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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie, wobei die Kühlvorrichtung eine erste Modulgehäusegruppe, die mindestens ein erstes Modulgehäuse für ein erstes Batteriemodul der Batterie umfasst, und mindestens eine zweite Modulgehäusegruppe, die mindestens ein zweites Modulgehäuse für ein zweites Batteriemodul der Batterie umfasst, aufweist. Zudem weist die Kühlvorrichtung eine Kühlmittelzuführleitung, mindestens einen ersten Kühlkanal, welcher der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnet ist, und eine der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnete erste Ventileinrichtung auf, mittels welcher eine Zuführung eines Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen ersten Kühlkanal steuerbar erst. Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Kühlvorrichtungen für Batterien bekannt. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2012 209 306 A1 ein Kühlsystem für Batteriezellen, bei dem die Batteriezellen eines Batteriepacks von einem Gehäuse umgeben sind und dieses Gehäuse auf einer Seite mit einem externen Kühlsystem verbunden ist und mit diesem thermisch zusammenwirkt. Das externe Kühlsystem wird dabei von einem Kühlmittel durchströmt. Durch diese Anordnung von Batteriepack und Kühlsystem soll sichergestellt werden, dass das Kühlmittel des externen Kühlsystems auch bei einem Leck nicht in das Batteriegehäuse gelangen kann. Weiterhin sind dabei mehrere Zellen des Batterieparks auf einer Kühlplatte angeordnet. Das Kühlsystem umfasst weiterhin einen Wärmetauscher, ein Regelventil zwischen dem Wärmetauscher und dem Kühlplattenanschluss, sowie ein weiteres Regelventil, eine Pumpe, einen weiteren Wärmetauscher, der als Kondensator arbeitet, und einen Ventilator, der dem weiteren Wärmetauscher einen Luftstrom zuführt.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2014 017 868 A1 ein System mit einer Batterie, die wenigstens eine spannungserzeugende Zelle umfasst, die in einem Batteriegehäuse angeordnet ist, in dessen Inneren ein Gas vorhanden ist. Zudem umfasst das System weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung von trockenem Gas, wobei zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung von trockenem Gas und dem Inneren des Batteriegehäuses der einem Batterie eine fluide Verbindung besteht oder herstellbar ist. Diese Vorrichtung dient primär dazu, das Innere von Batterien völlig wasserfrei zu halten. Zudem kann das System auch eine Einrichtung zum Kühlen des in das Innere des Batteriegehäuses der Batterie zu leidenden Gases aufweisen. Allerdings können durch Gas als einziges Kühlmedium in der Regel keine großen Wärmemengen übertragen werden.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2013 018 408 A1 eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche gemeinsam in einem Batteriegehäuse angeordnet sind, wobei zur Temperierung der Batteriezellen wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher in dem Batteriegehäuse angeordnet ist. Weiterhin ist im Bereich des Wärmetauschers oder eines Leitungselements für das Kühlmedium zu dem Wärmetauscher oder von dem Wärmetauscher eine Ventileinrichtung angeordnet, welche das Innere des wenigstens einen Wärmetauschers oder des Leitungselements mit dem Inneren des Batteriegehäuses verbindet. Eine solche Ventileinrichtung ist dazu ausgelegt, um im geöffneten Fall das Batteriegehäuse mit dem Kühlmedium zu fluten. Hierdurch kann eine effiziente Kühlung und gegebenenfalls die Bekämpfung eines bereits entstandenen Brandes erreicht werden. Das Kühlmedium wird im regulären Betrieb zum Temperieren der Batterie genutzt.
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Zur Temperierung von Traktionsbatterien wird diese in den meisten Fällen ein- oder zweiseitig mittels einer mit Kanälen ausgestatteten Platte in Kontakt gebracht. Hierbei entsteht bei einseitiger Temperierung ein nicht zu vernachlässigender Temperaturgradient, insbesondere ab einer bestimmten Batteriehöhe. Zudem ist bei diesen sehr großen Kühlungen nur einen Eingang und ein Ausgang des Kühlmittels vorgesehen. Das wiederum verhindert eine optimierte Strömungsverteilung innerhalb der Batterien. Das führt zu einer tiefen Temperatur des Kühlmediums am Eingang und zu einer erhöhten Temperatur am Ausgang, was wiederum schädlich für eine konstante Temperierung der Batteriezellen ist. Da Traktionsbatterie üblicherweise als Hochvolt-Batterien ausgebildet sind ist, es zudem wünschenswert, geeignete Schutzmaßnahmen, zum Beispiel bei einem Unfall oder im Falle eines Brandes, bereitzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie bereitzustellen, welche eine effizientere Kühlung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für eine Batterie weist eine erste Modulgehäusegruppe, die mindestens ein erstes Modulgehäuse für mindestens ein erstes Batteriemodul der Batterie umfasst, und mindestens eine zweite Modulgehäusegruppe auf, die mindestens ein zweites Modulgehäuse für mindestens ein zweites Batteriemodul der Batterie umfasst. Zudem weist die Kühlvorrichtung eine Kühlmittelzuführleitung auf, mindestens einen ersten Kühlkanal, welcher der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnet ist, und eine der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnete erste Ventileinrichtung, mittels welcher eine Zuführung eines Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen ersten Kühlkanal steuerbar ist. Darüber hinaus weist die Kühlvorrichtung mindestens einen zweiten Kühlkanal auf, welcher der mindestens einen zweiten Modulgehäusegruppe zugeordnet erst, sowie eine der mindestens einen zweiten Modulgehäusegruppe zugeordnete zweite Ventileinrichtung, mittels welcher eine Zuführung des Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen zweiten Kühlkanal unabhängig von der Steuerung der Zuführung des Kühlmittels in den mindestens einen ersten Kühlkanal steuerbar erst. Darüber hinaus weist die Kühlvorrichtung eine von der Kühlmittelzuführleitung verschiedene Kühlmittelabführleitung auf, die mit der mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Kühlkanal gekoppelt ist, sodass das aus der Kühlmittelzuführleitung dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Kühlkanal zugeführte Kühlmittel jeweils in der Kühlmittelabführleitung abführbar ist.
