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Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Akkumulatoranordnung beziehungsweise eine Traktionsbatterie für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug umfasst üblicherweise mehrere einzelne Batteriezellen, die zu einem Batteriemodul oder auch mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind. Die einzelnen Batteriezellen sind in dem jeweiligen Batteriemodul elektrisch miteinander verschaltet und versorgen das Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit Energie. Bei der Weiterentwicklung der Traktionsbatterien wird zunehmend eine kurze Ladezeit angestrebt, was zu einer starken thermischen Belastung der Traktionsbatterien führt. Daher ist eine effektive Temperierung der der einzelnen Batteriezellen in der Traktionsbatterie notwendig.
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Dazu kann für das jeweilige Batteriemodul beispielweise eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die die jeweiligen Batteriezellen an den Stromableitern kühlt. Die Kühlvorrichtung kann dabei eine durch ein Kühlmittel durchströmte Kühlplatte umfassen, an der die Stromableiter der Batteriezellen wärmeübertragend festgelegt sind. Zusätzlich können zwischen den Batteriezellen auch Wärmeleitplatten angeordnet sein, die die Wärme gezielt zur Kühlplatte ableiten, wie beispielweise in
DE 10 2008 061 755 A1 beschrieben ist. Nachteiligerweise sind derartige Wärmeleitplatten starr an der Kühlplatte festgelegt, so dass eine Ausdehnung der Batteriezellen infolge des Ladezustands oder der Alterung der Batteriezellen teilweise verhindert sein kann. Dadurch können unerwünschte Spannungen in dem Batteriemodul aufgebaut sein. Aus
DE 10 2010 021 922 A1 ist eine Lösung für Pouch-Zellen bekannt, bei der durch das Kühlfluid durchströmbare Folienelemente zwischen den Pouch-Zellen angeordnet sind. Die Folienelemente sind durch zwei Folienschichten gebildet, die aneinander durch eine Naht festgelegt sind.
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Die Folienelemente legen sich unter einem durch das Kühlmittel aufgebauten Druck an die Pouch-Zellen an. Ferner sind auch andere Konzepte wie beispielweise ein Gehäuse mit verbesserten thermischen Eigenschaften in
DE 10 2013 206 581 A1 bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Akkumulatoranordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Akkumulatoranordnung ist für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug vorgesehen und weist mehrere starre Batteriezellen mit einander gegenüberliegenden Auflageflächen auf, die einander mit den Auflageflächen zugewandt in Stapelrichtung zu einem Batterieblock gestapelt sind. Die Akkumulatoranordnung weist zudem eine Kühlvorrichtung mit mehreren von dem Kühlfluid durchströmbaren Kühlelementen auf. Das jeweilige Kühlelement ist dabei zwischen den benachbarten Batteriezellen angeordnet und ist mit diesen zu dem Batterieblock verspannt. Das jeweilige Kühlelement liegt zudem an den Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen wärmeübertragend an. Erfindungsgemäß weist die Kühlvorrichtung einen in Stapelrichtung seine Form ändernden Fluidverteiler auf, der von einem Vorlaufanschluss zu einem Rücklaufanschluss über einen Fluidraum durch das Kühlfluid durchströmbar ist und der mit den jeweiligen Kühlelementen der Kühlvorrichtung fluidisch verbunden ist.
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Der flexible Fluidverteiler verhindert eine Verformung des Batterieblocks in Stapelrichtung nicht, so dass bei der Verformung der Batteriezellen infolge des Ladezustands oder der Alterung keine unerwünschten Spannungen in dem Batterieblock aufgebaut werden und ein Überspannen des Batterieblocks vorteilhaft verhindert wird. Ferner können unerwünschte Spannungen in dem Fluidverteiler selbst vorteilhaft verhindert werden, so dass die Dichtheit der Kühlvorrichtung verbessert und insgesamt die Lebensdauer der Akkumulatoranordnung verlängert werden können. Der Fluidverteiler kann zweckgemäß aus einem fluiddichten und/oder diffusionsdichten Material bestehen. Das fluiddichte und/oder diffusionsdichte Material ist bevorzugt Kunststoff wie Polypropylen oder Polyethylen oder Polystyrol oder alternativ ein Schichtverbundmaterial wie Polypropylen-Aluminium-Polypropylen oder Polypropylen-Aluminium-Polyamid. Eine Dicke des Materials liegt dabei zwischen 0,1 mm und 0,6 mm.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Fluidverteiler zwischen den benachbarten Kühlelementen jeweils einen Verformungsbereich aufweist, der sich bei einer Verformung des Fluidverteilers in Stapelrichtung bevorzugt verformt. Der Fluidverteiler ist dabei bei dem nicht verspannten Batterieblock in den Verformungsbereichen nicht und bei dem verspannten Batterieblock in den Verformungsbereichen verformt, so dass der Fluidverteiler bei dem verspannten Batterieblocks in Stapelrichtung spannungsfrei bleibt. Die jeweiligen Verformungsbereiche erstrecken sich dabei quer zur Stapelrichtung und entlang der Batteriezellen, so dass die jeweiligen Kühlelemente zwischen den jeweiligen Batteriezellen außerhalb der Verformungsbereiche mit dem Fluidverteiler fluidisch verbunden werden können. Die Verformungsbereiche können beispielweise durch Bereiche mit einer kleineren Dicke des den Fluidverteiler bildenden Materials gebildet sein. An dem Fluidverteiler sind somit die Verformungsbereiche mit den Verbindungsstellen der jeweiligen Kühlelemente in Stapelrichtung alternierend angeordnet.
