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Die Erfindung betrifft eine Kontaktier- und Temperiereinrichtung für eine Batterieanordnung gemäß Anspruch 1.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von elektrisch verbundenen Batteriezellen, die mit einer erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung ausgestattet ist, gemäß Anspruch 10.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Elektroanordnung, wobei es sich insbesondere um eine Batteriezellenanordnung oder einen Elektromotor handeln kann, gemäß Anspruch 19.
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Elektrische Traktions- oder Antriebsbatterien, die heutzutage bereits vielfach in Serie bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind in der Regel nicht flüssigkeits-, sondern nur luftgekühlt. Es ist allerdings bekannt, dass durch eine Flüssigkeitskühlung ein verbessertes elektrisches Verhalten der einzelnen Batteriezellen hinsichtlich Innenwiderstand, Ruhespannung und Lebensdauer erreicht werden kann. Vorbekannte flüssigkeitsgekühlte Traktionsbatterien werden am Zellkörper der einzelnen Batteriezellen gekühlt. Eine solche Anordnung ist insbesondere aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2017 117 263 bekannt, auf die hier explizit Bezug genommen werden soll. Die Offenbarung der genannten Patentanmeldung wird durch Referenzierung voll umfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen.
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Ein inhärenter Nachteil dieser Art der Flüssigkeitskühlung liegt darin, dass eine zusätzliche Ummantelung des Zellkörpers erforderlich ist, was einen zusätzlichen Bauraumbedarf schafft. Außerdem ist die erreichbare Kühlleistung gegenüber vorbekannten Kühlverfahren noch nicht wesentlich verbessert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktier- und Temperiereinrichtung für eine Batterieanordnung zu schaffen, mit der sich eine gute Kühlung der einzelnen Batteriezellen bei nur geringfügig vergrößertem Bauraum erreichen lässt. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung mit verbesserter Kühlung bei nur geringfügig erhöhtem Bauraumbedarf anzugeben. Schließlich stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum elektrischen Kontaktieren und Temperieren einer Elektroanordnung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kontaktier- und Temperiereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie durch ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren und Temperieren einer Elektroanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Idee sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung schafft eine Kontaktier- und Temperiereinrichtung für eine Batterieanordnung mit einem Fluidleitungssystem zum Leiten eines Temperierfluids, welches Fluidleitungssystem aus einer Mehrzahl an Fluidleitungselementen gebildet ist und dazu vorgesehen ist, elektrische Ableiter oder Kontakte der Batterieanordnung zu kontaktieren, sodass ein Wärmeaustausch zwischen einem betreffenden Ableiter einerseits und einem betreffenden Fluidleitungselement sowie dem Temperierfluid andererseits ermöglicht ist, wobei eine erste Anzahl der Fluidleitungselemente aus einem elektrisch leitenden Material und eine zweite Anzahl der Fluidleitungselemente aus einem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt ist, um über das Fluidleitungssystem auch eine elektrische Kontaktierung der Ableiter unabhängig von einer Temperierung zu ermöglichen.
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Die Erfindung schafft weiterhin eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von elektrisch verbundenen Batteriezellen, welche Batteriezellen jeweils einen elektrischen Ableiter einer ersten Polarität und einen elektrischen Ableiter einer zweiten Polarität aufweisen, bei der die Ableiter mittels einer erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung thermisch und elektrisch unabhängig voneinander verbunden sind.
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Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren und Temperieren einer Elektroanordnung, beinhaltend Leiten eines Temperierfluids durch ein Fluidleitungssystem aus einer Mehrzahl an Fluidleitungselementen zu elektrischen Anschlüssen der Elektroanordnung; Ermöglichen eines Wärmeaustausches zwischen einem betreffenden Anschluss einerseits und einem betreffenden Fluidleitungselement sowie dem Temperierfluid andererseits; und elektrisches Kontaktieren der elektrischen Anschlüsse mittels des Fluidleitungssystems; wobei zur Bereitstellung des Fluidleitungssystems eine erste Anzahl von Fluidleitungselementen aus einem elektrisch leitenden Material und eine zweite Anzahl von Fluidleitungselementen aus einem elektrisch nichtleitenden Material verwendet werden, um die elektrischen Anschlüsse unabhängig von ihrer Temperierung elektrisch zu kontaktieren.