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Durch die Erfindung wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass die Kühlung für jede Batteriemodulgruppe, insbesondere auch für jedes Batteriemodul, separat steuerbar erst, sodass sich hierdurch deutlich bessere Anpassungsmöglichkeiten erzielen lassen. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung liegt jedoch darin, dass jeder Modulgehäusegruppe auch mindestens ein eigener Kühlkanal zugeordnet ist und zudem die Kühlmittelabführleitung separat von der Kühlmittelzuführleitung bereitgestellt ist. Dies bedeutet wiederum, dass die von einer bestimmten Kühlmittelmenge zu kühlende Fläche deutlich reduziert ist, wodurch sich eine deutlich effizientere und vor allem auch gleichmäßigere Kühlung aller Batteriemodule bereitstellen lässt. Beispielsweise wird über die erste Ventileinrichtung Kühlmittel aus der Kühlmittelzuführleitung dem ersten Kühlkanal zugeführt, mittels welchem dann entsprechend die der ersten Modulgehäusegruppe zugeordneten Batteriemodule gekühlt werden können. Hat entsprechend das Kühlmittel diesen mindestens einen ersten Kühlkanal durchlaufen, so wird das Kühlmittel über die Kühlmittelabführleitung abgeführt und nicht unmittelbar zur Kühlung einer weiteren Modulgruppe verwendet. Stattdessen kann das durch die Abführleitung abgeführte Kühlmittel, zum Beispiel über einen Wärmetauscher, wieder abgekühlt und dann erst erneut der Kühlmittelzuführleitung zugeführt werden. Das Kühlmittel weißt also, wenn dieses den jeweiligen Kühlkanälen zugeführt wird, für alle Kühlkanäle zumindest näherungsweise die gleiche Temperatur auf. Das erwärmte Kühlmittel wird nicht zur Kühlung weiterer Batteriemodule verwendet, sondern stattdessen durch die Kühlmittelabführleitung abgeführt. Durch eine solche gruppenspezifische Kühlung sowie durch die Trennung von Kühlmittelzuführleitung und Kühlmittelabführleitung kann also eine deutlich effektivere und gleichmäßigere Kühlung für eine Batterie bereitgestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine erste Kühlkanal in das mindestens eine erste Modulgehäuse integriert und der mindestens eine zweite Kühlkanal ist in das mindestens eine zweite Modulgehäuse integriert. Dadurch kann die Kühlfunktion vorteilhafterweise in das Gehäuse für die Batteriemodule integriert werden, wodurch Kosten und Gewicht eingespart werden können und der Abstand zwischen Kühlkreislauf und den Batteriemodulen minimiert werden kann, wodurch sich wiederum die Effizienz der Kühlung steigern lässt.