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Das jeweilige Kühlelement der Kühlvorrichtung kann vorteilhafterweise einen Fluideintritt und einen Fluidaustritt aufweisen, die an einer Unterseite des Kühlelements beabstandet zueinander angeordnet sind. Zudem können der Fluideintritt mit einem Fluideinlass und der Fluidaustritt mit einem Fluidauslass des Fluidverteilers der Kühlvorrichtung fluidisch verbunden sein. Dadurch werden ein gleichmäßiges Zuleiten des Kühlfluids zu den jeweiligen Fluideinlässen und ein gleichmäßiges Ableiten des Kühlfluids von den jeweiligen Fluidauslässen ermöglicht. Vorteilhafterweise kann an dem jeweiligen Kühlelement um den Fluideintritt und um den Fluidaustritt jeweils wenigstens eine Dichtungskontur oder wenigstens eine Dichtungsfläche ausgebildet sein. Die jeweilige Dichtungskontur oder die jeweilige Dichtungsfläche können dann jeweils die Verbindungsstelle zwischen dem Fluideintritt und dem Fluideinlass oder zwischen dem Fluidaustritt und dem Fluidauslass nach außen abdichten.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass ein in Stapelrichtung definierter Montageabstand zwischen den jeweiligen benachbarten Kühlelementen bei den nicht verformten Verformungsbereichen größer als eine in Stapelrichtung definierte Zellendicke der jeweiligen Batteriezellen ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein in Stapelrichtung definierter Elementabstand zwischen den jeweiligen benachbarten Fluideinlässen und zwischen den jeweiligen benachbarten Fluidauslässen des Fluidverteilers bei dem nicht verspannten Batterieblock größer als bei dem verspannten Batterieblock ist. Der Fluidverteiler ändert beim Verspannen des Batterieblocks seine Form und dadurch ändert sich auch der Elementabstand in Stapelrichtung. Vorzugsweise verformt sich dabei der Fluidverteiler in den Verformungsbereichen, die zwischen den jeweiligen Kühlelementen angeordnet sind und sich quer zur Stapelrichtung entlang der Batteriezellen erstrecken. Die Kühlelemente sind dabei außerhalb der jeweiligen benachbarten Verformungsbereichen mit dem Fluidverteiler fluidisch verbunden, so dass die Verbindungsstellen zwischen dem Fluidverteiler und den jeweiligen Kühlelementen von der Änderung der Form des Fluidverteilers in den Verformungsbereichen nicht oder nur gering beeinflusst sind. Durch die Dichtungskonturen an den Fluideintritten und an den Fluidaustritten des jeweiligen Kühlelements können dann die Verbindungsstellen zwischen dem Fluidverteiler und dem jeweiligen Kühlelement vereinfacht und sicher abgedichtet sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Akkumulatoranordnung ist vorgesehen, dass innerhalb des Fluidraumes mehrere Strömungskanäle zum Zuleiten des Kühlfluids von dem Vorlaufanschluss zu den jeweiligen Kühlelementen und zum Ableiten des Kühlfluids von den jeweiligen Kühlelementen zu dem Rücklaufanschluss ausgebildet sind. Die jeweiligen Strömungskanäle sind dabei bevorzugt als eine Tichelmann-Schaltung angeordnet, um ein Durchströmen des Kühlfluids durch den Fluidraum und die jeweiligen Kühlelemente zu optimieren.
