradienten der Temperierungsplatte entgegengerichtet ist.
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Die Temperierungsplatte temperiert die Batteriezellen umso stärker, je näher sich diese an der Eintrittsöffnung befinden. Entsprechend entgegengesetzt kann das Peltier-Element die Batteriezellen temperieren. Dadurch ist eine annähernd homogene Temperierung aller Batteriezellen ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Steuer-/Regeleinheit vorgesehen, mittels welcher ein Stromfluss und/oder eine Stromrichtung zu dem Peltier-Element steuerbar/regelbar sind. Dadurch ist es möglich, das Peltier-Element je nach Bedarf zuzuschalten oder abzuschalten, sowie zum Kühlen der Batteriezelle oder, durch Umkehr der Stromrichtung, zum Heizen der Batteriezelle zu verwenden.
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Wenn mindestens ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle an einer vorgegebenen Stelle der Batteriezelle vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor mit der Steuer-/Regeleinheit in Verbindung stehen kann, kann die Temperatur der Batterie erfasst werden und die Temperierungswirkung von Temperierungsplatte und/oder Peltier-Element gezielt an den durch die Temperaturmessung ermittelten Bedarf angepasst werden.
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Die Steuer-/Regeleinheit kann dazu ausgebildet sein, die Stromhöhe und die Stromrichtung durch das Peltier-Element derart zu steuern/regeln, dass die mit dem Peltier-Element in wärmeleitendem Kontakt stehende Batteriezelle wahlweise kühlbar oder beheizbar ist.
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Ferner kann die Steuer-/Regeleinheit bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie beim Vorsehen einer Mehrzahl von Peltier-Elementen die Peltier-Elemente individuell steuert/regelt, wobei durch das individuelle Steuern/Regeln Temperaturunterschiede in den einzelnen Batteriezellen und/oder zwischen den Batteriezellen angleichbar oder ausgleichbar sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet, Werte des mindestens einen Temperatursensors zu empfangen und das Steuern/Regeln mindestens eines Peltier-Elements basierend auf den empfangenen Werten auszuführen. Hierdurch ist eine besonders effiziente und bedarfsgerechte Temperierung der Batteriezelle ermöglicht.
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Um einen besonders einfachen Aufbau des Batteriemoduls zu erzielen, können das Peltier-Element und/oder die Steuer-/Regeleinheit durch die Batteriezelle mit Strom versorgbar sein. Dann ist keine externe Stromversorgung notwendig, um die Temperierungswirkung des Peltier-Elements und die Funktion der Steuer-/Regeleinheit bereitzustellen.
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Wenn die erste Seite einer Bodenseite des Batteriemoduls entspricht und die zweite Seite einer Oberseite des Batteriemoduls entspricht, kann ein besonders einfacher Aufbau des Batteriemoduls erzielt werden.
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Alternativ kann die zweite Seite anstatt der Oberseite auch einer lateralen Seite des Batteriemoduls entsprechen. Dadurch kann die Bauhöhe des Batteriemoduls besonders niedrig gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Batteriezelle und dem Peltier-Element ein Wärmeleitelement, beispielsweise ein Wärmeleitblech oder ein wärmeleitendes Batteriemodulgehäuse, angeordnet. Alternativ kann das Wärmeleitelement auch als thermisch mit der oder den Batteriezellen gekoppelten Sammelschienen (Bus-Bar) bereitgestellt sein.
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Dadurch kann eine effiziente Wärmeabfuhr an kritischen Stellen bereitgestellt werden, ohne die Komplexität des Aufbaus des Batteriemoduls wesentlich zu erhöhen.
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Ein Peltier-Element kann auf einer von der ersten Seite verschiedenen Seite an einem Batteriezellen-Kontakt in wärmeleitendem Kontakt angeordnet sein und/oder ein Peltier-Element kann auf einer von der ersten Seite verschiedenen Seite an einer Sammelschiene angeordnet sein und/oder ein Peltier-Element kann auf einer von der ersten Seite verschiedenen Seite mit einer Wand eines Modulgehäuses des Batteriemoduls in wärmeleitenden Kontakt stehen.
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Zum Bereitstellen des wärmeleitenden Kontakts und/oder zum Erhöhen beziehungsweise Verbessern der Wärmeleitung zwischen dem Peltier-Element und den Batteriezellen und/oder einer Gehäusewand und/oder einer Sammelschiene und/oder einem Wärmeleitblech und/oder einem weiteren der vorgenannten wärmeleitenden Elemente und/oder zwischen den Batteriezellen und der Temperierungsplatte und/oder einem Wärmeleitblech kann eine an sich bekannte Wärmeleitpaste beziehungsweise Kontaktleitpaste vorgesehen werden.