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Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein Kühl- bzw. Fluidleitungssystem zur Kühlung der (Zell-)Ableiter bzw. der elektrischen Kontakte der einzelnen Batteriezellen einer Batterieanordnung (Traktionsbatterie) zu implementieren, bei denen die Fluid- bzw. Kühlleitungen gleichzeitig als elektrische (Hochstrom-)Verbindung der Ableiter dienen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass über die Ableiter ein direkter Kontakt zur Zellchemie besteht, wodurch eine gute Wärmeübertragung stattfindet, die zu Kühl- bzw. Temperierzwecken genutzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ergibt sich der weitere Vorteil, dass durch die Kombination von thermischer Temperier- und elektrischer Kontaktiereinrichtung auch die Stromschienen, das heißt die elektrischen Verbindungen zwischen den Ableitern der Batteriezellen gekühlt werden können, in denen ansonsten ohmsche Verluste entstehen würden.
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Im Zuge einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Temperierfluid ein durchschlagsicheres, fließfähiges Medium eingesetzt ist, beispielsweise ein Öl, vorzugsweise eine High-Tech-Flüssigkeit 3M™ Novec™ oder dergleichen.
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Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Fluidleitungselemente des Fluidleitungssystems als Leitungselemente aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall ausgebildet, sodass sich nach Art einer Stromschiene eine elektrische Verbindung zwischen den betreffenden Ableitern der Batterieanordnung ergibt. Dazu kommen weitere Fluidleitungselemente aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere Kunststoff, die isolierend wirken.
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Die Fluidleitungselemente sind bevorzugt als Rohrleitungselemente ausgebildet.
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Das so gebildete Fluidleitungssystem kann direkt auf einer regelmäßigen Anordnung aus (prismatischen) Batteriezellen angeordnet sein, wobei der zusätzliche Platzaufwand - bei entsprechender Dimensionierung der Fluidleitungselemente - nur etwa 10 mm in der Höhe der Batterieanordnung beträgt.
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Zum Ausgleich thermischer Dehnungen im Bereich der Zellenanordnung können alle oder einzelne der Fluidleitungselemente, insbesondere der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente, als Balg ausgebildet sein oder einen Balgabschnitt umfassen.
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Zur Sicherung der elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Fluidleitungselemente an den Ableitern können die betreffenden Fluidleitungselemente mit einem gebogenen Blechabschnitt verbunden werden, vorzugsweise verlötet, welcher Blechabschnitt dann seinerseits stoffschlüssig an dem Ableiter befestigt werden kann, vorzugsweise verschweißt. Auf diese Weise lassen sich bei nur geringem Bauraumbedarf hervorragende Kühlleistungen erreichen.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung sieht vor, dass die Temperierung im Wesentlichen durch das Temperierfluid und die elektrische Kontaktierung über das Material (die Wandung) der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente erfolgt. Dabei erweist sich als vorteilhaft, dass elektrisch gut leitfähige Materialien in der Regel auch eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen, sodass Wärme von den Ableitern über die Fluidleitungselemente an das Temperierfluid abgegeben und von diesem abgeführt werden kann.
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Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung sieht vor, dass wenigstens eine Unteranzahl der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente als Balg ausgebildet ist oder einen Balgabschnitt aufweist. Dies dient zum Ausgleich thermischer Dehnungen, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde.
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Bei wieder einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung kann vorgesehen sein, dass die elektrisch leitenden Fluidleitungselemente in einem metallischen, strom- und wärmeleitenden Werkstoff ausgebildet sind, vorzugsweise in Aluminium, Kupfer, Legierungen hiervon oder in Stahl, ohne dass die Erfindung auf einen bestimmten Werkstoff beschränkt wäre.
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Außerdem kann in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung noch vorgesehen sein, dass die elektrisch nicht leitenden Fluidleitungselemente in einem Kunststoff oder einem Elastomer ausgebildet sind, vorzugsweise und ohne Beschränkung in EPDM oder Silikon. Auf diese Weise lässt sich eine gute elektrische Isolierung dort erreichen, wo sie erforderlich ist.
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Im Zuge einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung kann noch vorgesehen sein, dass das Fluidleitungssystem Kontaktbereiche zum flächigen, vorzugsweise vollflächigen, Kontaktieren der Ableiter aufweist, vorzugsweise im Bereich der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente, die entsprechend teilweise abgeflacht sein können. Auf diese Weise lässt sich ein guter thermischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Fluidleitungssystem und den Ableitern sicherstellen, der insbesondere durch Stoffschluss (Verlötung, Verschweißung, Verklebung) noch verstärkt sein kann.
