-
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit deren Hilfe elektrische Energie gespeichert und wieder abgegeben werden kann.
-
Bei der Speicherung und der Abgabe von elektrischer Energie können sich die Batteriezellen des Batteriemoduls auf eine für einen optimalen Wirkungsgrad ungünstige Temperatur erhöhen, so dass es bekannt ist ein Batteriemodul zu kühlen. Beispielsweise aus
DE 10 2013 221 517 A1 ist es bekannt ein Kühlelement zwischen zwei Batteriezellen einer Kraftfahrzeugbatterie vorzusehen, in dem zur Kühlung der Batteriezellen eine Arbeitsflüssigkeit verdampft werden kann. Das Kühlelement wird von oberhalb der Batteriezellen mit dem Arbeitsmedium gespeist und oberhalb der Batteriezellen wieder abgeführt.
-
Aus
DE 10 2018 000 759 A1 ist eine Kühleinrichtung für flächige Batteriezellen bekannt, bei der ein in einer Kühlkammer verdampftes Kühlmedium mehren in einem Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen übereinander angeordneten Kühlkanälen zugeführt wird.
-
Aus
US 2009/0 142 653 A1 ist eine Kühleinrichtung für flächige Batteriezellen bekannt, bei der ein in einem Expansionsventil verdampftes Kühlmedium mehren in einem Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen übereinander angeordneten Kühlkanälen zugeführt wird.
-
Es besteht ein ständiges Bedürfnis mit einfachen konstruktiven Mitteln eine gute Kühlung eines Batteriemoduls zu erreichen.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die mit einfachen konstruktiven Mitteln eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglichen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer ersten Batteriezelle zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, einer zur ersten Batteriezelle seitlich beabstandeten zweiten Batteriezelle zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, wobei zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle ein Zwischenraum ausgebildet ist, und mehreren in dem Zwischenraum übereinander angeordneten und im Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufenden Kühlkanälen zum Verdampfen eines Kühlmediums, insbesondere Kältemittel, Wasser, Öl, Glykol und/oder CO2, wobei der jeweilige Kühlkanal sowohl mit der ersten Batteriezelle als auch mit der zweiten Batteriezelle zum Wärmeaustausch thermisch gekoppelt ist, wobei das Kühlmedium in dem jeweiligen Kühlkanal als unten abgesetzte flüssige Phase und nach oben gestiegene gasförmige Phase vorliegt.
-
Durch den Phasenwechsel des Kühlmediums in dem jeweiligen Kühlkanal kann eine besonders große Kühlleistung realisiert werden. Hierbei entsteht jedoch ein Dampfgemisch, bei dem sich die flüssige Phase unten absetzt und die gasförmige Phase nach oben steigt. Dies führt wiederum dazu, dass im unteren Bereich weiterhin eine gute Kühlleistung bereitgestellt werden kann, während im oberen Bereich des Kühlkanals keine oder nur eine geringe Kühlleistung erreicht werden kann. Dadurch, dass mehrere horizontal verlaufende Kühlkanäle vorgesehen sind, kann jedoch über die insbesondere gesamte vertikale Höhe der Batteriezelle eine gleichmäßige Kühlleistung bereitgestellt werden. Dadurch ist vermieden, dass sich im Vergleich zu vertikal verlaufenden Kühlkanälen im unteren Bereich der Batteriezelle eine besonders tiefe Temperatur und im oberen Bereich der Batteriezelle eine besonders hohe Temperatur einstellt, die in den jeweiligen Bereichen zu einem unnötig niedrigen Wirkungsgrad für die Batteriezelle führen. Durch die über die Höhe der Batteriezelle gleichmäßige Kühlung der Batteriezelle kann sich in der gesamten Batteriezelle eine im Wesentlichen gleiche Temperatur mit einer im Wesentlichen homogenen Temperaturverteilung einstellen, so dass ein Temperaturgradient über die Höhe der Batteriezelle vermieden werden kann. Dadurch kann in der gesamten Batteriezelle eine optimale Betriebstemperatur eingestellt werden, bei welcher der Wirkungsgrad der Batteriezelle besonders nahe am Optimum liegt. Da die Kühlkanäle an beiden Seiten thermisch mit jeweils einer Batteriezelle gekoppelt sind, kann jeder Kühlkanal gleichzeitig zwei Batteriezellen temperieren. Insbesondere können die Batteriezellen aufeinander zu gepresst werden, so dass sich ein thermisch guter Presskontakt zwischen den Batteriezellen und den Kühlkanälen ergibt, bei dem ein isolierender Luftspalt vermieden ist. Die thermische Ankoppelung ist dadurch verbessert. Durch die Mehrzahl der übereinander angeordneten und in horizontaler Richtung verlaufenden Kühlkanäle kann durch das in den Kühlkanälen verdampfende Kühlmedium eine über die vertikale Höhe der Batteriezelle gleichmäßige Betriebstemperatur erreicht werden, so dass mit einfachen konstruktiven Mitteln eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.