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Figurenliste
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 5 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer fünften Ausführungsform;
- 6 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer sechsten Ausführungsform;
- 7 schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einer siebten Ausführungsform; und
- 8 schematisch das Batteriemodul aus 7 in einer weiteren Seitenansicht.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
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1 ist schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zu entnehmen.
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Das Batteriemodul 1 umfasst eine schematisch angedeutete Batteriezelle 2 und eine Temperierungsplatte 4 zum Temperieren der Batteriezelle 2, wobei die Temperierungsplatte 4 auf einer ersten Seite 20 der Batteriezelle 2 angeordnet ist und in wärmeleitendem Kontakt mit der Batteriezelle 2 steht. Ferner ist ein Peltier-Element 5 zum Temperieren der Batteriezelle 2 auf einer von der ersten Seite 20 der Batteriezelle 2 verschiedenen zweiten Seite 22 an der Batteriezelle 2 in wärmeleitendem Kontakt zu der Batteriezelle 2 angeordnet.
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Die erste Seite 20 der Batteriezelle 2 entspricht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch einer Unterseite des Batteriemoduls 1, die zweite Seite 22 der Batteriezelle 2 entspricht auch einer Oberseite beziehungsweise Bodenseite des Batteriemoduls 1.
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Die Temperierungsplatte 4 weist einen Temperierungskanal 40 auf, durch welchen ein Temperierungsmedium in Strömungsrichtung 42 strömen kann. Das Temperierungsmedium tritt über eine Eintrittsöffnung 44 in die Temperierungsplatte 4 ein und tritt nach dem Durchströmen der Temperierungsplatte 4 über eine Austrittsöffnung 46 wieder aus der Temperierungsplatte 4 aus. Mithin ergibt sich eine Strömungsrichtung 42 wie in 1 gezeigt. Die Temperierungsplatte 4 ist in dieser Ausführungsform zum Kühlen der Batteriezelle 2 vorgesehen. Entsprechend ist das Temperierungsmedium ein Kühlmedium. Alternativ kann das Temperierungsmedium auch zum Erwärmen vorgesehen sein oder es kann beispielsweise durch Vortemperieren des Temperierungsmediums je nach Bedarf abwechselnd ein Kühlen oder auch ein Erwärmen bereitgestellt werden.
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Das Peltier-Element 5 wird zum einen zum Vorwärmen der Batteriezelle 2 genutzt, um diese auf Betriebstemperatur von beispielsweise ca. 5°-25° C, bevorzugt 10°-20° C, besonders bevorzugt 10° C, 15° C oder 20° C, zu bringen, insbesondere, damit der Elektrolyt in der Batteriezelle 2 nicht einfriert.
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Ferner wird das Peltier-Element 5 während des Betriebs beziehungsweise der Leistungsentnahme aus der Batteriezelle 2, wobei die Batteriezelle 2 aufgrund von Verlustwärme eine Erwärmung erfährt, zum Kühlen der Batteriezelle 2 verwendet. Hierzu ist das Peltier-Element 5 mit einer nicht gezeigten Steuer-/Regeleinheit verbunden, welche einen Stromfluss und die Stromrichtung zu dem Peltier-Element 5 steuert/regelt.
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Um die Temperatur der Batteriezelle 2 zu erfassen, können eine Mehrzahl von nicht gezeigten Temperatursensoren zum Erfassen einer Temperatur einer Batteriezelle 2 an vorgegebenen Stellen der Batteriezelle 2 vorgesehen sein, wobei die Temperatursensoren mit der Steuer-/Regeleinheit in Verbindung stehen, so dass letztere anhand der durch die Temperatursensoren erhaltenen Werte das Peltier-Element 5 und/oder den Strom durch die Temperierungsplatte 4 steuern/regeln kann.
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In dem in 1 gezeigten Zustand erfährt die Batteriezelle 2 sowohl über die Temperierungsplatte 4 als auch über das Peltier-Element 5 eine Kühlung. Dabei wird ein erster Wärmeabfuhrbetrag 91 über die Temperierungsplatte 4 abgeführt und ein zweiter Wärmeabfuhrbetrag 92 über das Peltier-Element 5 abgeführt.