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Außerdem kann bei einer erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung noch vorgesehen sein, dass in den Kontaktbereichen zwischen Fluidleitungssystem und Ableitern eine Außenkontur der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente an eine Oberflächenkontur der Ableiter angepasst ist, vorzugsweise abgeflacht, oder dass in den Kontaktbereichen zusätzlich Kontaktelemente vorgesehen sind, die einerseits an eine Außenkontur der elektrisch leitenden Fluidleitungselemente und andererseits an eine Oberflächenkontur der Ableiter angepasst sind. Auf diese Weise ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindung zwischen den Fluidleitungselementen einerseits und den Ableitern andererseits. Auf mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen wird in der Figurenbeschreibung exemplarisch näher eingegangen.
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Dabei kann bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung noch vorgesehen sein, dass die Kontaktelemente aus einem strom- und wärmeleitenden metallischen Material ausgebildet und vorzugsweise stoffschlüssig mit den jeweilig elektrisch leitenden Fluidleitungselementen verbunden sind, höchst vorzugsweise verlötet, verschweißt oder verklebt. Auf diese Weise ist eine gute und sichere Verbindung zwischen den genannten Bauteilen gewährleistet, die auch einer hohen Beanspruchung, insbesondere im Kfz-Bereich, standhält.
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Weiterhin kann bei einer erfindungsgemäßen Kontaktier- und Temperiereinrichtung noch vorgesehen sein, dass das Fluidleitungssystem fluidtechnisch mit einer zusätzlichen Temperiereinrichtung, insbesondere für Batteriezellen, verbunden ist, wie sie aus der
DE 10 2017 117 263 bekannt ist. Dabei ist vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Kontaktier- und Temperiereinrichtung elektrisch von der genannten zusätzlichen Temperiereinrichtung getrennt ist.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung kann vorgesehen sein, dass als Temperierfluid ein durchschlagsicheres, fließfähiges Medium eingesetzt ist, beispielsweise ein Öl, vorzugsweise eine High-Tech-Flüssigkeit 3M™ Novec™ oder dergleichen, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde.
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Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung kann vorgesehen sein, dass je nach elektrischer Verschaltungsart entweder Ableiter gleicher Polarität oder Ableiter unterschiedlicher Polarität zwischen verschiedenen Batteriezellen miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich in Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung die Batteriezellen in Reihe oder parallel schalten, je nach erforderlicher Anwendung.
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Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung kann vorgesehen sein, dass die Batteriezellen derart nebeneinander angeordnet sind, dass abwechselnd Ableiter unterschiedlicher Polarität von verschiedenen Batteriezellen nebeneinander und im Wesentlichen auf einer Linie liegen. Entlang dieser Linie können abwechselnd elektrisch leitende Fluidleitungsabschnitte oder Fluidleitungselemente und elektrisch nicht leitende Fluidleitungsabschnitte oder Fluidleitungselemente in einem Strang hintereinander angeordnet sein, vorzugsweise fluchtend. Dabei kann sich ein gegebener elektrisch leitender Fluidleitungsabschnitt von einem Ableiter zum nächsten und ein nachfolgender elektrisch nicht leitender Fluidleitungsabschnitt vom nächsten Ableiter zum übernächsten erstrecken.
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In Weiterbildung dieser Idee kann noch vorgesehen sein, dass bei einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung zwei Stränge von Fluidleitungsabschnitten oder Fluidleitungselementen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Verrohrungsaufwand bei gleicher Kühlleistung reduzieren.
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Es kann außerdem in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung noch vorgesehen sein, dass eine Abfolge der elektrisch leitenden Fluidleitungsabschnitte oder Fluidleitungselemente in dem einen Strang zu der Abfolge der elektrisch leitenden Fluidleitungsabschnitte oder Fluidleitungselemente in dem anderen Strang versetzt oder komplementär ausgebildet ist. Entsprechendes gilt umgekehrt auch für die jeweiligen elektrisch nicht leitenden Fluidleitungsabschnitte bzw. Fluidleitungselemente.