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Der Fluidverteiler ist vorzugsweise aus einer Oberschale und einer Unterschale gebildet, die fluiddicht - bevorzugt stoffschlüssig - aneinander festgelegt sind. Der Fluidraum ist dann zwischen der Oberschale und der Unterschale begrenzt und ist durch das Kühlfluid durchströmbar. Der Vorlaufanschluss und der Rücklaufanschluss können dann sowohl in der Oberschale als auch in der Unterschale ausgebildet sein. Weist der Fluidverteiler die Strömungskanäle auf, so können diese beispielweise durch bereichsweise und linienartig stoffschlüssig aneinander festgelegte Oberschale und Unterschale des Fluidverteilers gebildet sein. An der Oberschale und/oder an der Unterschale innerhalb des Fluidraumes kann ferner eine Verbindungsstruktur ausgebildet sein, die ein Verformen des Fluidverteilers begrenzt. Dadurch kann insbesondere ein unerwünschtes Aufblähen oder ein unerwünschtes Zusammenkollabieren des Fluidverteilers unter einem durch das Kühlfluid aufgebauten Druck verhindert werden. Die Verbindungsstruktur weist bevorzugt punktförmige und/oder ovalförmige und/oder linsenförmige und/oder linienförmige Verbindungsbereiche auf, die bevorzugt in Strömungsrichtung des Kühlfluids ausgerichtet sind.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Kühlelement einen Rahmen aufweist, der die Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen randseitig in Umlaufrichtung umläuft. Zwischen dem Rahmen und den benachbarten Batteriezellen ist dann ein durch das Kühlmittel durchströmbarer Innenraum des Kühlelements angeordnet. Der Rahmen legt auf eine vorteilhafte Weise die jeweiligen benachbarten starren Batteriezellen - beispielweise prismatische Batteriezellen - in einem Abstand zueinander, so dass der Batterieblock eine in Stapelrichtung vorgegebene Länge aufweist. Der Batterieblock kann folglich bereits bei der Montage mit einer vorgegebenen Spannkraft verspannt sein. Der Rahmen umläuft ferner die Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen randseitig in Umlaufrichtung, so dass eine Verformung der Batteriezellen in einem durch den Rahmen umrahmten Bereich der Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen nicht verhindert ist. Dadurch bleibt der Batterieblock unabhängig von der Verformung der Batteriezellen infolge des Ladezustands und der Alterung mit der vorgegebenen Spannkraft verspannt und ein Überspannen des Batterieblocks kann vorteilhaft verhindert werden. Der Innenraum zwischen dem Rahmen und den benachbarten Batteriezellen ist zudem durch das Kühlfluid durchströmbar, so dass die jeweiligen benachbarten Batteriezellen durch das Kühlfluid effizient kühlbar sind. Insgesamt kann dadurch die Lebensdauer der Batteriezellen deutlich erhöht werden.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Rahmen an den Auflageflächen der benachbarten Batteriezellen fluiddicht festgelegt ist, so dass die Auflageflächen der benachbarten Batteriezellen mit dem Rahmen den von dem Fluid durchströmbaren Innenraum des Kühlelements begrenzen. Der Rahmen kann dabei mit den jeweiligen benachbarten Batteriezellen stoffschlüssig - beispielweise verklebt - oder kraftschlüssig - beispielweise verspannt - verbunden sein. Der Rahmen kann beispielweise aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. So kann der Rahmen aus Kunststoff wie Polypropylen durch Spritzguss hergestellt sein. Ferner kann auch das Kühlfluid dielektrisch sein, um das Risiko eines Kurzschluss in dem Batterieblock zu minimieren. Die Kühlvorrichtung mit den derart ausgestalteten Kühlelementen ist einfach aufgebaut, so dass insgesamt der Herstellungsaufwand reduziert werden kann. Ferner kann das Kühlfluid die Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen unmittelbar umströmen, wodurch der Wärmetausch zwischen den Auflageflächen der Batteriezellen und dem Kühlfluid intensiviert und dadurch die Kühlung der Batteriezellen verbessert werden können.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass an dem Rahmen flexible Trennschichten quer zur Stapelrichtung fluiddicht festgelegt sind. Die Trennschichten begrenzen dann mit dem Rahmen den von dem Fluid durchströmbaren Innenraum des Kühlelements. Bei dieser Ausführungsform des Kühlelements können die Trennschichten sich unter einem durch das Kühlfluid aufgebauten Druck innerhalb des Innenraumes an die Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen anlegen, so dass unabhängig von der Verformung der Batteriezellen die Trennschichten an den Auflageflächen anliegen und der Wärmetausch zwischen den Batteriezellen und dem Kühlfluid in dem Innenraum des Kühlelements stattfinden kann. Der Rahmen und die jeweiligen Trennschichten können dabei aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, so dass die elektrischen Eigenschaften der jeweiligen an dem Kühlelement benachbarten Batteriezellen nicht beeinflusst werden. Zudem kann das Kühlfluid dielektrisch sein. Der Rahmen kann beispielweise aus Kunststoff, bevorzugt aus Polypropylen, bestehen und durch Spritzguss hergestellt sein. Die jeweilige Trennschicht kann aus Kunststoff, bevorzugt aus Polypropylen oder Polyethylen oder Polystyrol, geformt sein. Alternativ kann die jeweilige Trennschicht aus einem Schichtverbundmaterial, bevorzugt aus Polypropylen-Aluminium-Polypropylen oder aus Polypropylen-Aluminium-Polyamid, bestehen. Eine Dicke der jeweiligen Trennschicht in Stapelrichtung kann dabei zwischen 0,1 mm und 0,6 mm liegen. Die jeweilige Trennschicht und der Rahmen sind zweckgemäß diffusionsdicht, so dass das Kühlelement nach außen fluiddicht ist.
