DE102018215477A1

DE102018215477A1 - Batteriesystem, Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung wenigstens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls eines derartigen Batteriesystems sowie Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem

Info

Publication number: DE102018215477A1
Application number: DE102018215477.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Gert Voigt; Johann Schneider; Florian Schels
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (50) sowie ein Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung wenigstens einer Batteriezelle (14) eines Batteriemoduls (10) eines derartigen Batteriesystems (50). Das Batteriesystem (50) umfasst ein Batteriemodul (10) mit einem Gehäuse (12) und wenigstens einer Batteriezelle (14), die innerhalb des Gehäuses (12) fixiert ist. Das Batteriemodul (10) weist einen Kühlmittelzufluss (20) und einen Kühlmittelabfluss (22) auf, die zusammen dazu eingerichtet sind, das Batteriemodul (10) mit einem Kühlmittelkreislauf (24) zu verbinden und ein Kühlmittel (26) des Kühlmittelkreislaufs (24) durch das Batteriemodul (10) zu leiten, wobei durch das Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle (14) innerhalb des Gehäuses (12) an die wenigstens eine Batteriezelle (14) angrenzende Zwischenräume (16) für einen Durchfluss des Kühlmittels (26) vorhanden sind, sodass zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle (14) von dem Kühlmittel (26) umströmbar und dadurch mit einem vorgegebenen Druck und einer vorgegebenen Temperatur beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, ein Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung wenigstens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls eines derartigen Batteriesystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem.
Ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine weist üblicherweise ein Hochvolt-Batteriemodul auf, das zum Beispiel auf Lithium-Ionen-Technologie basiert und mit der die elektrische Antriebsmaschine mit Energie versorgt wird. Dieses Hochvolt-Batteriemodul umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die beispielsweise als Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouch-Zellen ausgebildet sind, und die im Laufe ihrer jeweiligen Lebensdauern eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften, sogenannte Alterungserscheinungen, erfahren. Um die Alterungserscheinungen jeder einzelnen dieser Batteriezellen möglichst gering zu halten, sollte die Betriebstemperatur des Batteriemoduls in einem für die verwendeten Batteriezellen optimalen Temperaturbereich liegen. Zudem sollte jede der einzelnen Batteriezellen eine vorbestimmte Druckbeaufschlagung erfahren, um ein möglichst kontrolliertes Ausdehnen der jeweiligen Batteriezellen, das sogenannte Swelling, im Laufe der Zeit sowie bei Lade- und Entladevorgängen zu erreichen. Denn sowohl ein ungebremstes Swelling der Batteriezellen als auch ein vollständig unterdrücktes Swelling führen jeweils zu einer verminderten Lebensdauer einer Batteriezelle und somit zu schnelleren Alterungserscheinungen als sie eine Batteriezelle erfahren würde, die ein kontrolliertes Swelling erfährt.
In der DE 10 2013 203 615 A1 wird ein Gehäuse für mindestens ein galvanisches Element, bei dem es sich insbesondere um zumindest eine Batteriezelle handelt, beschrieben. Das Gehäuse umfasst eine Druckausgleichsvorrichtung sowie eine Temperiereinrichtung zum Kühlen und/oder Erwärmen des mindestens einen galvanischen Elements im Gehäuseinneren. Das Gehäuse ist hierbei derart ausgeführt, dass im Wesentlichen nur Luft über die Druckausgleichseinrichtung zum Druckausgleich in das Gehäuse gelangt. Bei einem bestimmten Druckunterschied zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung kann das Einlassventil der Druckausgleichseinrichtung mittels einer Steuer- oder Regeleinrichtung geöffnet werden.
In der DE 10 2016 117 080 A1 wird eine Kühlung eines Batteriesatzes eines elektrifizierten Fahrzeugs beschrieben, die mit einem optimierten Energieverbrauch und mit minimaler Auswirkung auf die Kühlung des Fahrgastraums durchgeführt wird. Hierbei wird die Batterie durch Zirkulieren eines Kühlmittels in der Batterie zu einer Kühlvorrichtung eines Klimaanlagesystems aktiv gekühlt, wenn eine Batterietemperatur über einer vorbestimmten leistungsbeschränkenden Temperatur liegt. Hierbei wird eine Kälteplatte verwendet, die sich mit Batteriezellen der Batterie in Kontakt befindet.