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Um den Verrohrungs- und Anschlussaufwand weiter zu reduzieren, kann bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung noch vorgesehen sein, dass die beiden Stränge an wenigstens einem Ende der Batterieanordnung fluidtechnisch miteinander verbunden sind, um die Anschlußkonfiguration zu vereinfachen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Stränge elektrisch voneinander getrennt bleiben.
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Um bestimmten Anforderungen hinsichtlich der Anschließbarkeit bzw. Verbindbarkeit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung Rechnung zu tragen, kann in Weiterbildung derselben noch vorgesehen sein, dass der Strang oder die Stränge an wenigstens einem Ende der Batterieanordnung etwa mittig bezüglich einer betreffenden Endseite der Batterieanordnung hervorstehen.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
- 1 zeigt perspektivisch eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung;
- 2 zeigt schematisch in der Draufsicht eine weitere erfindungsgemäße Batterieanordnung;
- 3 zeigt schematisch in der Draufsicht eine dritte erfindungsgemäße Batterieanordnung;
- 4 zeigt perspektivisch eine weitere erfindungsgemäße Batterieanordnung;
- 5 zeigt in einer Schnittansicht ein Detail einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung, insbesondere gemäß 1;
- 6 zeigt in einer Schnittansicht ein Detail einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung;
- 7 zeigt schematisch und im Schnitt in Teilabbildungen (A) bis (H) alternative Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung im Detail; und
- 8 zeigt ein weiteres Ausführungsdetail bei einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung.
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1 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Die Batterieanordnung 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 2, die elektrisch miteinander verbunden sind, vorzugsweise - jedoch ohne Beschränkung - nach Art einer Reihenschaltung. Jede der Batteriezellen 2 umfasst ein Batteriezellengehäuse, welches mit dem Bezugszeichen 2a bezeichnet ist. Weiterhin weist jede Batteriezelle 2 zwei elektrische Kontakte oder Ableiter auf, die mit dem Bezugszeichen 2b bzw. 2c versehen sind und jeweils eine unterschiedliche elektrische Polarität (+/-) aufweisen, was im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als „erste Polarität“ oder „zweite Polarität“ bezeichnet wird. Bei nebeneinander angeordneten Batteriezellen 2 sind die Ableiter 2b, 2c hinsichtlich ihrer Polarität jeweils vertauscht angeordnet, sodass bei benachbarten Batteriezellen 2 immer Ableiter verschiedener Polarität direkt nebeneinander liegen.
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Die Batterieanordnung 1 weist eine Kontaktier- und Temperiereinrichtung für die Batterieanordnung 1 auf, welche Kontaktier- und Temperiereinrichtung mit dem Bezugszeichen 3 versehen ist. Die Kontaktier- und Temperiereinrichtung 3 umfasst ein Fluidleitungssystem zum Leiten eines Temperierfluids, insbesondere ein High-Tech-Fluid des Herstellers 3M, welches Fluidleitungssystem eine Mehrzahl an Fluidleitungselementen umfasst, die in 1 mit den Bezugszeichen 3a, 3b, 3c, ... bezeichnet sind. Auf die einzelnen Fluidleitungselemente wird weiter unten noch genauer eingegangen. Das Fluidleitungssystem 3 dient dazu, die elektrischen Ableiter 2b, 2c der Batterieanordnung 1 zu kontaktieren, sodass ein Wärmeaustausch zwischen einem betreffenden Ableiter 2b, 2c einerseits und einem betreffenden Fluidleitungselement 3a, 3b, 3c, ... andererseits ermöglicht ist. Außerdem dient das Fluidleitungssystem mit seinen Fluidleitungselementen dazu, die Ableiter 2b, 2c der Batterieanordnung 1 elektrisch zu verbinden.
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Zu diesem Zweck umfasst das Fluidleitungssystem eine erste Anzahl an Fluidleitungselementen 3a, 3b, die aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall, vorzugsweise Aluminium, Kupfer oder dergleichen, hergestellt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 nicht alle Fluidleitungselemente separat bezeichnet, sondern jedes Bezugszeichen steht stellvertretend für eine Mehrzahl entsprechender, gleichartig ausgebildeter Fluidleitungselemente.