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Die mittels der Kühlvorrichtung zu kühlende Batterie kann zum Beispiel eine Traktionsbatterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, darstellen. Die Batterie kann zum Beispiel mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei ein jeweiliges Batteriemodul wiederum mehrere Einzelzellen aufweisen kann. Für ein jeweiliges Batteriemodul kann nun zum Beispiel ein eigens dafür vorgesehenes Gehäuse bereitgestellt sein, welches Teil der Kühlvorrichtung ist und in welcher der jeweils zugeordnete mindestens eine Kühlkanal angeordnet ist. Dann kann auch entsprechend einem jeweiligen Batteriemodul bzw. dessen Gehäuse eine entsprechende Ventileinrichtung zugeordnet sein, die die Zuführung des Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den entsprechenden mindestens einen Kühlkanal steuert. Die Batteriemodule können zum Zwecke der Kühlung aber auch gruppiert sein. Beispielsweise kann einer ersten Modulgruppe, die dann entsprechend mehrere Batteriemodule umfasst, eine einzelne Ventileinrichtung zugeordnet sein, einer weiteren Batteriemodulgruppe eine weitere Ventileinrichtung, usw. Die einer Modulgruppe zugeordneten Batteriemodule können dabei dennoch in separaten Modulgehäusen angeordnet sein, in welche wiederum jeweils mindestens ein zugeordneter Kühlkanal integriert ist. Alternativ können auch die mehreren Batteriemodule eine Batteriemodulgruppe in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sein, in welchem der mindestens eine Kühlkanal integriert ist. Besonders vorteilhaft hat sich beispielsweise erwiesen, wenn einer jeweiligen Modulgruppe aus nur zwei Batteriemodulen eine einzelne Ventileinrichtung zugeordnet ist. Dies erlaubt immer noch eine sehr individuelle Kühlung der jeweiligen Batteriemodule, eine besonders gleichmäßige Kühlung der jeweiligen Batteriemodule, sowie zusätzlich einen besonders effizienten und kompakten Aufbau der Kühlvorrichtung sowie der Batterie. Beispielsweise können in einem solchen Fall die Batteriemodule beidseitig entlang eines zentralen Kühlkanals, in welchem die Kühlmittelzuführleitung und die Kühlmittelabführleitung verlaufen, angeordnet sein, wobei die Kühlung von jeweils zwei in Bezug auf diesen zentralen Kühlkanal gegenüberliegend angeordneten Batteriemodulen über eine ebenfalls im Bereich des zentralen Kühlkanals angeordnete Ventileinrichtung gesteuert wird. Entsprechend ist also vorteilhaft, wenn eine jeweilige Modulgehäusegruppe eines oder mehrere Modulgehäuse aufweist, die insgesamt zur Aufnahme von zwei Batteriemodulen ausgelegt sind. Zudem kann die Kühlvorrichtung nicht nur eine erste und eine zweite Modulgehäusegruppe aufweisen, sondern je nach Ausgestaltung der Batterie auch beliebig viele. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise auch eine Batterie mit sehr vielen Batteriemodulen bereitstellen ohne dabei Ungleichmäßigkeiten in der Kühlung in Kauf nehmen zu müssen.
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Durch diese strukturelle Integration des Kühlsystems in die Gehäuse der Batteriemodule lässt sich zudem durch die Gehäuse nicht nur eine Schutzfunktion für die durch diese aufnehmbaren Batteriemodule bereitstellen, sondern ebenso für die Kühlvorrichtung, was besonders in Unfallsituationen besonders vorteilhaft ist.
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Die Betätigung einer jeweiligen Ventileinrichtung kann darüber hinaus im Allgemeinen mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Modulgehäuse eine erste Seite, eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite und eine die erste und zweite Seite verbindende dritte Seite auf, wobei der mindestens eine erste Kühlkanal die erste, dritte und zweite Seite durchläuft, insbesondere wobei dem ersten Modulgehäuse mehrere erste Kühlkanäle zugeordnet sind, die parallel zueinander angeordnet sind und jeweils die erste, dritte und zweite Seite durchlaufen. Das erste Modulgehäuse, sowie insbesondere auch jedes weitere Modulgehäuse, kann also beispielsweise U-förmig ausgebildet sein, mit einer Oberseite, einer gegenüberliegenden Unterseite und einer an die Ober- und Unterseite verbindenden Rückseite. Ein in dem Modulgehäuse angeordnetes Batteriemodul kann somit vorteilhafterweise auf drei Seiten, zum Beispiel einer Oberseite, einer Unterseite und einer Rückseite, gleichzeitig gekühlt werden. Dadurch kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt werden und vor allem kann hierdurch auch ein zu starker Temperaturgradient von einer Seite eines Batteriemoduls zur Gegenüberliegenden vermieden werden, wie dies zum Beispiel bei einer nur einseitige Kühlung der Fall wäre. Die Kühlkanäle können also beispielsweise in Strömungsrichtung betrachtet zunächst die Oberseite des ersten Gehäuses in einer Längserstreckungsrichtung, d.h. in Richtung der Rückseite, durchlaufen, insbesondere geradlinig, dann die Rückseite, insbesondere ebenfalls geradlinig, und dann entgegen der Längserstreckungsrichtung die Unterseite, insbesondere wiederum geradlinig. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Kühlkanäle in den jeweiligen Seiten des Modulgehäuses geradlinig und parallel zueinander verlaufen, denn dadurch lässt sich das Strömungsverhalten des Kühlmediums bzw. des Kühlmittels optimieren. Damit ist also ein jeweiliger Kühlkanal ebenfalls U-förmig ausgebildet. Dies ist insbesondere dann von besonders großem Vorteil, wenn als Kühlmittel zum Beispiel CO2 (Kohlenstoffdioxid) verwendet wird, wobei CO2 vorteilhafterweise sowohl flüssig als Kühlmittel im regulären Betrieb, als beispielsweise auch gasförmig als Löschmittel im Notfall verwendet werden kann, wie dies später noch detaillierter beschrieben wird. Durch die oben beschriebene Ausbildung der jeweiligen Kühlkanäle können die Zustände des CO2, d.h. flüssig und oder gasförmig, strömungsoptimiert gesteuert werden.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in einem ersten Kühlungszustand der ersten Ventileinrichtung die Zuführung des Kühlmittels in den mindestens einen ersten Kühlkanal mittels der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem der ersten Modulgehäusegruppe zugeordneten Modulparameter, insbesondere einer Temperatur, steuerbar. Somit kann im Normalbetrieb eine modulspezifische Kühlung erfolgen, die auf die Temperaturen der der jeweiligen Batteriemodule optimal angepasst ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühlvorrichtung zur Erfassung der Modultemperatur als den Modulparameter mindestens eine Sensorfolie aufweist, die der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnet ist. Eine solche Sensorfolie kann beispielsweise an einer oder mehreren Seiten eines Batteriemoduls oder auch der Batterieeinzelzellen anordenbar bzw. angeordnet sein. Dies gilt insbesondere wieder für eine jeweilige Modulgehäusegruppe der Kühlvorrichtung. Mit anderen Worten ist also jeder Modulgehäusegruppe, beispielsweise auch jedem Modulgehäuse, der Kühlvorrichtung mindestens eine entsprechende Sensorfolie zugeordnet, mittels welcher die Temperatur eines jeweiligen Batteriemoduls erfassbar ist. Durch eine solch flächig angeordnete Sensorfolie können die Temperaturen eines jeweiligen Batteriemodule über eine sehr große Fläche hinweg erfasst werden, wodurch der so bestimmte Temperaturwert repräsentativ für das gesamte Batteriemodul ist, da diese nicht nur an einer bestimmten Stelle lokal erfasst wird. Ein besonders großer Vorteil einer solchen Sensorfolie besteht zudem auch darin, dass diese zur Temperierung des im ersten Modulgehäuses anordenbaren Batteriemoduls beheizbar ist. Somit kann die Sensorfolie, bzw. eine jeweilige Sensorfolie, dabei nicht nur die Funktion des Abgreifens von Temperaturdaten bereitstellen, sondern die Folie kann auch als Temperierelement genutzt werden.
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Eine jeweilige Ventileinrichtung regelt dabei die Zuführung des Kühlmittels zur zugeordneten Modulgehäusegruppe derart, dass die Durchflussrate, die durch die Ventileinrichtung für die Zuführung des Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen Kühlkanal der zugeordneten Modulgehäusegruppe bereitgestellt wird, umso höher ist, je höher die erfasste Temperatur der zugeordneten Modulgehäusegruppe bzw. der durch diese aufgenommen Batteriemodule ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in einem zweiten Kühlungszustand der ersten Ventileinrichtung diese dazu ausgelegt, ein gasförmiges Löschmittel, insbesondere das Kühlmittel in Gasform, auszublasen. Das Löschmittel kann beispielsweise CO2 darstellen. Dies ist besonders vorteilhaft, da CO2 auch gleichzeitig in flüssiger Form im Normalbetrieb als Kühlmittel genutzt werden kann. Zur Bereitstellung dieser zusätzlichen Notfallfunktion, nämlich der Löschfunktion, muss also kein weiterer Kühlkreislauf oder ähnliches vorgesehen sein. Die Zustände des CO2 lassen sich druckabhängig steuern, weshalb es in einem solchen Fall auch besonders vorteilhaft erst, wenn zum Beispiel ein jeweiliges Batteriemodulgehäuse oder zumindest eine jeweilige Modulgehäusegruppe einen Drucksensor aufweist, und der durch diesen Drucksensor erfasste Druck einen weiteren Modulparameter zur Steuerung der Ventileinrichtung darstellt.
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Je nach Ausbildungsform der Kühlvorrichtung kann auch die Ventileinrichtung selbst zum Beispiel als Wegeventil oder Druckventil ausgebildet sein. Mit anderen Worten können also im Falle einer CO2-Kühlung können sowohl Wegeventile als auch Druckregelventile in das Gehäuse als die mindestens eine Ventileinrichtung integriert sein. Für den geregelten Betrieb von Druckregelventilen können dann zusätzlich zu Temperatursensoren auch Drucksensoren in das Gehäuse integriert sein.