In der DE 10 2015 110 571 A1 wird eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf beschrieben. Hierbei wird ein Zwischendruck in einem Kältemittelkreislauf in Abhängigkeit von einer erforderlichen und gewünschten Temperatur einer Fahrzeugbatterie gesteuert. Dadurch wird letztendlich die für die Fahrzeugbatterie gewünschte Temperatur durch entsprechende Steuerung des Zwischendrucks des Kältemittelkreislaufs der Fahrzeugklimaanlage eingestellt.
In der DE 10 2009 047 695 A1 wird ein wärmeisolierendes Gehäusesystem beschrieben, das ein Gehäuse aufweist, das einen Innenraum aufweist, der zur Aufnahme eines Hochleistungsakkumulators eingerichtet ist. Dieses Gehäuse umfasst eine Doppelwand, in der ein Zwischenraum vorgesehen ist, durch den eine Flüssigkeit gepumpt werden kann. Hiermit ist eine gesteuerte Kühlung des Hochleistungsakkumulators möglich. Der Zwischenraum kann hierbei einen elastischen Wandabschnitt umfassen, der sich durch einen Druck der Flüssigkeit, die durch den Zwischenraum fließt, zumindest leicht ausbeult, um dadurch mittels Presssitz an den Akkumulator zu drücken.
Das Hochvolt-Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs weist also zum Temperieren der jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls beispielsweise eine in den Boden des Batteriemoduls integrierte Kühlplatte auf. Diese ist zum Beispiel mithilfe einer Wärmeleitpaste, einem sogenannten Gapfiller, mit den einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls verbunden. Die Wärmeverteilung innerhalb des Batteriemoduls ist hierbei jedoch inhomogen und der Wärmefluss von den jeweiligen Batteriezellen zur Kühlplatte suboptimal. Die Druckbeaufschlagung der jeweiligen Batteriezellen eines Hochvolt-Batteriemoduls erfolgt üblicherweise mittels eines Einspannens der jeweiligen Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls. Aufgrund des Swellings kommt es jedoch in jeder einzelnen Batteriezelle des Batteriemoduls im Laufe der Zeit zu einem Druckanstieg, wodurch zum einen besonders hohe Drücke entstehen und die jeweilige Batteriezelle verformt wird. Hierbei kommt es zum Beispiel zu veränderten Abständen zwischen einzelnen Batteriezellen, wodurch die elektrische Kontaktierung zwischen jeweiligen Batteriezellen erschwert und womöglich sogar im Laufe der Zeit abbricht, da sich die jeweiligen Kontaktpole der jeweiligen Batteriezellen relativ zueinander bewegen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit der einzelne Batteriezellen eines Batteriemoduls temperiert und druckbeaufschlagt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren angegeben.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst ein Batteriemodul mit einem Gehäuse und wenigstens einer Batteriezelle, die innerhalb des Gehäuses fixiert ist. Das Batteriemodul des Batteriesystems umfasst beispielsweise zumindest eine prismatische Batteriezelle, eine Rundzelle oder eine Pouch-Zelle. Diese zumindest eine Batteriezelle ist innerhalb des Gehäuses an einer vorgegebenen Position befestigt, zum Beispiel an einer Seite eines Batteriemodulgehäuses, das heißt an einer Innenseite einer Innenwand des Gehäuses des Batteriemoduls. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul einen Kühlmittelzufluss und einen Kühlmittelabfluss aufweist. Diese beiden beispielsweise als Öffnungen im Gehäuse ausgebildeten Bestandteile des Batteriemoduls sind zusammen dazu eingerichtet, das Batteriemodul mit einem Kühlmittelkreislauf zu verbinden. Dieser Kühlmittelkreislauf ist mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder einem anderen Fluid, wie zum Beispiel einem Öl, gefüllt, wobei dieses Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durch das Batteriemodul geleitet werden kann, falls das Batteriemodul mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Der Kühlmittelkreislauf ist hierbei bevorzugt Teil des Batteriesystems selbst.