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Fluidleitungselement 3a ist als teilweise glattzylindrisches Rohrleitungselement mit speziell kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, welches in seinem mittleren Abschnitt (bei Bezugszeichen 3a') balgartig ausgebildet ist bzw. einen entsprechenden balgartigen (gewellten) Abschnitt 3a' aufweist. Der balgartige Abschnitt 3a' kann einstückig oder mehrstückig mit dem restlichen Fluidleitungselement 3a ausgebildet sein. Bei Bezugszeichen 3a" sind Varianten dieses Typs von Fluidleitungselementen dargestellt, bei denen der jeweilige Balgabschnitt außermittig angeordnet ist. Bei Bezugszeichen 3b ist ein etwa würfel- oder quaderförmiges Fluidleitungselement dargestellt, welches dazu dient und ausgebildet ist, einen Fluidstrom rechtwinklig abzulenken, speziell von dem Fluidleitungselement 3a" in ein weiteres Fluidleitungselement 3c, auf welches nachfolgend noch genauer eingegangen wird. Bei Bezugszeichen 3b' ist eine Variante des eben beschriebenen Fluidleitungselements 3b dargestellt, durch welches ein Strömungsverlauf im Inneren des Fluidleitungssystems um zweimal 90° abgelenkt wird, wodurch sich ein Parallelversatz der Strömungsrichtung ergibt. Das Fluidleitungselement 3b' zeigt eine insgesamt quaderförmige Ausgestaltung.
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Die bislang erwähnten Fluidleitungselemente 3a, 3a" sowie 3b, 3' sind - wie bereits ausgeführt - aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, sodass die durch sie verbundenen Ableiter 2b, 2c elektrisch leitend miteinander in Kontakt stehen. Dagegen sind die in 1 mit dem Bezugszeichen 3c weiteren Fluidleitungselemente aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt, vorzugsweise in Kunststoff, beispielsweise EPDM, oder aus einem Elastomermaterial, beispielsweise Silikon. Dort, wo die weiteren Fluidleitungselemente 3c in das Fluidleitungssystem eingeschaltet sind, ergibt sich also eine elektrische Isolierung bzw. Unterbrechung des Fluidleitungssystems.
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Die Fluidleitungselemente entsprechend Bezugszeichen 3b' weisen einen Anschlussstutzen 3b" auf, der zum Ein- bzw. Ausleiten eines Temperierfluids dient. Dieser Anschlussstutzen 3b" ist in einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und dient somit neben der Fluidzufuhr oder -Abfuhr zugleich auch zur elektrischen Kontaktierung der Batterieanordnung 1.
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Konkret kann der Stromfluss für die in 1 ganz links dargestellte Batteriezelle 2 nur durch die Batteriezelle selbst erfolgen, weil zwischen den Ableitern 2b, 2c der genannten Batteriezelle 2 das elektrisch isolierende Fluidleitungselement 3c geschaltet ist. Ein Stromfluss zur rechts benachbarten Batteriezelle 2 ist nur bei Bezugszeichen 3a" möglich, und zwar zum (oberen) Ableiter 2b der genannten zweiten Batteriezelle 2 von links. Von dort fließt der Strom wiederum im Inneren der Batteriezelle 2 zum Ableiter 2c und von dort weiter über ein elektrisch leitendes Fluidleitungselement zur dritten Batteriezelle (Ableiter 2b). Im oberen Teil der Anordnung ist ein Stromfluss zwischen den Ableitern 2b und 2c aufgrund des zwischengeschalteten Fluidleitungselements 3c aus nicht leitendem Material nicht möglich. Wenn die Ableiter 2b, 2c, wie dargestellt, von Batteriezelle 2 zu Batteriezelle 2 vertauscht angeordnet sind, ergibt sich auf diese Weise eine Reihenschaltung der einzelnen Batteriezellen 2.