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Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass das Löschmittel ein anderes darstellt als das Kühlmittel. Beispielsweise kann wie beschrieben das Löschmittel als gasförmiges CO2 bereitgestellt sein, während zum Beispiel als flüssiges Kühlmittel ein Öl verwendet wird. Entsprechend kann dann eine jeweilige Ventileinrichtung beispielsweise mit einer weiteren Zuführleitung gekoppelt sein, um das Löschmittel getrennt vom Kühlmittel zuführen zu können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Kühlmittelzuführleitung und die Kühlmittelabführleitung koaxial zueinander, insbesondere wobei die Kühlmittelzuführleitung innerhalb der Kühlmittelabführleitung verläuft. Dies hat gerade dann besonders große Vorteile, wenn als Kühlmittel CO2 verwendet wird, da dieses bei Durchführung durch die Kühlmittelzuführleitung in flüssiger Form unter relativ hohem Druck gehalten wird, insbesondere in einem Druckbereich zwischen 70 bar und 90 bar gehalten wird. Durch die darum herumverlaufende Kühlmittelabführleitung ist damit im Hinblick auf den hohen Druck in der Kühlmittelzuführleitung eine zusätzliche Sicherheitsfunktion geboten. Das Kühlmittel beim Abführen in der Kühlmittelabführleitung kann dagegen einen deutlich geringeren Druck aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in einem dritten Kühlungszustand der ersten Ventileinrichtung diese dazu ausgelegt, mehr Kühlmittel pro Zeiteinheit, d.h. mit einer höheren Durchflussrate, als im ersten Kühlungszustand dem mindestens einen ersten Kühlkanal zuzuführen. Gleiches gilt wiederum für die übrigen Ventileinrichtung analog. Hierdurch kann zum Beispiel im Crashfall, d.h. im Falle eines Unfalls, eine extra Kühlleistung bereitgestellt werden. Die Umschaltung, zum Beispiel vom Normalbetrieb, d.h. dem ersten Kühlungszustand, in diesen dritten Kühlungszustand, kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Erfassung eines Unfalls mittels eines Unfallsensors, auch Crashsensor genannt, ausgelöst werden. Wenn also im Falle eines Unfalls der Crashsensor auslöst, können damit einhergehend auch eine extra Kühlleistung durch die Initiierung dieses dritten Kühlungszustand der Batterie zugeführt werden. In gleicher Weise kann zum Beispiel auch der zweite Kühlungszustand zum Ausblasen des Löschmittels ausgelöst werden. Zusätzlich können aber auch hier weitere Sensoren vorgesehen sein, die zum Beispiel detektieren können, ob Batteriemodule in Flammen stehen, eine Explosion stattgefunden hat oder die Batterietemperatur einen kritischen Wert überschritten hat.
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Darüber hinaus kann die Ventileinrichtung beispielsweise auch einen vierten Zustand, nämlich einen geschlossenen Zustand einnehmen, in welchem dann entsprechend keine Zuführung eines Kühl- oder Löschmittel zu den betreffenden Kühlkanälen erfolgt. Durch die verschiedenen Zustände, in denen eine jeweilige Ventileinrichtung betrieben werden kann, wird ein besonders hohes Maß an Flexibilität, Anpassungsmöglichkeiten und vor allem ein besonders hohes Maß an Sicherheit, vor allem auch im Falle eines Unfalls, geboten.
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In dem Zusammenhang ist es insbesondere auch besonders vorteilhaft, wenn, wie dies gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, die erste Ventileinrichtung, und insbesondere auch alle übrigen entsprechenden Ventileinrichtungen, welche den jeweiligen Modulgehäusegruppen zugeordnet sind, einen Grundkörper und eine den Grundkörper zumindest bereichsweise umgebende Ummantelung aufweist, wobei die Ummantelung aus einem deformierbaren ersten Material gebildet ist, und der Grundkörper aus einem zweiten Material gebildet ist, welches härter ist als das erste Material. Das Regelventil, d.h. die Ventileinrichtung, kann also vorteilhafterweise in Hybridbauweise ausgebildet sein, wodurch es vorteilhafterweise erreicht werden kann, dass eine durch einen Crash herbeigeführte Deformation nicht zur Funktionsuntauglichkeit der Ventileinrichtung führt. Durch die äußere Ummantelung, die eine weiche Schicht zur Deformation im Crashfall darstellt, kann eine zumindest teilweise Aufnahme der Crash-Energie bereitgestellt werden, während durch die inneren steifen Elemente, die den Grundkörper bilden, die entsprechenden Ventilfunktionen übernommen werden können. Dabei kann die äußere weichere Schicht, d.h. die Ummantelung, auch Funktionselemente aufweisen, die eine direkte Integration des Regelventils in die Batteriegehäuse-Struktur ermöglichen. Insbesondere können durch das Regelventil, d.h. eine jeweilige Ventileinrichtung, auch Zusatzfunktionen durch eine entsprechende strukturelle Ausbildung übernommen werden. Beispielsweise können Teile der Ventileinrichtung gleichzeitig eine oder mehrere Press-Platten bereitstellen, mittels welchen entsprechende Presskräfte auf ein jeweiliges Batteriemodul ausgeübt werden kann. Batteriezellen werden häufig zueinander verpresst, um während des Betriebs ein Aufblähen bzw. Schwellen der Batteriezellen zu vermeiden. Diese Verpressung kann vorteilhafterweise zusätzlich durch eine entsprechende Ausbildung der Ventileinrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere kann diese Funktion durch eine jeweilige Ventileinrichtung für die ihr zugeordneten Batteriemodule übernommen werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie und/oder eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, welche eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung oder eines ihrer Ausgestaltungen aufweist. Insbesondere kann die Batterie weiterhin Merkmale aufweisen, wie sie bereits für Beispiele einer mittels der Kühlvorrichtung zu kühlenden Batterie beschrieben wurden und nachfolgend noch beschrieben werden. Die Batterie kann zum Beispiel mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei ein jeweiliges Batteriemodul wiederum mehrere Einzelzellen aufweisen kann.