Der Kühlmittelkreislauf dient dazu, die sich beispielsweise während eines Aufladens oder eines Benutzens der wenigstens einen Batteriezelle des Batteriemoduls entstehende Temperaturerhöhung dieser wenigstens einen Batteriezelle zu kompensieren, indem die wenigstens eine Batteriezelle abgekühlt wird, indem Abwärme abtransportiert wird. Im Allgemeinen kann ein Kühlmittelkreislauf aus Rohrleitungen, Pumpen und/oder einer Wärmesenke bestehen. Das im Kreislauf zirkulierende Kühlmittel wird hierbei an einer Wärmequelle entlanggeführt, bei der es sich im Falle des Batteriesystems um die wenigstens eine Batteriezelle handelt, erwärmt sich dabei und gibt die aufgenommene Wärme an die Wärmesenke wieder ab. Als Wärmesenke eignet sich beispielsweise ein Wärmetauscher. Durch das Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle innerhalb des Gehäuses sind an die wenigstens eine Batteriezelle angrenzende Zwischenräume für einen Durchfluss des Kühlmittels vorhanden, sodass zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle von dem Kühlmittel umströmbar oder anströmbar ist. Die wenigstens eine Batteriezelle ist also derart an dem Gehäuse des Batteriemoduls fixiert, dass diese wenigstens eine Batteriezelle zumindest teilweise von Hohlräumen innerhalb des Gehäuses, die mit dem Kühlmittel auffüllbar und durch die das Kühlmittel leitbar ist, umgeben ist. Bei diesen Zwischenräumen handelt es sich beispielsweise um von dem Kühlmittel ausfüllbare Bereiche innerhalb des Gehäuses zwischen der wenigstens einen Batteriezelle und einer jeweiligen Gehäusewand oder zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls, falls dieses mehrere Batteriezellen umfasst.
Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist eine vorgegebene Einstellung der Temperatur der wenigstens einen Batteriezelle sowie des auf die wenigstens eine Batteriezelle wirkenden Druck möglich. Die Temperierung erfolgt hierbei über den gesamten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle, der von dem Kühlmittel umströmbar ist, und zwar über einen direkten Wärmeaustausch zwischen einer Batteriezellwand der wenigstens einen Batteriezelle und dem an dieser Batteriezellwand vorbeiströmenden Kühlmittel. Es ist also kein zusätzlicher Wärmeübertrager, beispielsweise ein als Wärmeleiter verwendeter Gapfiller oder eine Wärmeleitpaste, nötig, um eine schnelle und homogene Kühlung der wenigstens einen Batteriezelle zu realisieren. Durch die dadurch erreichte Temperierung der wenigstens einen Batteriezelle wird sowohl der Wirkungsgrad dieser Batteriezelle als auch deren Lebensdauer erhöht, da Alterungserscheinungen aufgrund von ungleichmäßiger Temperierung reduziert werden können.
Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zudem der Druck auf die wenigstens eine Batteriezelle über deren Lebensdauer hin beliebig einstellbar, da die Batteriezelle selbst eine Druckbeaufschlagung durch den im Kühlmittel herrschenden Druck erfährt, der zum Beispiel mittels der Kühlmittelmenge im Kühlmittelkreislauf einstellbar ist. Ein Ausdehnen und Zusammenziehen der wenigstens einen Batteriezelle aufgrund von Swelling, das heißt aufgrund von Prozessen innerhalb der Batteriezelle, die beim Laden und Entladen der Batteriezelle sowie im Laufe der Zeit auftreten, kann somit besonders vorteilhaft eingestellt und gesteuert werden, da durch die Druckbeaufschlagung der optimale Druck auf die Zelle ausgeübt werden kann. Durch das gewählte Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle innerhalb des Gehäuses des Batteriemoduls ist es außerdem möglich, dass es zu keiner Schrägstellung der wenigstens einen