-
Die Batteriezelle kann insbesondere einen flachen, taschenförmigen Aufbau aufweisen und vorzugsweise als sogenannte „Pouch“-Zelle ausgestaltet sein. Dadurch ergibt sich zwischen den Batteriezelle ein Zwischenraum mit einer konstanten Breite, die vorzugsweise im Wesentlichen der Breite der Kühlkanäle entsprechen kann. Die Kühlkanäle verlaufen hierbei in horizontaler Richtung entlang des Zwischenraums im Wesentlichen parallel zu den zum Zwischenraum weisenden Außenseiten der Batteriezellen. Insbesondere erstrecken sich die jeweiligen Kühlkanäle in Fließrichtung über die gesamte horizontale Erstreckung des Zwischenraums. Dadurch kann ein Umlenken des Kühlmediums innerhalb des Zwischenraums um eine 90°-Kehre oder 180°-Kehre vermieden werden, wodurch ein Druckverlust entlang der Fließrichtung des Kühlkanals vermieden oder zumindest minimiert werden kann. Die Kühlkanäle können beispielsweise einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, oder im Wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen Strömungsquerschnitt aufweisen. Die Kühlkanäle können als separate Bauteile ausgestaltet sein, die insbesondere miteinander, beispielsweise durch Schweißen, verbunden sind. Vorzugsweise ist die Mehrzahl an Kühlkanälen durch einen metallischen Profilkörper einstückig ausgestaltet, wobei der Profilkörper insbesondere durch Strangpressen herstellbar ist. Das Kühlmedium kann vorzugsweise identisch zu einem für ein anderes Kraftfahrzeugaggregat verwendetes Kühlmedium sein, so dass für das Batteriemodul und das mindestens eine weitere Kraftfahrzeugaggregat ein gemeinsamer Kühlkreislauf verwendet werden kann. Das Kühlmedium, welches das Batteriemodul verlässt, kann insbesondere einem Kühler, beispielsweise luftgekühlter Frontkühler, und/oder einem Kondensator und/oder sonstiger Wärmetauscher zugeführt werden, so dass das Kühlmedium als Flüssigkeit mit einer gewünschten eingangsseitigen Eingangstemperatur wieder in das Batteriemodul rückgeführt werden kann. Das Batteriemodul kann insbesondere mehrere Batteriezellen aufweisen, die in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet sind und zwischen sich jeweils einen Zwischenraum ausbilden, in dem jeweils ein Mehrzahl von horizontal entlang des Zwischenraums verlaufende Kühlkanälen übereinander vorgesehen sind.