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Vorteilhafterweise kann zudem vorgesehen sein, dass wenigstens eine der jeweiligen Trennschichten eine Verstärkungsstruktur aufweist, durch die die Verformung der jeweiligen Trennschicht begrenzbar ist. Dadurch kann insbesondere ein unerwünschtes Aufblähen oder ein unerwünschtes Zusammenkollabieren der jeweiligen Trennschichten unter einem durch das Kühlfluid aufgebauten Druck verhindert werden. Die Verstärkungsstruktur weist dabei bevorzugt punktförmige und/oder ovalförmige und/oder linsenförmige und/oder linienförmige Prägungen oder Noppen oder Bereiche auf. Die Prägungen oder die Noppen oder die Bereiche der Verstärkungsstruktur können dabei in Strömungsrichtung des Kühlfluids ausgerichtet sein, um das Durchströmen des Kühlfluids durch den Innenraum zu optimieren.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung ist vorgesehen, dass an dem jeweiligen Rahmen wenigstens an einer Seite und wenigstens bereichsweise ein in Stapelrichtung von dem Rahmen abstehender Haltekragen ausgebildet ist, der wenigstens eine die jeweilige anliegende Batteriezelle quer zur Stapelrichtung festlegt. Der Haltekragen kann dabei sowohl einseitig als auch beidseitig in Stapelrichtung abstehen und dadurch sowohl eine der Batteriezellen als auch die beiden benachbarten Batteriezellen in dem Batterieblock quer zur Stapelrichtung festlegen. Insbesondere kann der Haltekragen das Gewicht der jeweiligen Batteriezelle sowohl im normalen Betrieb als auch bei einer starken Beschleunigung - wie beispielweise bei einem Crash - tragen. Vorteilhafterweise erfüllt dadurch das Kühlelement sowohl thermische als auch mechanische Funktionen, wodurch der Gesamtaufbau der Kühlvorrichtung und dadurch der Gesamtaufbau der Akkumulatoranordnung vereinfacht werden können.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Rahmen in Stapelrichtung eine vorgegebene Rahmendicke aufweist und dadurch die jeweiligen benachbarten Batteriezellen in dem verspannten Batterieblock in einem vorgegebenen Zellabstand gleich der Rahmendicke zueinander festgelegt sind. Vorzugsweise ist die Rahmendicke in Umlaufrichtung gleich und liegt zwischen 0,5 mm und 5 mm. Dadurch liegt auch der Zellabstand der jeweiligen benachbarten Batteriezellen wenigstens in den an dem Rahmen anliegenden Bereichen bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm. Der Zellabstand der jeweiligen benachbarten Batteriezellen entspricht einem Abstand deren einander zugewandten Auflageflächen in Stapelrichtung beziehungsweise einer Breite des jeweiligen zwischen den einander zugewandten Auflageflächen gebildeten Innenraumes des Kühlelements in Stapelrichtung. Es versteht sich von selbst, dass im Betrieb der Akkumulatoranordnung sowohl die Breite des Innenraumes als auch der Abstand der Auflageflächen zueinander in einem durch den Rahmen umrahmten Bereich der Auflageflächen der jeweiligen benachbarten Batteriezellen sich verändern können. Der Zellabstand der beiden benachbarten Batteriezellen bleibt jedoch in den an dem Rahmen anliegenden Bereichen der Auflageflächen konstant und entspricht der Rahmendicke des Rahmens.
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Bei einer Weiterbildung des Batterieblocks ist vorgesehen, dass der Batterieblock durch wenigstens einen sich in Stapelrichtung erstreckenden Zellblockzuganker verspannt ist. Das jeweilige Kühlelement ist dann durch wenigstens eine Formschlusseinheit an dem wenigstens einen Zellblockzuganker formschlüssig festgelegt. Auf diese vorteilhafte Weise können die einzelnen Kühlelemente und dadurch auch die zwischen den jeweiligen Kühlelementen angeordneten Batteriezellen an dem wenigstens einen Zellblockzuganker festgelegt sein. Insbesondere kann der wenigstens eine Zellblockzuganker das Gewicht der jeweiligen Batteriezellen und der jeweiligen Kühlelemente sowohl im normalen Betrieb als auch bei einer starken Beschleunigung - wie beispielweise bei einem Crash - tragen. Dazu kann der wenigstens eine Zellblockzuganker unterhalb des Batterieblocks angeordnet sein, wobei „unterhalb“ sich auf die in das Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingebaute Akkumulatoranordnung bezieht. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Batterieblock durch wenigstens einen sich in Stapelrichtung erstreckenden Zellblockzuganker verspannt ist und der wenigstens eine Zellblockzuganker mehrere beidseitig quer zur Stapelrichtung abstehende Befestigungslaschen zum Festlegen der Akkumulatoranordnung an dem Hybrid- oder Elektrofahrzeug aufweist. Vorzugsweise ist dann der wenigstens eine Zellblockzuganker mit den Befestigungslaschen unterhalb des Batterieblocks angeordnet, um das Gewicht des Batterieblocks tragen zu können.