Batteriezelle innerhalb des Batteriemoduls kommt, wodurch es zu keiner inhomogene Druckbeaufschlagung der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle aufgrund von deren Umströmung mit dem Kühlmittel kommen kann. Dies wird erreicht, da auch falls es zu einem Ausdehnen der wenigstens einen Batteriezelle aufgrund von Swelling kommt, die wenigstens einen Batteriezelle fest im Gehäuse angeordnet ist und somit nicht verrutschen und ihre Position verändern kann. Hierdurch ist zudem keine Relativbewegung zwischen einzelnen Batteriezellen im Batteriemodul möglich, sodass beispielsweise die Platine und Busbars, über die die elektrischen Pole einer Batteriezelle beispielsweise mit dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden sind, das das Batteriesystem umfasst, sowie die Balancing-Leiterplatten, die sogenannten Balancing-PCB (Printed Circuit Bord), wie sie häufig bei größeren seriellen Batteriezellverbänden verbaut werden, sich nicht relativ zueinander bewegen können, weil die einzelnen Batteriezellen im Batteriemodul jeweils separat und fest fixiert sind.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem eignet sich zum Beispiel für ein Kraftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Kraftrad, ein Wasserfahrzeug oder eine stationäre Anlage.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Batteriezelle quaderförmig ist und für das Fixieren mittels einer Befestigungseinrichtung an zumindest einer Innenwand des Gehäuses des Batteriemoduls befestigt ist. Bei der wenigstens einen Batteriezelle handelt es sich somit bevorzugt um eine prismatische Batteriezelle. Diese Batteriezelle ist an wenigstens einer Wand des Gehäuses an diesem fixiert, und zwar zum Beispiel mittels Halteblechen, die sowohl an der Innenwand des Gehäuses als auch an der Batteriezelle selbst fixiert sind. Mittels dieser Befestigungseinrichtung wird das Batteriemodul beabstandet an der Innenwand des Gehäuses gehalten, sodass jeweilige Teilbereiche der Oberflächen einiger oder aller Außenwände der wenigstens einen quaderförmigen Batteriezelle von dem Kühlmittel umströmbar sind. Besonders bevorzugt können um die ganze wenigstens eine Batteriezelle herum an diese die Zwischenräume für den Durchfluss des Kühlmittels angrenzen. Diese Zwischenräume werden nur durch die Bereiche, in denen die Befestigungseinrichtung an der Batteriezelle fixiert ist, unterbrochen. Besonders bevorzugt ist die Befestigungseinrichtung derart gewählt, dass die wenigstens eine Batteriezelle möglichst mittig im Batteriemodul angeordnet ist. Bei mehreren Batteriezellen im Batteriemodul können diese zum Beispiel parallel zueinander mittig im Batteriemodul angeordnet sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass die wenigstens eine Batteriezelle von allen Seiten von dem Kühlmittel umflossen wird, wodurch die Temperierung und die Druckbeaufschlagung der wenigstens einen Batteriezelle besonders schnell und homogen über die Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle verteilt erfolgen kann.
Alternativ zu quaderförmigen Batteriezellen können auch Rundzellen oder Pouch-Zellen in dem Gehäuse fixiert sein. Bei wenigstens einer Rundzelle, die im Batteriemodul angeordnet ist, kann diese beispielsweise ebenfalls mittels einer Befestigungseinrichtung derart angeordnet sein, dass rund um die Rundzelle herum Teilbereiche der Mantelfläche der Rundzelle von dem Kühlmittel umströmbar sind und mit Druck beaufschlagt werden können. Die wenigstens eine Rundzelle kann alternativ dazu zum Beispiel an einem Batteriedeckel der Rundzelle an einer der Innenwände des Gehäuses fixiert sein.