-
Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung entlang der Schwerkraftrichtung verstanden, wenn ein Kraftfahrzeug, in dem das Batteriemodul bestimmungsgemäß eingebaut ist, auf einem ebenen Untergrund steht. Die vertikale Richtung entspricht der Z-Richtung des im Automobilbau verwendeten Koordinatensystems. Unter einer horizontalen Richtung wird eine Richtung senkrecht zur Schwerkraftrichtung verstanden, wenn ein Kraftfahrzeug, in dem das Batteriemodul bestimmungsgemäß eingebaut ist, auf einem ebenen Untergrund steht. Die horizontale Richtung entspricht der X-Richtung und/oder der Y-Richtung des im Automobilbau verwendeten Koordinatensystems.
-
Insbesondere sind die mehreren Kühlkanäle über einen Großteil der vertikalen Erstreckung der Batteriezellen angeordnet, wobei insbesondere die Kühlkanäle abgesehen von einem gegebenenfalls vorgesehenen vertikalen Abstand zueinander im Wesentlichen über die gesamte vertikale Erstreckung der Batteriezellen angeordnet sind. Die Mehrzahl der Kühlkanäle ist dadurch nicht nur in einem Teilbereich der vertikalen Höhe der Batteriezellen angeordnet, sondern auch am unteren und oberen Ende der Batteriezellen. Als vertikale Erstreckung der Batteriezelle wird hierbei die vertikale Erstreckung eines Batteriezellengehäuses der jeweiligen Batteriezelle verstanden, das heißt ohne gegebenenfalls in vertikaler Richtung abstehende elektrische Kontaktierungselemente, beispielsweise Kontaktstifte oder ähnliches. Ein Temperaturgradient innerhalb der Batteriezelle über die gesamte vertikale Höhe der Batteriezelle kann dadurch vermieden oder zumindest minimiert werden.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in vertikaler Richtung nachfolgende Kühlkanäle aneinander kontaktierend anliegen oder ein minimaler vertikaler Abstand der in vertikaler Richtung nachfolgenden Kühlkanäle geringer als 50% der durchschnittlichen vertikalen Erstreckung der in vertikaler Richtung nachfolgende Kühlkanäle ist. Ein nicht oder nur schlecht kühlender Bereich zwischen den Kühlkanälen kann dadurch vermieden oder zumindest minimiert werden, so dass in dem zur Verfügung stehenden Bauraum eine hohe Kühlleistung realisiert werden kann. Insbesondere sind in vertikaler Richtung nachfolgende Kühlkanäle thermisch miteinander gekoppelt um Wärme austauschen zu können. Dadurch können sich auch geringfügige Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Kühlkanälen ausgleichen.
-
Besonders bevorzugt sind die Kühlkanäle in einem, insbesondere thermisch leitenden, Haltematerial eingebettet, wobei das Haltematerial zumindest in einem Zwickelbereich zwischen zwei in vertikaler Richtung nachfolgenden Kühlkanälen die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle kontaktiert. Das Haltematerial kann als Einbettungsstruktur die separat ausgeführten Kühlkanäle miteinander verbinden und/oder ansonsten auftretende Lücken füllen. Das Haltematerial kann beispielsweise ein Kleber sein und/oder aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Vorzugsweise weist das Haltematerial metallische thermisch leitende Partikel, beispielsweise Aluminiumspäne, auf, so dass das Haltematerial eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere im Bereich metallischer Körper, wie beispielsweise Stahl oder Eisen, aufweisen kann.
-
insbesondere kommunizieren die mehreren Kühlkanäle an einem horizontalen ersten Ende mit einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden, genau einem Zwischenraum zugeordneten ersten Sammlerkanal und/oder an einem vom ersten Ende weg weisenden horizontalen zweiten Ende mit einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden, genau einem Zwischenraum zugeordneten zweiten Sammlerkanal. Dadurch kann durch eine einfache konstruktive Maßnahme sämtlichen Kühlkanäle leicht das Kühlmedium zugeführt und/oder abgeführt werden. Vorzugsweise kann das Kühlmedium mit der im Wesentlichen gleichen Temperatur den jeweiligen Kühlkanälen zugeführt werden. Besonders bevorzugt ist mit dem eingangsseitigen Sammlerkanal ein steuerbares Ventil verbunden, so dass der Gesamtmassenstrom und/oder der Druck des Kühlmediums an die für die jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls gewünschte Kühlleistung angepasst werden kann.