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Unabhängig von der Ausgestaltung des wenigstens einen Zellblockzugankers ist der Batterieblock vorzugsweise zwischen wenigstens zwei Zellblockzuganker angeordnet, die in Stapelrichtung ausgerichtet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Batterieblocks an diesem anliegen. Die Zellblockzuganker können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. Zudem kann der Batterieblock zwischen zwei Spannplatten angeordnet sein, die an gegenüberliegenden Seiten des Batterieblocks quer zur Stapelrichtung an diesem anliegen. Die jeweiligen Spannplatten und dadurch auch der zwischen den Spannplatten angeordnete Batterieblock können dann durch die jeweiligen Zellblockzuganker miteinander in Stapelrichtung verspannt sein. Insbesondere kann dadurch der Batterieblock gleichmäßig verspannt werden und die erzeugte Spannkraft gleichmäßig in den Batterieblock eingeleitet werden. Die Zellblockzuganker und/oder die Spannplatten können beispielweise aus Stahl oder aus Aluminium oder aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Akkumulatoranordnung ist vorgesehen, dass die jeweiligen Kühlelemente in dem Batterieblock mit den jeweiligen Batteriezellen in Stapelrichtung alternierend angeordnet sind. Dabei folgt das jeweilige Kühlelement jeweils einer der jeweiligen Batteriezellen oder jeweils zwei der aneinander anliegenden Batteriezellen. Folgt das jeweilige Kühlelement jeweils einer der jeweiligen Batteriezellen, so können die jeweiligen Batteriezellen in dem Batterieblock an den beiden Auflageflächen und dadurch optimal gekühlt werden. Folgt das jeweilige Kühlelement jeweils zwei der aneinander anliegenden Batteriezellen, so können die Anzahl der Kühlelemente in dem Batterieblock und dadurch das Gewicht des Batterieblocks reduziert werden.
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Vorteilhafterweise kann die Akkumulatoranordnung ein Gehäuse mit einem Oberteil und mit einem Unterteil aufweisen, die fluiddicht aneinander festgelegt sind und einen fluiddichten Aufnahmeraum für den Batterieblock bilden. So können das Oberteil und das Unterteil aneinander stoffschlüssig - durch eine Schweißverbindung oder durch eine Klebeverbindung - festgelegt sein. Das Oberteil und/oder das Unterteil können aus einem fluiddichten und/oder diffusionsdichten und/oder thermisch isolierenden Material bestehen. Das Material kann Kunststoff wie Polypropylen oder Polyamid sein oder kann alternativ ein Schichtverbundmaterial wie ein Polypropylen-Aluminium-Verbundmaterial oder ein Polypropylen-Stahl-Verbundmaterial sein. Eine Dicke des Oberteils und/oder des Unterteils kann dabei zwischen 1 mm und 3,5 mm liegen, wodurch das Oberteil und/oder das Unterteil besonders leicht sind und das Gewicht der Akkumulatoranordnung vorteilhaft reduzierbar ist.
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Zusammenfassend ist der Fluidverteiler in der Akkumulatoranordnung spannungsfrei festgelegt und verhindert eine Verformung der Batteriezellen in Stapelrichtung infolge des Ladezustands oder der Alterung nicht. Zudem können die Batteriezellen effektiv und beidseitig gekühlt werden. Ferner vereinigen die Kühlelemente in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung sowohl thermische als auch mechanische Funktionen, wodurch die Anzahl der Einzelteile in der Akkumulatoranordnung reduziert und der Gesamtaufbau der Akkumulatoranordnung vereinfacht werden können.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
- 1 bis 4 Ansichten einer erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung;
- 5 bis 8 Ansichten eines Kühlelements einer Kühlvorrichtung in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung;
- 9 eine Ansicht einer Kühlvorrichtung in der erfindungsgemäßen Akkum ulatoranordnung;
- 10 eine Ansicht eines Fluidverteilers der Kühlvorrichtung in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung;
- 11 eine Schnittansicht des in 5 bis 8 gezeigten Kühlelements in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung;
- 12 eine Schnittansicht der in 1 bis 4 gezeigten Akkumulatoranordnung;
- 13 bis 16 Schnittansichten der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung bei der Montage und im Betrieb.
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1 bis 4 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Die Akkumulatoranordnung 1 weist mehrere starre - und insbesondere prismatische - Batteriezellen 2 mit einander gegenüberliegenden Auflageflächen 3 auf, die einander mit den Auflageflächen 3 zugewandt in Stapelrichtung 4 zu einem Batterieblock 5 gestapelt sind. Die Akkumulatoranordnung 1 weist zudem eine von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlvorrichtung 6 auf, die mehrere von dem Kühlfluid durchströmbare Kühlelemente 7 und einen von dem Kühlfluid durchströmbaren Fluidverteiler 8 umfasst. Das jeweilige Kühlelement 7 ist zwischen den benachbarten Batteriezellen 2 angeordnet und liegt an den Auflageflächen 3 der jeweiligen benachbarten Batteriezellen 2 wärmeübertragend an. Die Kühlelemente 7 und die Batteriezellen 2 sind miteinander in dem Batterieblock 5 in Stapelrichtung 4 verspannt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Kühlelemente 7 in dem Batterieblock 5 mit den jeweiligen Batteriezellen 2 in Stapelrichtung 4 alternierend angeordnet. Dabei folgt das jeweilige Kühlelement 7 jeweils einer der jeweiligen Batteriezellen 2, so dass die jeweiligen Batteriezellen 2 in dem Batterieblock 5 an den beiden Auflageflächen 3 gekühlt werden. Der Fluidverteiler 8 ist an einer Seite des Batterieblocks 5 angeordnet und ist von einem Vorlaufanschluss 9 zu einem Rücklaufanschluss 10 über einen Fluidraum 11 durch das Kühlfluid durchströmbar. Der Fluidverteiler 8 ist mit den jeweiligen Kühlelementen 7 der Kühlvorrichtung 6 fluidisch verbunden, so dass das Kühlfluid in das jeweilige Kühlelement 7 zugeleitet und von dem Kühlelement 7 abgeleitet werden kann. Der Aufbau der Kühlvorrichtung 6, der Kühlelemente 7 und des Fluidverteilers 8 wird im Folgenden anhand 5 bis 12 näher erläutert.