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie und oder einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung oder eines ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie mittels einer Kühlvorrichtung, die eine erste Modulgehäusegruppe, die mindestens ein erstes Modulgehäuse für ein erstes Batteriemodul der Batterie umfasst, und mindestens eine zweite Modulgehäusegruppe, die mindestens ein zweites Modulgehäuse für ein zweites Batteriemodul der Batterie umfasst, aufweist, sowie eine Kühlmittelzuführleitung, mindestens einen ersten Kühlkanal, welcher der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnet ist und eine der ersten Modulgehäusegruppe zugeordnete ersten Ventileinrichtung, die eine Zuführung eines Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen ersten Kühlkanal steuert. Dabei weist die Kühlvorrichtung weiterhin mindestens einen zweiten Kühlkanal auf, welcher der mindestens einen zweiten Modulgehäusegruppe zugeordnet ist, sowie eine der mindestens einen zweiten Modulgehäusegruppe zugeordnete zweite Ventileinrichtung, die eine Zuführung des Kühlmittels aus der Kühlmittelzuführleitung in den mindestens einen zweiten Kühlkanal unabhängig von der Steuerung der Zuführung des Kühlmittels in den mindestens einen ersten Kühlkanal steuert. Weiterhin weist die Kühlvorrichtung eine von der Kühlmittelzuführleitung verschiedene Kühlmittelabführleitung auf, die mit dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Kühlkanal gekoppelt ist, wobei das aus der Kühlmittelzuführleitung dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Kühlkanal zugeführte Kühlmittel jeweils in der Kühlmittelabführleitung abgeführt wird.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlmittelvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Batterie mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines in einem Modulgehäuse angeordneten Batteriemodul einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Modulgehäuses zur Aufnahme einer Batteriemoduls für eine Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ventileinrichtung für eine Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Batterie 10 mit einer Kühlvorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 weist in diesem Beispiel mehrere, insbesondere acht, Batteriemodule 14 auf. Ein jeweiliges Batteriemodul 14 ist weiterhin in einem korrespondierenden Modulgehäuse 16, welches gleichzeitig auch Teil der Kühlvorrichtung 12 ist, angeordnet. Die jeweiligen Modulgehäuse 16 können dabei auch optional zur jeweiligen Modulgehäusegruppen 18 gruppiert sein, von denen dann jede mindestens ein Modulgehäuse 16 für eines oder mehrere Batteriemodule 14 umfasst. Jeweiligen Modulgehäusegruppen 18 ist dann eine entsprechende als Regelventil 20 ausgebildete Ventileinrichtung der Kühlvorrichtung 12 zugeordnet. In diesem Beispiel ist jedem Modulgehäuse 16 für ein einzelnes Batteriemodul 14 ein solches Regelventil 20 zugeordnet, sodass in diesem Beispiel die Modulgehäuse 16 und die Modulgehäusegruppen 18 identisch sind. Mit anderen Worten weist jede Modulgehäusegruppe 18 genau ein Modulgehäuse 16 zur Aufnahme eines jeweiligen einzelnen Batteriemoduls 14 auf. Ein jeweiliges Regelventil 20 koppelt dabei eine Kühlmittelzuführleitung 22 der Kühlvorrichtung 12 mit mindestens einem innerhalb eines jeweiligen Modulgehäuses 16 verlaufenden Kühlkanals 23, welcher in 1 lediglich schematisch angedeutet ist bzw. von welchem lediglich die mit dem jeweiligen Regelventil 20 gekoppelten Ein- und Ausgänge dargestellt sind.
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Die Zufuhr des durch die Zuführleitung 22 strömenden Kühlmittels, welches vorzugsweise Kohlenstoffdioxid darstellt, kann somit mittels der jeweiligen Regelventile 20 für jedes Batteriemodul 14 separat gesteuert werden. Da jedem Modul 14 ein Regelventil 20 zugeordnet ist, kann somit vorteilhafterweise die Temperatur für jedes Batteriemodul 14 separat gesteuert werden.
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Das den jeweiligen Modulgehäusen 16 bzw. den darin verlaufenen Kühlkanälen 23 zugeführte Kühlmittel durchläuft dann entsprechend die jeweiligen Modulgehäuse 16 und tritt wiederum durch das Regelventil 20 aus den jeweiligen Modulgehäusen 16 aus und wird eine Abführleitung 24 (vgl. 4 und 5) zugeführt, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, aber beispielsweise direkt unterhalb der Zuführleitung 22 verlaufen kann, und welche damit vorteilhafterweise von der Zuführleitung 22 separiert ist. Das Kühlmittel, welches ein Modulgehäuse 16 durchlaufen hat, wird also über die Abführleitung 24 wieder direkt aus der Batterie 10 abgeführt und nicht unmittelbar zur Kühlung weiterer Batteriemodule 14 verwendet. Durch die Einteilung in einzelne Gehäusegruppen 18 mit jeweils zugeordneten Regelventilen 20 wird somit die Fläche, die von einer bestimmten Kühlmittelmenge zu kühlen ist, deutlich reduziert, was vorteilhafterweise eine deutlich gleichmäßigere Kühlung der Batteriemodule 14 erlaubt.
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Die Kühlvorrichtung 12 kann zudem noch eine nicht dargestellte Pumpe zur Förderung des Kühlmittels in der Kühlmittelzuführleitung 22 aufweisen, eine Kühleinrichtung, zum Beispiel eine Wärmetauscher oder Ähnliches, welche das über die Kühlmittelabführleitung 24 zurückgeführte Kühlmittel wieder abkühlt und wieder der Kühlmittelzuführleitung 22 zuführt.