-
Vorzugsweise sind in horizontaler Richtung nachfolgende erste Sammlerkanäle mit jeweils einem ersten Umlenkungsstück (bzw. Umlenkstück) und/oder in horizontaler Richtung nachfolgende zweite Sammlerkanäle mit jeweils einem zweiten Umlenkungsstück in Reihe geschaltet. Dadurch können leicht unterschiedlichen Zwischenräumen von in horizontaler Richtung nachfolgenden Paaren von Batteriezellen zugeordnete Sammlerkanäle miteinander bauraumsparend verbunden werden, um das Kühlmedium zuzuführen beziehungsweise abzuführen.
-
Besonders bevorzugt ist mit dem jeweiligen Kühlkanal ein steuerbares Einlassventil zur Einstellung des zugeführten Volumenstroms des Kühlmediums verbunden. Dies ermöglicht es für jeden Kühlkanal einzeln den Massestrom und/oder den Druck des Kühlmediums und damit die Kühlleistung einzustellen. Dadurch kann ein über die Höhe der Batteriezellen unterschiedlicher Kühlbedarf berücksichtigt werden und ein besonders homogener Temperaturverlauf innerhalb der Batteriezellen erreicht werden.
-
Insbesondere ist den Kühlkanälen eingangsseitig ein einstellbares Expansionssteuerungsventil zur Einstellung eines Gesamtmassestroms des Kühlmediums und/oder eines Drucks des Kühlmediums vorgeschaltet. Das insbesondere über einen gemeinsamen Sammlerkanal den Kühlkanälen zugeführte Kühlmedium kann dadurch mit einer gewünschten Temperatur, einem gewünschten Druck und/oder einem gewünschten Massenstrom, als siedende Flüssigkeit, den Kühlkanälen zugeführt werden.
-
Vorzugsweise ist eine an den Einlassventilen der Kühlkanäle und/oder an dem Expansionssteuerungsventil angeschlossene Steuereinheit zur Temperierung der Batteriezellen durch Einstellung des zugeführten Volumenstroms des Kühlmediums in den jeweiligen Kühlkanal vorgesehen. Die Steuereinheit kann mit Temperaturmesssonden verbunden sein, welche die Temperatur der einzelnen Batteriezelle und insbesondere auch eine Temperaturverteilung in vertikaler Richtung der einzelnen Batteriezelle messen kann. Die Steuereinheit kann dann die Einlassventile der Kühlkanäle und/oder das Expansionssteuerungsventil derart steuern, dass sich über die vertikale Höhe der einzelnen Batteriezellen eine im Wesentlichen gleiche Temperatur einstellt.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Kühlsystem zur Kühlung von Kraftfahrzeugaggregaten eines Kraftfahrzeugs mit einem von einer Kraftfahrzeugbatterie verschiedenen Kraftfahrzeugaggregat, insbesondere Verbrennungsmotor, elektrische Maschine und/oder Klimaanlage, einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Kraftfahrzeugaggregats und einem Batteriemodul, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei der Kühlkreislauf über die Kühlkanäle des Batteriemoduls verläuft. Das Kühlmedium für das Batteriemodul und für das Kraftfahrzeugaggregat ist in diesem Fall identisch, so dass für das Batteriemodul und das mindestens eine weitere Kraftfahrzeugaggregat der gemeinsame Kühlkreislauf verwendet werden kann. Der apparative Aufwand ist dadurch gering gehalten. Das Kühlmedium, welches das Batteriemodul verlässt, kann insbesondere einem Kühler, beispielsweise luftgekühlter Frontkühler, und/oder einem Kondensator und/oder sonstiger Wärmetauscher zugeführt werden, so dass das Kühlmedium als Flüssigkeit mit einer gewünschten eingangsseitigen Eingangstemperatur wieder in das Batteriemodul rückgeführt werden kann. Durch die Mehrzahl der übereinander angeordneten und in horizontaler Richtung verlaufenden Kühlkanäle des Batteriemoduls kann durch das in den Kühlkanälen verdampfende Kühlmedium eine über die vertikale Höhe der Batteriezelle gleichmäßige Betriebstemperatur erreicht werden, so dass mit einfachen konstruktiven Mitteln eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme, auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Batteriemoduls,
- 2: eine schematische geschnittene Draufsicht des Batteriemoduls aus 1 und
- 3: eine schematische perspektive Ansicht des Batteriemoduls aus 1.