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Das jeweilige Kühlelement 7 weist dabei einen Rahmen 12 auf, der die Auflageflächen 3 der jeweiligen benachbarten Batteriezellen 2 randseitig in Umlaufrichtung 13 umläuft. An dem Rahmen 12 sind flexible Trennschichten 14 quer zur Stapelrichtung 4 fluiddicht festgelegt, die mit dem Rahmen 12 einen Innenraum 15 des Kühlelements 7 begrenzen. Zweckgemäß ist der Innenraum 15 des jeweiligen Kühlelements 7 mit dem Fluidraum 11 des Fluidverteilers 8 fluidisch verbunden und durch das Kühlfluid durchströmbar. An gegenüberliegenden Seiten 16 und an einer Unterseite 17 des Kühlelements 7 ist jeweils ein in Stapelrichtung 4 von dem Kühlelement 7 beidseitig abstehender Haltekragen 18 - wie insbesondere in 3 zu sehen - gebildet. Der jeweilige Haltekragen 18 legt dabei die jeweiligen anliegenden Batteriezellen 2 quer zur Stapelrichtung 4 fest. Der Haltekragen 18 an der Unterseite 17 des Kühlelements 7 kann zudem das Gewicht der jeweiligen Batteriezellen 2 im normalen Betrieb und die Haltekragen 18 an den Seiten 16 bei einer starken Beschleunigung - wie beispielweise bei einem Crash - tragen.
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Der Batterieblock 5 ist - wie in 1 gezeigt - durch mehrere sich in Stapelrichtung 4 erstreckenden Zellblockzuganker 19 und Spannplatten - hier nicht gezeigt - in Stapelrichtung 4 verspannt. Die Zellblockzuganker 19 können beispielweise aus Stahl oder aus Aluminium oder aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. In dem Batterieblock 5 sind die jeweiligen Batteriezellen 2 durch die jeweiligen Kühlelemente 7 beabstandet zueinander festgelegt, wie im Folgenden anhand 13 bis 16 näher erläutert wird. Der unterhalb der Batteriezellen 2 angeordnete Zellblockzuganker 19 trägt dabei das Gewicht der jeweiligen Batteriezellen 2 und der Kühlvorrichtung 6 und weist beidseitig quer zur Stapelrichtung 4 abstehende Befestigungslaschen 20 auf. Die Befestigungslaschen 20 ragen dabei - wie in 2 gezeigt - aus einem Gehäuse 21 der Akkumulatoranordnung 1 heraus, so dass die Akkumulatoranordnung 1 durch die Befestigungslaschen 20 an dem Hybrid- oder Elektrofahrzeug festgelegt werden kann. Das Gehäuse 21 ist zweiteilig aufgebaut und weist ein Oberteil 22 und ein Unterteil 23 auf, die fluiddicht aneinander festgelegt sind und einen fluiddichten Aufnahmeraum 24 für den Batterieblock 5 bilden. Das Oberteil 22 und das Unterteil 23 können beispielweise aus Kunststoff bestehen und eine Dicke zwischen 1 mm und 3,5 mm aufweisen.
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In der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 legt das Kühlelement 7 auf eine vorteilhafte Weise die jeweiligen benachbarten starren Batteriezellen 2 beabstandet zueinander und verhindert eine Verformung der Batteriezellen 2 infolge des Ladezustands oder der Alterung nicht. Dadurch bleibt der Batterieblock 5 unabhängig von der Verformung der Batteriezellen 2 mit der vorgegebenen Spannkraft verspannt und ein Überspannen des Batterieblocks 5 kann vorteilhaft verhindert werden. Die vorteilhafte Wirkung des Kühlelements 7 in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 wird im Folgenden anhand 13 bis 16 näher erläutert. Vorteilhafterweise ist zudem der Innenraum 15 des Kühlelements 7 durch das Kühlfluid durchströmbar, so dass die jeweiligen benachbarten Batteriezellen 2 durch das Kühlfluid beidseitig und effizient kühlbar sind. Insgesamt kann in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 die Lebensdauer der Batteriezellen 2 deutlich erhöht werden.