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Damit die elektrisch leitenden Fluidleitungselemente 3a, 3a" die betreffenden Ableiter 2b, 2c elektrisch und thermisch gut leitend kontaktieren, sind im Verbindungsbereich zwischen Fluidleitungselement 3a, 3a" und Ableiter 2b, 2c jeweils Kontaktelemente angeordnet, von denen in 1 nur eines exemplarisch mit Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Die Kontaktelemente 4 bestehen aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material, insbesondere einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Sie weisen an ihrer dem jeweiligen Ableiter 2b, 2c zugewandten Unterseite eine flache Kontur auf, die an eine entsprechend flache Oberfläche der Ableiter 2b, 2c angepasst ist. Selbstverständlich ist eine flächige Kontaktierung der Ableiter 2b, 2c durch die Kontaktelemente aber auch dann möglich, wenn die jeweiligen (Oberflächen-)Konturen von einer flachen Ausgestaltung abweichen. An ihrer Oberseite weisen die dargestellten Kontaktelemente 4 eine Kontur auf, die einen kreissegmentartigen Querschnitt besitzt, sodass die Fluidleitungselemente 3a, 3a" mit ihrem jeweiligen glattzylindrischen Rohrleitungsteil bzw. -abschnitt in den Kontaktelementen 4 aufgenommen sind, wobei eine möglichst großflächige Berührung von Kontaktelement 4 und Fluidleitungselement 3a, 3a" stattfindet. Die Kontaktelemente 4 können einstückig mit den Ableitern 2b, 2c ausgebildet sein; sie können auch als separate Bauteile gefertigt und nachträglich mit den Ableitern 2b, 2c verbunden sein, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt.
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Bei der gezeigten Ausgestaltung sind die elektrisch leitenden Fluidleitungselemente 3a, 3a" mit ihren jeweiligen freien Enden in die elektrisch nicht leitenden Fluidleitungselemente 3c eingesteckt. Hiervon abweichende Ausgestaltungen liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
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In 2 ist schematisch ein Stromfluss und ein Fluss des Temperierfluids für eine erfindungsgemäße Batterieanordnung 1 dargestellt, welche Batterieanordnung 1 wiederum über fünf Batteriezellen 2 verfügt, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Entsprechend bezeichnet Bezugszeichen 2c nun Ableiter einer ersten Polarität (Minus-Pole), während Bezugszeichen 2b Ableiter einer anderen, zweiten Polarität (Plus-Pole) bezeichnet. Bezugszeichen I in 2 bezeichnet den Stromfluss, der - wie bereits anhand von 1 beschrieben - sich mäanderförmig über die gesamte Batterieanordnung 1 erstreckt. Dabei fließt der Strom in den vertikalen Abschnitten der Kurve I im Innern der jeweiligen Batteriezelle 2, während er in den horizontalen Abschnitten der Kurve I über die zum Teil balgartig ausgebildeten, elektrisch leitenden Fluidleitungselemente 3a von einer Batteriezelle 2 zur benachbarten Batteriezelle 2 fließt.
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Bezugszeichen F bezeichnet den Fluss des Temperierfluids, welches parallel durch einen oberen Strang von Fluidleitungselementen 3a, 3c und einen unteren Strang von Fluidleitungselementen 3a, 3c fließt. Die endständig angeordneten, in 2 vertikal orientierten, elektrisch nicht leitenden Fluidleitungselemente 3c schaffen die fluidtechnische Verbindung zwischen den beiden genannten Strängen.
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Abweichend von der Darstellung in 1 sind die Anschlussstutzen 3b" nicht parallel gegenüber den genannten Fluidleitungssträngen versetzt, sondern damit fluchtend angeordnet. Auf diese Weise lässt sich die Batterieanordnung 1 an eine gewünschte Einbausituation bzw. Anschlusssituation anpassen.
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In
3 ist eine alternative Ausgestaltung der Batterieanordnung
1 bzw. der Kontaktier- und Temperiereinrichtung
3 dargestellt, welche auf den in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2017 117 263 beschriebenen Gegenstand bzw. die dort beschriebene Temperiervorrichtung Bezug nimmt.
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DE 10 2017 117 263 betrifft eine Temperiervorrichtung für ein Elektromodul, insbesondere für ein Batteriemodul oder eine Batteriezelle, welches Elektromodul in einer Ummantelung aufgenommen ist. Die Temperiervorrichtung bzw. die Ummantelung weist - neben weiteren Merkmalen - eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Temperierfluid auf, um das Elektromodul zu temperieren. Gemäß der Ausgestaltung in
3 weisen nun die einzelnen Batteriezellen
2 zusätzlich jeweils eine solche, aus
DE 10 2017 117 263 bekannte Temperiervorrichtung auf, wobei Bezugszeichen
5 die genannte Zuleitung für das Temperierfluid zu der Temperiervorrichtung bezeichnet und Bezugszeichen
6 die genannte Ableitung - oder umgekehrt. Dies ist in
3 nur für die ganz linke Batteriezelle entsprechend dargestellt bzw. bezeichnet. Bezugszeichen
7 bezeichnet die weiter oben angesprochene, aus
DE 10 2017 117 263 bekannte Ummantelung, in die das Temperierfluid zum Temperieren des Elektromoduls eingeleitet wird. Gemäß
3 ist nun die Kontaktier- und Temperiereinrichtung
3 für jede Batteriezelle
2 mit der vorbekannten Temperiervorrichtung für die betreffende Batteriezelle fluidtechnisch verbunden (wie exemplarisch bei Bezugszeichen
5 und
6 dargestellt). Die entsprechende Verbindung ist elektrisch nicht leitend ausgebildet.