-
Das in 1 dargestellte Batteriemodul 10 weist mehrere in horizontaler Richtung zueinander beabstandete erste Batteriezellen 12 und zweite Batteriezellen 14 auf, zwischen denen aufgrund des seitlichen Abstands ein Zwischenraum ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jeden ausgebildeten Zwischenraum jeweils links die erste Batteriezelle 12 und rechts die zweite Batteriezelle 14 angenommen, wobei bei der Betrachtung eines in horizontaler Richtung nachfolgenden Zwischenraums eine zuvor als zweite Batteriezelle 14 bezeichnete Batteriezelle als erste Batteriezelle 12 bezeichnet wird und umgekehrt. In dem zwischen den Batteriezellen 12, 14 ausgebildeten Zwischenraum sind mehrere in vertikaler Richtung übereinander angeordnete horizontal verlaufende Kühlkanäle 16 vorgesehen, die beispielsweise in einem Haltematerial 18 eingebettet sind. Die Kühlkanäle 16 können zwischen der ersten Batteriezelle 12 und der zweiten Batteriezelle 14 sandwichartig verpresst sein, so dass sich ein guter thermischer Kontakt zwischen den Kühlkanälen 16 und den Batteriezellen 12, 14 ergibt. Die in den Batteriezellen 12, 14 entstehende Wärme kann an die Kühlkanäle 16 übertragen werden und ein durch die Kühlkanäle 16 geleitetes Kühlmedium verdampfen.
-
Wie in 2 dargestellt können die Kühlkanäle 16 des jeweiligen Zwischenraums eingangsseitig mit einem ersten Sammlerkanal 20 und ausgangsseitig mit einem zweiten Sammlerkanal 22 verbunden sein. Die ersten Sammlerkanäle 22 einerseits und/oder die zweiten Sammlerkanäle 24 andererseits können in Reihe geschaltet sein oder in Parallelschaltung mit einer gemeinsamen Eingangsleitung beziehungsweise einer gemeinsamen Ausgangsleitung verbunden sein. Eingangsseitig ist ein einzelnes einstellbares Expansionssteuerungsventil 26 zur Einstellung eines Gesamtmassestroms des Kühlmediums und/oder eines Drucks des Kühlmediums vorgesehen, das von einer Steuereinrichtung bzw. Steuereinheit 28 automatisch betätigt werden kann, um in den Batteriezellen 12, 14 des Batteriemoduls 10 eine gewünschte Betriebstemperatur zu regeln. Zusätzlich oder alternativ kann jedem ersten Sammlerkanal 22 und/oder jedem Kühlkanal 16 ein insbesondere als steuerbares Expansionssteuerungsventil 26 ausgestaltetes steuerbares Einlassventil vorgeschaltet sein, das vorzugsweise von der Steuereinrichtung 28 betätigt werden kann.
-
Wie in 3 dargestellt, können die ersten Sammlerkanäle 22 über als U-Stück ausgestaltete erste Umlenkstücke 30 in Reihe geschaltet werden, so dass sich eingangsseitig ein mäanderförmiger Verlauf für das Kühlmedium ergibt. Analog können ausgangsseitig die zweiten Sammlerkanäle 24 über als U-Stück ausgestaltete zweite Umlenkstücke 32 in Reihe geschaltet werden.