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Vorliegend beträgt der erste Wärmeabfuhrbetrag 91 etwa 90 % der insgesamt von der Batteriezelle 2 abgeführten Wärme und der zweite Wärmeabfuhrbetrag 92 etwa 10 % der insgesamt von der Batteriezelle 2 abgeführten Wärme.
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Alternativ können der erste Wärmeabfuhrbetrag 91 und der zweite Wärmeabfuhrbetrag 92 andere Verhältnisse aufweisen, insbesondere etwa 80 % zu 20 %, 70 % zu 30 %, 60 % zu 40 %, 50 % zu 50 %, 40 % zu 60 %, 30 % zu 70 %, 20 % zu 80 % oder 10% zu 90 %. Alternativ kann auch die Temperierungsplatte 4 oder das Peltier-Element 5 die komplette Temperierung bereitstellen.
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Durch die Temperierung der Batteriezelle 2 mittels des Peltier-Elements 5 kann die sich innerhalb der Batteriezelle 2 einstellende Temperaturverteilung homogenisiert werden. Mit anderen Worten wird der Batteriezelle 2 nicht nur auf der ersten Seite 20 über die Temperierungsplatte 4 Wärme abgeführt oder zugeführt, sondern auch über die zweite Seite 22 mittels des Peltier-Elements 5. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle 2.
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2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Batteriemodul 1 entspricht im Wesentlichen jenem aus 1, wobei eine Mehrzahl von Batteriezellen 2 vorgesehen ist, wobei die einzelnen Batteriezellen 2 parallel zueinander auf der Temperierungsplatte 4 angeordnet sind.
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Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der einzelnen Batteriezellen 2 zur Eintrittsöffnung erfahren die Batteriezellen 2 eine unterschiedlich starke Temperierung durch die Temperierungsplatte 4. Um dies auszugleichen, werden die Batteriezellen 2 durch das jeweilige zugeordnete Peltier-Element 5 unterschiedlich stark temperiert, so dass insgesamt eine im Wesentlichen gleiche Temperierung einer jeden Batteriezelle 2 vorgenommen wird. Dabei werden die Batteriezellen 2 durch das ihr zugeordnete Peltier-Element 5 umso stärker temperiert, desto größer ihr Abstand zur Eintrittsöffnung 44 ist. Mithin wird von jeder einzelnen Batteriezelle 2 in etwa die gleiche Gesamtwärmemenge abgeführt. Dadurch ist es möglich, die Temperaturunterscheide zwischen den Batteriezellen 2 durch die Peltier-Elemente 5 gezielt zu verringern. Demgemäß kann die sich zwischen den einzelnen Batteriezellen 2 einstellende Temperaturverteilung homogenisiert werden.
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3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Batteriemodul 1 weist einen Batterieblock 3 auf, in welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen 2 zusammengefasst ist. Ansonsten entspricht das Batteriemodul 1 im Wesentlichen den in den 1 und 2 gezeigten Modulen.
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Bei dem Batteriemodul 1 der 3 ist zusätzlich ein Wärmeleitelement in Form eines Wärmeleitblechs 7 zwischen den Batteriezellen 2 des Batterieblocks 3 und dem Peltier-Element 5 angeordnet. Das Wärmeleitblech 7 ist sowohl mit den Batteriezellen 2 als auch mit dem Peltier-Element 5 wärmeleitend verbunden beziehungsweise, in andern Worten, thermisch gekoppelt.
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Aus 4 ist schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer vierten Ausführungsform zu entnehmen. Es entspricht im Wesentlichen jenem aus 3, wobei das Peltier-Element 5 auf der zweiten Seite 22 an dem Ende des Wärmeleitblechs 7 angeordnet ist, welches der auf der ersten Seite 20 befindlichen Austrittsöffnung 46 gegenüberliegt.
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Wie bereits oben beschrieben, erfährt das Temperierungsmedium aufgrund der Temperierung der Temperierungsplatte 4 einer Änderung seiner Temperatur während des Strömens durch die Temperierungsplatte 4. Mithin ist die Temperierung der Batteriezellen 2 im Bereich der Eintrittsöffnung 44 stärker, als im Bereich der Austrittsöffnung 46. Dadurch ergibt sich über die Temperierungsplatte 4 ein Temperaturgradient, wie in 4 mittels des Bezugszeichens 93 angedeutet.