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Dies kann beispielsweise so geschehen, wie in 3 dargestellt, wo im Bereich jedes Ableiters 2b, 2c jeder Batteriezelle 2 ein entsprechender Anschluss bekannten der Temperiervorrichtung für diese Batteriezelle 2 an die Kontaktier- und Temperiereinrichtung 3 vorhanden ist. Dazu sind im Bereich der genannten Ableiter 2b, 2c entsprechende Verzweigungsstücke für das Fluidleitungssystem vorzusehen, die in 3 nicht explizit gezeigt sind.
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Eine alternative Ausgestaltung ist in 4 gezeigt, bei der die Kontaktier- und Temperiereinrichtung 3 zunächst analog zur 2 ausgebildet ist. Anders als in 3 sind jedoch die Temperiervorrichtungen für jede einzelne Batteriezelle nicht jeweils separat mit der Kontaktier- und Temperiereinrichtung 3 verbunden, sondern die zueinander parallel geschalteten Temperiervorrichtungen für die einzelnen Batteriezellen 2 sind fluidtechnisch nur bei Bezugszeichen 5' bzw. Bezugszeichen 6' fluidtechnisch mit der Kontaktier- und Temperiereinrichtung 3 verbunden und weisen ansonsten ein autarkes Fluidleitungssystem auf, wie dargestellt.
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Die Batterieanordnung 1 kann in eine Art Rahmenmodul 8 eingebaut sein, wie ebenfalls dargestellt.
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5 zeigt im Schnitt eine Detailansicht der Batterieanordnung
1, etwa gemäß
4, wobei allerdings keine Temperiervorrichtung für die einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodule gemäß
DE 10 2017 117 263 vorhanden ist. Erkennbar ist ein Teil einer Batteriezelle
2 mit einem Ableiter
2b,
2c, auf dessen flacher Oberseite ein Kontaktelement
4 mit seiner ebenfalls flachen Unterseite
4a aufgesetzt und (stoffschlüssig) verbunden ist. Die Oberseite
4b des Kontaktelements
4 weist eine Außenkontur auf, die sich an die Außenkontur des im Querschnitt kreisförmig ausgebildeten Fluidleitungselements
3a anschmiegt. Auch in diesem Bereich kann eine stoffschlüssige Verbindung erfolgen. Bezugszeichen
3c bezeichnet wiederum ein elektrisch nicht leitendes Fluidleitungselement, während Bezugszeichen
3b ein (elektrisch leitendes) Fluidleitungselement bezeichnet, bei dem es unter anderem möglich ist, einen Fluss des Temperierfluids in das Fluidleitungselement
3c abzulenken. Außerdem ermöglicht das Fluidleitungselement
3b ein Leiten des Temperierfluids zu dem bei Bezugszeichen
3b" angedeuteten Anschlussstutzen (vgl.
4).
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In 6 ist eine alternative Anbindung speziell des Fluidleitungselements 3a an den Ableiter 2b, 2c der Batteriezelle 2 dargestellt. Die Anbindung erfolgt hier mittels eines Blechstreifens oder Blechteils 9, der bzw. das sich über einen Bereich des Umfangs des Fluidleitungselements 3a an dieses flächig anschmiegt und andererseits zumindest einen Teil der Oberfläche des Ableiters 2b, 2c elektrisch und thermisch leitend kontaktiert.
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7 zeigt in Teilabbildungen A) bis I) verschiedene alternative Anbindungsmöglichkeiten eines elektrisch leitenden Fluidleitungselements 3a an einen Ableiter 2b, 2c einer Batteriezelle 2.