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Ein in einem Modulgehäuse 16 angeordnetes Batteriemodul 14 ist nochmal exemplarisch in 2 dargestellt. Hier ist insbesondere auch zu erkennen, dass ein jeweiliges Batteriemodul 14 mehrere Einzelzellen 26 aufweist, die zu einem Batteriepack zusammen gefasst sind und damit das Batteriemodul 14 bereitstellen. Im Allgemeinen umfasst ein Batteriemodul 14 mindestens eine Batteriezelle 26, die zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein kann. Erkennbar ist zudem die U-förmige Temperierschleife mit beidseitigen Kleiderbügelverteilern 23a, über welche der Eingang eines einzelnen Kühlkanals 23 in mehrere Kühlkanäle 23 aufgefächert wird, und diese mehreren Kühlkanäle wieder zu einem einzelnen Kühlkanal 23 am Ausgang zusammengeführt werden. Entsprechend umlaufen nunmehr auch einzelne Kühlrohre, die durch die Kühlkanäle 23 bereitgestellt sind, in U-Form das Batteriemodul 14. Das Gehäuse 16 stellt damit auch gleichzeitig eine Kühlplatte bereit, die U-förmig um die Einzelzellen 26, bzw. was durch diese gebildete Batteriemodul 14 verlaufen. Zwischen dem im Gehäuse 16 angeordneten Modul 14 und der Innenwand des Gehäuses 16 kann zudem eine Ausgleichsschicht angeordnet sein, zum Beispiel in Form einer Paste, um Höhenunterschiede auszugleichen, Luftlücken zu schließen und damit das Gehäuse 16 thermisch an das Batteriemodul 14 anzukoppeln, um eine thermische Brücke zu bilden. Wie gut in 2 zu sehen ist, ergibt sich eine einfache, leicht fertigbare und zugleich strömungsgünstige Geometrie.
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3 zeigt noch mal eine schematische und perspektivische Darstellung eines Modulgehäuses 16 ohne ein darin angeordnetes Batteriemodul 14. Das Modulgehäuse 16 weist dabei eine erste Seite 16a, eine der ersten Seite 16a gegenüberliegende zweite Seite 16b sowie eine dritte Seite 16c auf, die die erste Seite 16a mit der zweiten Seite 16b verbindet. Durch diese jeweiligen Seiten 16a, 16b, 16c verlaufen mehrere einzelne Kühlkanäle 23, insbesondere innerhalb jeder Seite 16a, 16b, 16c parallel zueinander und geradlinig. Die mit einer jeweiligen Ventileinrichtung 20 gekoppelten Ein- und Ausgänge, welcher als einzelner Kühlkanal 23 vorliegt, teilt sich innerhalb des Modulgehäuses 16 in diese mehreren Einzelkanäle 23 auf, die letztendlich wieder zu einem einen Ausgang bereitstellenden Kühlkanal 23 zusammengeführt werden, welcher dann über die entsprechende Ventileinrichtung 20 wiederum in die Abführleitung 24 mündet.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie 10 mit einer Kühlvorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere kann diese Batterie 10 bzw. die Kühlvorrichtung 12 wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein. In dieser Querschnittsdarstellung ist hier nun zusätzlich auch noch die Kühlmittelabführleitung 24 zu erkennen. Auch hier wiederum ist einem jeweiligen Batteriemodul 14 ein entsprechendes Modulgehäuse 16 zugeordnet, in welchen das Batteriemodul 14 angeordnet ist, sowie auch eine jeweiliges Regelventil 20. Diese jeweiligen Regelventile 20 führen also den jeweiligen Modulgehäusen 16 über die Zuführleitung 22 entsprechend Kühlmittel zu, welches nach Durchlaufen der jeweiligen Modulgehäuses 16 wiederum durch das jeweilige Regelventil 20 über die Abführleitung 24 abgeführt wird.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie 10 mit einer Kühlvorrichtung 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel sind nun zwei Batteriemodule 14, bzw. auch deren Modulgehäuse 16 zur einer Modulgehäusegruppe 18 zusammengefasst. Entsprechend ist diesen beiden Batteriemodulen 14 nur ein einzelnes gemeinsames Regelventil 20 zugeordnet. Dieses Regelventil 20 führt nun wiederum über die Kühlmittelzuführleitung 22 den dem Batteriegehäuse 16 Kühlmittel zu, welches nach Durchlaufen des Modulgehäuses 16 wiederum über das Regelventil 20 in die Kühlmittelabführleitung 24 abgeführt wird.
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Die beiden Batteriemodule 14 sind hier exemplarisch in einem gemeinsamen Gehäuse 16 angeordnet. Die in diesem gemeinsamen Gehäuse 16 verlaufenden Kühlkanäle 23 durchziehen dabei ganz analog wie zu 3 beschrieben nunmehr dieses gemeinsame Gesamtgehäuse 16 für die beiden Batteriemodule 14. Alternativ können die beiden Batteriemodule 14 auch in jeweiligen und separaten Modulgehäusen 16 angeordnet sein, die dennoch zu einer Gehäusegruppe 18 zusammengefasst sind. Mit anderen Worten kann auch durch ein gemeinsames Regelventil 20 eine Kühlmittelversorgung für 2 separate Modulgehäuse 16 bereitgestellt werden.