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5 bis 8 zeigen Ansichten des Kühlelements 7 der Kühlvorrichtung 6. In 11 ist eine Schnittansicht des Kühlelements 7 gezeigt. Der Rahmen 12 des Kühlelements 7 weist - wie oben bereits erläutert - die Haltekragen 18 auf, die an den gegenüberliegenden Seiten 16 und an der Unterseite 17 des Kühlelements 7 beidseitig in Stapelrichtung 4 abstehen. An der Unterseite 17 des Kühlelements 7 sind ferner ein Fluideintritt 25 und ein Fluidaustritt 26 ausgebildet, die durch den Rahmen 12 durchgehen. Über den Fluideintritt 25 und den Fluidaustritt 26 ist der Innenraum 15 des Kühlelements 7 mit dem Fluidraum 11 des Fluidverteilers 8 fluidisch verbunden. Dazu werden - siehe auch 10 und 12 - der Fluideintritt 25 mit einem Fluideinlass 28 des Fluidverteilers 8 und der Fluidaustritt 26 mit einem Fluidauslass 29 des Fluidverteilers 8 der Kühlvorrichtung 6 fluidisch verbunden. Zum Abdichten der Kühlvorrichtung 6 sind an dem jeweiligen Rahmen 12 um den Fluideintritt 25 und um den Fluidaustritt 26 jeweils eine Dichtungskontur 27 ausgebildet. Wie in 12 gezeigt, liegt die jeweilige Dichtungskontur 27 an dem Fluidverteiler 8 um den Fluideinlass 28 oder um den Fluidauslass 29 an und dichtet die jeweilige Verbindungsstelle zwischen dem Fluidverteiler 8 und dem jeweiligen Kühlelement 7 ab.
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9 zeigt eine schematische Ansicht der Kühlvorrichtung 6 in der Akkumulatoranordnung 1. Wie oben bereits erläutert, weist die Kühlvorrichtung 6 die mehreren Kühlelemente 7 und den Fluidverteiler 8 auf. Die Kühlelemente 7 sind dabei mit dem Fluidverteiler 8 fluidisch verbunden. Die Kühlvorrichtung 6 kann dabei von dem Vorlaufanschluss 9 über den Fluidraum 11 des Fluidverteilers 8 und dann über die Fluideintritte 25, die Innenräume 15 und die Fluidaustritte 26 der Kühlelemente 7 und anschließend über die Fluideintritte 29 und den Fluidraum 11 zu dem Rücklaufanschluss 10 des Fluidverteilers 8 mit dem Kühlfluid durchströmt werden.
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10 zeigt eine schematische Ansicht des Fluidverteilers 8 der Kühlvorrichtung 6. Der Fluidverteiler 8 kann seine Form in Stapelrichtung 4 ändern, wie im Folgenden anhand 13 bis 16 näher erläutert wird. Wie oben bereits erläutert, ist der Fluidverteiler 8 von dem Vorlaufanschluss 9 zu dem Rücklaufanschluss 10 über den Fluidraum 11 durch das Kühlfluid durchströmbar. Der Fluidverteiler 8 weist eine Oberschale 30 und eine Unterschale 31 auf, die fluiddicht - bevorzugt stoffschlüssig - aneinander festgelegt sind. Der Fluidraum 11 ist dann zwischen der Oberschale 30 und der Unterschale 31 begrenzt. Der Vorlaufanschluss 9 und der Rücklaufanschluss 10 sind hier in der Oberschale 30 ausgebildet. Der Fluidverteiler 8 besteht vorzugsweise aus einem fluiddichten und diffusionsdichten Kunststoff mit einer Dicke zwischen 0,1 mm und 0,6 mm. Innerhalb des Fluidraumes 11 sind zudem mehrere Strömungskanäle 32 zum Zuleiten des Kühlfluids von dem Vorlaufanschluss 9 zu den jeweiligen Kühlelementen 7 und zum Ableiten des Kühlfluids von den jeweiligen Kühlelementen 7 zu dem Rücklaufanschluss 10 ausgebildet. Die jeweiligen Strömungskanäle 32 sind dabei als eine Tichelmann-Schaltung angeordnet, um ein gleichmäßiges Durchströmen des Kühlfluids durch den Fluidraum 11 und durch die Kühlelemente 7 zu ermöglichen.
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11 zeigt eine schematische Schnittansicht des in 5 bis 8 gezeigten Kühlelements 7 der Kühlvorrichtung 6. Wie oben bereits erläutert, weist das Kühlelement 7 den Rahmen 12 und die flexiblen Trennschichten 14 auf, die den Innenraum 15 des Kühlelements 7 begrenzen. Der Innenraum 15 ist durch das Kühlfluid durchströmbar, so dass die an den Trennschichten 14 anliegenden Auflageflächen 3 der jeweiligen benachbarten Batteriezellen 2 kühlbar sind.