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Um diesen Temperaturgradienten 93 auszugleichen, mithin eine gleichmäßige Kühlung aller Batteriezellen 2 des Batterieblocks 3 bereitzustellen, ist das Peltier-Element 5 derart angeordnet, so dass es einen Temperaturgradienten 94 im Wärmeleitbleich 7 bewirkt, welcher dem Temperaturgradienten 93 entgegengerichtet ist.
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Folglich kühlt vorliegend die Temperierungsplatte 4 die Batteriezellen 2 auf der ersten Seite 20 umso stärker, je näher sich diese an der Eintrittsöffnung 44 befinden und das Peltier-Element 5 kühlt vorliegend die Batteriezellen 2 auf der zweiten Seite 22 umso stärker, je näher sich diese an der Austrittsöffnung 46 befinden. Der über die Temperierungsplatte 4 zwischen den Batteriezellen 2 erzeugte Temperaturgradient wird durch das Peltier-Element 5 mithin reduziert beziehungsweise ausgeglichen. Dadurch ist eine annähernd homogene Temperierung aller Batteriezellen 2 ermöglicht.
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5 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer fünften Ausführungsform. Dieses Batteriemodul 1 entspricht im Wesentlichen jenem aus 4, wobei anstelle des Wärmeleitblechs 7 hier ein Batteriemodulgehäuse 30 des Batterieblocks 3 vorgesehen ist, welches aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt ist und in wärmeleitenden Kontakt mit den Batteriezellen 2 des Batterieblocks 3 steht und diese einhaust.
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Zudem ist das Peltier-Element 5 bezogen auf das Batteriemodul 1 auf einer lateralen Seite, mithin seitlich des Batterieblocks 3, angeordnet. Die zweite Seite 22 entspricht folglich dieser lateralen Seite.
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Die Temperierung durch das Peltier-Element 5 erfolgt entsprechend über das wärmeleitfähige Batteriemodulgehäuse 30.
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6 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Hier ist das Peltier-Element 5 in wärmeleitendem Kontakt mit den Batteriezellen-Kontakten 24 der Batteriezelle 2 und auf der der Batteriezelle 2 abgewandten Seite zudem in wärmeleitendem Kontakt mit einer Wand eines Batteriesystemgehäuses 8. Dadurch ist eine effiziente Wärmeabfuhr von dem Peltier-Element 5 erzielt, was die Leistung des Peltier-Elements 5 nochmals steigert.
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7 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 gemäß einer siebten Ausführungsform, welche im Wesentlichen jener aus 6 entspricht, wobei hier das Peltier-Element 5 via einer Sammelschiene 6, die mit den einzelnen Kontakten der Batteriezellen 2 eines Batterieblocks 3 sowohl in elektrischer als auch in wärmeleitender Verbindung steht, mit den Batteriezellen 2 thermisch gekoppelt ist. Alternativ kann die Sammelschiene 6 zusätzlich auch direkt mit der Oberseite der Batteriezellen 2 in wärmeleitender Verbindung stehen.
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8 zeigt schematisch das Batteriemodul 1 aus 7 in einer weiteren, zur Ansicht in 7 um 90° gedrehten Seitenansicht. Gut zu erkennen ist, dass eine Mehrzahl von Batterieblöcken 3, wie in 7 gezeigt, nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Batterieblöcke 3 weist ein eigenes, ihm zugeordnetes Peltier-Element 5 auf. Alternativ können auch zwei oder mehrere Batterieblöcke 3, bevorzugt über ein Wärmeleitelement, beispielsweise ein Wärmeleitblech, thermisch mit einem Peltier-Element verbunden sein, welches dann die Temperierung für alle mit dem Wärmeleitelement verbundenen Batterieblöcke übernimmt.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Batteriezelle
- 20
- Erste Seite
- 22
- Zweite Seite
- 24
- Batteriezellen-Kontakt
- 3
- Batterieblock
- 30
- Batteriemodulgehäuse
- 4
- Temperierungsplatte
- 40
- Temperierungskanal
- 42
- Strömungsrichtung
- 44
- Eintrittsöffnung
- 46
- Austrittsöffnung
- 5
- Peltier-Element
- 6
- Sammelschiene
- 7
- Wärmeleitblech
- 8
- Batteriesystemgehäuse
- 91
- Erster Wärmeabfuhrbetrag
- 92
- Zweiter Wärmeabfuhrbetrag
- 93, 94
- Temperaturgradient
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014015742 A1 [0009]