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Weiterhin kann das Regelventil zum Beispiel vier Positionen bzw. Zustände besitzen, nämlich eine Standardposition, in welcher eine Regelung des Zuflusses des Kühlmittels in die jeweiligen Modulgehäuse 16 über die zugeordnete Ventileinrichtung 20 nach Eingangsdaten, nämlich der Temperatur der Zellen und optional dem Druck des Kühlmediums bzw. Kühlmittels erfolgt. Zur Messung der Temperatur der Zellen 26 sowie des Drucks des Kühlmediums können entsprechende Sensoren vorgesehen sein. Temperatursensoren können dabei zum Beispiel in Form einer flächig angeordneten Sensorfolie ausgeführt sein. Die Sensorfolie kann dabei nicht nur die Funktion des Abgreifens von Temperaturdaten bereitstellen, sondern die Folie kann auch als Temperierelement genutzt werden. Damit regelt dann in der Standard Position des Regelventils 20 das Regelventil 20 den Durchfluss aktiv anhand der durch die jeweiligen Temperatursensoren gemessenen Temperaturen.
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Eine weitere Position der Regelventils 20 kann eine geschlossene Position darstellen, in welcher dann entsprechend kein Zufluss des Kühlmittels durch die Batteriegehäuse 16 erfolgt. Eine weitere Position kann für einen Crashfall vorgesehen sein, der zum Beispiel mittels eines Crashsensors detektiert werden kann. Hierdurch kann gemäß der dritten Position zum Beispiel eine extra Kühlleistung ausgelöst werden. Im schlimmsten Fall kann gemäß einer weiteren Position auch eine Löschfunktion bereitgestellt werden. In diesem Fall öffnet ein jeweiliges Regelventil 20 vollständig und bläst beispielsweise gasförmiges CO2 zum Löschen. Die Verwendung von CO2 als Kühlmittel ist besonders vorteilhaft, da es sich damit im regulären Betrieb in flüssiger Form zum Kühlen eignet, sowie auch im Notfall in gasförmige Form, um eine Löschfunktion bereitzustellen. Im Falle einer CO2 Kühlung können sowohl Wegeventile als auch Druckregelventile als die jeweiligen Regelventil 20 in die jeweiligen Gehäuse 16 integriert sein. Für den geregelten Betrieb von Druckregelventilen können zusätzlich zu den oben beschriebenen Temperatursensoren auch Drucksensoren in die jeweiligen Gehäuse 16 integriert sein.
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Die Betätigung eines jeweiligen Regelventils 20 kann dabei im Allgemeinen mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Regelventils 20 für eine Kühlvorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Regelventil 20 ist in diesem Beispiel ebenso im Querschnitt dargestellt. Das Regelventil 20 weist dabei einen Grundkörper 20a aus einem ersten Material auf, welches eine Hartkomponente wie beispielsweise Aluminium-Druckguss oder fasergefüllter Kunststoff, z.B. PK-GF 50, PB T-GF 40, usw., darstellt. Dieser Grundkörper 20a ist von einer Ummantelung 20b aus einem zweiten Material umgeben, welches ein weiches Material darstellt, wie zum Beispiel ein Elastomer oder ein Schaum, und welches dazu ausgelegt ist, Energie aufnehmen zu können ohne dass das Bauteil, das heißt das Regelventil 20, versagt. Das gesamte Bauteil Regelventil 20 ist damit eine Strukturkomponente und entsprechend im Crash mit integriert. Weiterhin kann das Regelventil 20 direkt in das Gehäuse 16 integriert sein. Durch diese beschriebene Hybridbauweise führt vorteilhafterweise eine durch einen Crash herbeigeführte Deformation nicht zur Funktionsuntauglichkeit des Ventils 20.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kühlvorrichtung bereitgestellt wird, welche als Batteriegehäuse mit strukturintegrierter dreidimensionaler Kühlung und Regelventilen ausgeführt werden kann. Insbesondere ist dabei Batteriegehäuse zur Aufnahme von zumindest einer Batteriezelle ausgelegt und weist die in das Gehäuse direkt strukturintegrierte dreidimensionale Kühlvorrichtung auf. Die strukturintegrierte Kühlung kann dabei eine in das Gehäuse integrierte Hauptkühlleitung und ein oder mehrere einzelne durch die Regelventile regelbare und ebenfalls direkt in die Struktur integrierte Einzelkühlkreisläufe aufweisen, wobei das jeweilige Regelventil den Betrieb und/oder den Durchfluss der zellenspezifischen Einzelkühlkreisläufe auf Basis von in das Gehäuse direkt integrierten Temperatursensoren regelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012209306 A1 [0002]
- DE 102014017868 A1 [0003]
- DE 102013018408 A1 [0004]