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12 zeigt eine Schnittansicht der Akkumulatoranordnung 1. Hier ist die Batteriezelle 2 zwischen zwei Kühlelementen 7 der Kühlvorrichtung 6 angeordnet und liegt mit den Auflageflächen 3 an den jeweiligen Kühlelementen 7 an. Die Batteriezelle 2 tauscht dabei an den Auflageflächen 3 über die jeweiligen Trennschichten 14 die Wärme mit dem Kühlfluid in dem Innenraum 15 des Kühlelements 7 aus. Dadurch kann die Batteriezelle 2 effektiv und beidseitig gekühlt werden. Das jeweilige Kühlelement 7 ist dabei fluidisch mit dem Fluidverteiler 8 verbunden, wobei durch die jeweilige Dichtungskontur 27 die jeweilige Verbindungsstelle zwischen dem Fluideintritt 25 des Kühlelements 7 und dem Fluideinlass 28 des Fluidverteilers 8 nach außen abgedichtet ist. Auf gleiche Weise ist auch die hier nicht gezeigte jeweilige Verbindungsstelle zwischen dem Fluidaustritt 26 des Kühlelements 7 und dem Fluidauslass 29 des Fluidverteilers 8 durch die jeweilige Dichtungskontur 27 nach außen abgedichtet.
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13 bis 15 zeigen schematische Schnittansichten der Akkumulatoranordnung 1 bei der Montage und 16 zeigt die Akkumulatoranordnung 1 im Betrieb. Nach 13 - wie auch nach 9 - ist die Kühlvorrichtung 6 bereits geformt und die Kühlelemente 7 sind mit dem Fluidverteiler 8 fluidisch verbunden. Die jeweiligen Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementen 7 und dem Fluidverteiler 8 sind durch die Dichtungskonturen 27 nach außen abgedichtet. Die benachbarten Kühlelemente 7 weisen dabei in Stapelrichtung 4 einen Montageabstand AM zueinander auf, der größer als eine Zellendicke DZ in Stapelrichtung 4 ist. Zwischen den jeweiligen Fluideinlässen 28 - und auch den hier nicht gezeigten Fluidauslässen 29 - des Fluidverteilers 8 sind zudem Verformungsbereiche 33 angeordnet, die sich quer zur Stapelrichtung 4 parallel zu den Batteriezellen 2 beziehungsweise zu den Kühlelementen 7 erstrecken.
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Nach 14 sind die jeweiligen Batteriezellen 2 zwischen den Kühlelementen 7 angeordnet und stützen sich an den Haltekragen 18 an der Unterseite 17 der jeweiligen Kühlelemente 7 ab. Da der Montageabstand AM größer als die Zellendicke DZ ist, sind zwischen den Auflageflächen 3 der jeweiligen Batteriezelle 2 und den Trennschichten 14 der angrenzenden Kühlelemente 7 Spalte 34 gebildet.
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In 15 ist der Batterieblock 5 aus 14 nun in Stapelrichtung 4 verspannt. Die Auflageflächen 3 der jeweiligen Batteriezellen 2 liegen an den angrenzenden Trennschichten 14 der benachbarten Kühlelemente 7 wärmeübertragend an und können gekühlt werden. Der Fluidverteiler 8 hat sich dabei in den Verformungsbereichen 33 verformt, so dass keine unerwünschten Spannungen in dem Batterieblock 5 und in dem Fluidverteiler 8 aufgebaut sind. Da der Rahmen 12 in Stapelrichtung 4 eine vorgegebene Rahmendicke DR aufweist, sind die jeweiligen benachbarten Batteriezellen 2 in dem verspannten Batterieblock 5 in einem vorgegebenen Zellabstand AZ gleich der Rahmendicke DR zueinander festgelegt. Ferner sind die Spalte 34 in Stapelrichtung 4 geschlossen.
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In 16 ist nun die Akkumulatoranordnung 1 im Betrieb gezeigt. Infolge des Ladezustands oder der Alterung haben sich die Auflageflächen 3 der jeweiligen Batteriezellen 2 verformt. Da jedoch die Trennschichten 14 des Kühlelements 7 flexibel sind, legen sie sich unter einem durch das Kühlfluid aufgebauten Druck an die Auflageflächen 3 der Batteriezellen 2 unabhängig von deren Form an. Dadurch kann unabhängig von der Verformung der Batteriezellen 2 der Wärmetausch zwischen den Batteriezellen 2 und dem Kühlfluid in dem Innenraum 15 des Kühlelements 7 stattfinden. Ferner wird ein Überspannen des Batterieblocks 5 in Stapelrichtung 4 verhindert und der Batterieblock 5 bleibt unabhängig von der Verformung der Batteriezellen 2 mit einer konstanten Spannkraft in Stapelrichtung 4 verspannt.
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Zusammenfassend wird die Verformung der Batteriezellen 2 in der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 infolge des Ladezustands oder der Alterung nicht beschränkt und ein Überspannen des Batterieblocks 5 in Stapelrichtung 4 kann verhindert werden. Ferner bleibt der Fluidverteiler 8 spannungsfrei und dadurch kann das Risiko einer Leckage minimiert werden. Zudem können die Batteriezellen 2 effektiv und beidseitig gekühlt werden, so dass insgesamt die Lebensdauer der Batteriezellen 2 vorteilhaft verlängert werden kann. Die Kühlelemente 7 vereinigen ferner thermische und mechanische Funktionen, so dass der Gesamtaufbau der Akkumulatoranordnung 1 vereinfacht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061755 A1 [0003]
- DE 102010021922 A1 [0003]
- DE 102013206581 A1 [0004]