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Gemäß 7A) ist das elektrisch leitende Fluidleitungselement 3a ähnlich einem Buchstaben „D“ ausgebildet. Der Bauch des D erstreckt sich dabei auf beiden Seiten über den geraden Schenkel des D hinaus, sodass sich bei Bezugszeichen 3aa jeweils ein Überstand ergibt. Mit diesen Überständen 3aa umgreift das Fluidleitungselement 3a den Ableiter 2b, 2c seitlich und ist kraft-, stoff- und/oder formschlüssig an diesem festgelegt.
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Gemäß 7B) weist der Ableiter an seiner Oberseite eine im Schnitt kreisbogenförmige Ausnehmung 2d auf, deren Krümmungsradius einem Außenradius des Fluidleitungselements 3a im Wesentlichen entspricht, sodass sich dieses in die Ausnehmung 2d flächig einschmiegt. Es kann dort vorzugsweise stoffschlüssig festgelegt sein.
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Die Ausgestaltung gemäß 7C) entspricht im Wesentlichen derjenigen aus 7A). Das Fluidleitungselement 3A kann als Strangpressprofil ausgebildet sein und weist wiederum Vorsprünge 3aa auf, mit denen es seitlich an dem Ableiter 2b, 2c festgelegt ist. Ein lichter Strömungsraum für das Temperierfluid ist bei einer Ausgestaltung gemäß 7C) gegenüber der Ausgestaltung in 7A) verringert.
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Die Ausgestaltung gemäß 7D) entspricht im Wesentlichen derjenigen gemäß 7B). Das Fluidleitungselement 3a ist zusätzlich über einen Teil seines Umfangs, welcher sich nicht in den Ableiter 2b, 2c einschmiegt, mit einem streifenförmigen Befestigungselement 9', vorzugsweise aus Metall (Blech), umgeben, welches an seinen freien Enden den Ableiter 2b, 2c seitlich umgreift und dort vorzugsweise stoffschlüssig festgelegt sein kann.
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Gemäß 7E) ist das Fluidleitungselement 3a im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Ansonsten entspricht die Ausgestaltung derjenigen in 7A).
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Die Ausgestaltung gemäß 7F) entspricht im Wesentlichen derjenigen aus 7B), wobei allerdings der Ableiter 2b, 2c keine Ausnehmung aufweist, sodass das Fluidleitungselement 3a den Ableiter 2b, 2c im Wesentlichen nur längs einer Linie kontaktiert.
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Die Ausgestaltung gemäß 7G) entspricht im Wesentlichen derjenigen gemäß 7E), wobei allerdings das Fluidleitungselement 3a keine Vorsprünge aufweist, die den Ableiter 2b, 2c seitlich umgreifen, sondern lediglich an der Oberfläche des Ableiters 2b, 2c (stoffschlüssig) mit diesem verbunden ist.
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Schließlich zeigt 7H) eine im Wesentlichen der 7G) entsprechende Ausgestaltung, bei der das Fluidleitungselement 3a im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet ist.
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In 8 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der ein elektrisch leitfähiges Fluidleitungselement 3a, welches einen balgartig ausgebildeten Abschnitt 3a' aufweist, zusätzlich noch einen abgeflachten, im Schnitt ovalen Teilabschnitt 3a'" aufweist, im welchen es mit dem Ableiter 2b, 2c einer Batteriezelle 2 verbunden ist. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung stoffschlüssig über eine Kehlnaht 10, die links in 8 gezeigt ist. Wie bereits erwähnt, können der Balgabschnitt 3a' und der weitere Teilabschnitt 3a'" des Fluidleitungselements 3a einstückig oder als separate Bauteile ausgebildet sein.
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Die Ausgestaltung gemäß 8 hat insbesondere den Vorteil, dass gegenüber Ausgestaltungen, wie sie beispielsweise in 5 dargestellt sind, das auch als Polschuh bezeichnete Kontaktelement 4 eingespart werden kann, was nicht nur im Hinblick auf Gewicht und Kosten, sondern auch im Hinblick auf den erforderlichen Bauraum Vorteile bringt.
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Die weiter oben detailliert erläuterte Kombination der Ableiter- und Zellenkühlung unter Rückgriff auf die Offenbarung der
DE 10 2017 117 263 hat in konstruktiver Hinsicht den entscheidenden Vorteil, dass Verrohrung eingespart, also die Anzahl der erforderlichen Fluidleitungselemente reduziert werden kann. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Verbindung der Ableiter- und Zellenkühlung nicht elektrisch leitfähig sein darf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017117263 [0004, 0027, 0048, 0049, 0053, 0066]