Alternativ zu diesem Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle kann diese auch an einer Seite, bevorzugt an einer der schmaleren Seiten, die durch eine Breite und Tiefe der Batteriezelle definiert ist und eine kleinere Fläche aufweist als die durch eine Länge und die Breite der Batteriezelle definierte Seite, an einer der Innenwände des Gehäuses befestigt sein. Die entsprechende quaderförmige Batteriezelle ist dann lediglich an drei Außenseiten sowie an einem Batteriezellendeckel sowie einem parallel dazu angeordneten Batteriezellenboden von dem Kühlmittel umströmbar. Obwohl bei einem derartigen Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle nicht alle Seiten der wenigstens einen Batteriezelle zumindest in Teilbereichen ihrer jeweiligen Oberflächen von dem Kühlmittel umströmbar sind, kann dennoch diese Anordnung besonders vorteilhaft sein, da hierdurch ein klar definierter Kühlmittelfluss durch das Batteriemodul möglich ist. Denn wenn parallel zu einer angeordneten Batteriezelle jeweils abwechseln an sich jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen an den sich gegenüberliegenden Innenwänden des Gehäuses angeordnet sind, ergibt sich ein eindeutig definierter, mäandernder Kühlmittelflussverlauf durch das Batteriemodul vom Kühlmittelzufluss zum Kühlmittelabfluss.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Batteriezellen innerhalb des Gehäuses fixiert sind. Durch das Fixieren der jeweiligen Batteriezellen auf jeweiligen Batteriezellenpositionen innerhalb des Gehäuses sowie eine jeweilige Positionierung des Kühlmittelzuflusses und des Kühlmittelabflusses des Batteriemoduls wird erreicht, dass die vom Kühlmittel umströmten Teilbereiche der Oberflächen der Batteriezellen an jeweils zueinander korrespondierenden Stellen mit einem gleichen Druck oder mit voneinander abweichenden Drücken, die jeweils einen Druckunterschied von kleiner als 20 Prozent zu einem maximalen Druckwert aufweisen, beaufschlagt sind. Die Anordnung der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Gehäuses ist also beispielsweise derart gewählt, dass zum Beispiel die durch die Höhe und die Breite der einzelnen Batteriezellen definierten Seiten aller innerhalb des Gehäuses fixierten Batteriezellen derart umströmt werden, dass diese mittels des durch das Batteriemodul geleiteten Kühlmittels den gleichen vorgegeben Druck, das heißt die gleiche Druckbeaufschlagung, erfahren. Alternativ dazu können die auf die entsprechende jeweilige Seite der Batteriezellen wirkenden Drücke etwas voneinander abweichen. Diese Abweichung ist begrenzt auf Druckwerte, die bis zu 20 Prozent von einem vorgegebenen maximalen Druckwert abweichen. Diese Druckbeaufschlagung auf einzelne Teilbereiche der Oberflächen der jeweiligen Batteriezellen erfolgt somit homogen über alle im Batteriemodul angeordneten Batteriezellen. Dies ist beispielsweise besonders einfach realisierbar, wenn die einzelnen Batteriezellen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die jeweiligen Batteriezellen jeweils abwechseln an einer der sich gegenüberliegenden Innenwände des Gehäuses befestigt sind, und zwar jeweils an einer der durch die Breite und Tiefe des jeweiligen Batteriemoduls definierten Seite. Dadurch kann das Kühlmittel zwischen den Batteriezellen mäandern, wenn das Batteriemodul mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Der Kühlmittelzufluss und der Kühlmittelabfluss sind hierbei bevorzugt senkrecht zu der durch die Höhe und Breite der Batteriezelle definierten Seite der parallel zueinander angeordneten Batteriezellen angeordnet. Der Kühlmittelzufluss und der Kühlmittelabfluss sind hierbei beispielsweise bevorzugt mittig an jeweiligen Innenwänden des Gehäuses angeordnet. Bei einer derart angeordneten Batteriezelle innerhalb des Batteriemoduls sowie bei einem derart positionierten Kühlmittelzufluss und Kühlmittelabfluss werden die einzelnen Batteriezellen an ihren jeweiligen sich jeweils entsprechenden Teilbereichen besonders homogen von dem Kühlmittel umströmt, wodurch die Druckbeaufschlagung durch das Kühlmittel eine reduzierende Auswirkung auf die Alterserscheinungen der einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls hat. Alternativ dazu können jeweils zwei Batteriezellen im Batteriemodul derart zueinander fixiert sein, dass sie sich jeweils an einer Seite derart zumindest mittelbar berühren, dass kein Kühlmittel durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Batteriemodulen strömen kann. Bei einem derartigen Doppelpack aus zwei Batteriezellen wird jeweils eine der Seiten der jeweiligen Batteriezelle nicht vom Kühlmittel umströmt und lediglich durch die andere Batteriezelle des Doppelpacks mit einem Druck beaufschlagt. Ungleichmäßige Alterungserscheinungen zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls werden somit reduziert.
Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelkreislauf einen Temperatursensor zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur aufweist. Mit diesem Sensor kann also eine aktuelle Temperatur des durch den Kühlmittelkreislauf fließenden Kühlmittels erfasst werden. Je nachdem, wie ausgelastet die wenigstens eine Batteriezelle des Batteriemoduls ist, wird diese Temperatur schwanken, sodass die vom Temperatursensor erfasste Kühlmitteltemperatur ein Anzeichen dafür darstellt, ob die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf beispielsweise nachreguliert werden sollte. Der Kühlmittelkreislauf umfasst zudem eine Temperatursteuereinheit, die dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung der erfassten Kühlmitteltemperatur mittels eines Wärmetauschers und eines Ansteuerns einer Umwälzpumpe des Kühlmittelkreislaufs eine vorgegebene Temperatur des durch das Batteriemodul geleiteten Kühlmittels einzustellen. Mittels der Temperatursteuereinheit kann somit eine gewünschte Betriebstemperatur des Batteriemoduls eingestellt werden, die daraufhin durch die mittels des Ansteuerns der Umwälzpumpe gewählte Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf und die damit verbundene Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel durch den Wärmetauscher geleitet wird, einstellbar ist. Hierdurch kann präzise und schnell angesteuert die Temperierung der wenigstens einen Batteriezelle des Batteriemoduls erfolgen. Zudem kann ein Wirkungsgrad der wenigstens einen Batteriezelle erhöht und die Alterungserscheinungen der wenigstens einen Batteriezelle können reduziert werden, das heißt deren Lebensdauer erhöht werden, wenn eine optimale Temperierung der wenigstens einen Batteriezelle, die abhängig von der Bauart und der Zellchemie dieser wenigstens einen Batteriezelle ist, erfolgt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelkreislauf einen Drucksensor zum Erfassen eines Kühlmitteldrucks aufweist. Mittels des Drucksensors wird also die Kraft erfasst, die durch das Kühlmittel pro Fläche bei der aktuellen im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Menge an Kühlmittel von dem Kühlmittel ausgeübt wird. Der Drucksensor ist zudem dazu ausgelegt, Druckverluste sowie Deformationen aufgrund von Swelling anhand des erfassten Kühlmitteldrucks festzustellen und gegebenenfalls zu diagnostizieren. Zudem weist der Kühlmittelkreislauf eine Drucksteuereinheit auf, die dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des erfassten Kühlmitteldrucks mittels eines Nachfüllbehälters und eines Ansteuerns einer Druckpumpe, eines Druckregelventils und/oder einer Druckausgleichseinheit des Kühlmittelkreislaufs einen vorgegebenen Druck einzustellen, der mittels des durch das Batteriemodul geleiteten Kühlmittels auf den jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle wirkt. Es kann also durch entsprechendes Ansteuern einzelner Komponenten des Kühlmittelkreislaufs eine gewünschte Druckbeaufschlagung auf die wenigstens eine Batteriezelle eingestellt werden. Mittels des Ansteuerns der Druckpumpe und des Druckregelventils kann Kühlmittel in den Nachfüllbehälter hinein oder aus diesem heraus in den Bereich des Kühlmittelkreislaufs, in dem mit der Umwälzpumpe das Kühlmittel zirkuliert wird, bewegt werden. Hierdurch wird also der Kühlmitteldruck im Kühlmittelkreislauf reguliert. Bei der Druckpumpe kann es sich hierbei um eine einfache kleine Stempelpumpe handeln, die beispielsweise wenige Zentimeter groß ist und immer dann, wenn der Drucksensor einen Druck erfasst, der nicht dem gewünschten auf die umströmten Teilbereiche der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle wirkenden Druck entspricht, angeschaltet werden, um den Kühlmitteldruck nachzuregeln.
Zusätzlich oder alternativ zu der Druckpumpe und dem Druckregelventil, die jeweils mit dem Nachfüllbehälter verbunden sind, kann der Druckausgleichsbehälter in den Kühlmittelkreislauf integriert sein. Dieser Druckausgleichsbehälter kann mittels einer Feder, eines Luftpolsters oder eines anderen Mechanismus ebenfalls dazu ausgelegt sein, den Kühlmitteldruck zu steuern. Bevorzugt erfolgt der Druckaufschlag auf die wenigstens eine Batteriezelle bei jedem Lade- und Entladevorgang, bei dem es zu kleinskaligem Swelling kommt, über eine entsprechende Ansteuerung des Druckausgleichsbehälters. Hierdurch kann beispielsweise die Druckpumpe entlastet werden, die dann beispielsweise lediglich Langzeiteffekte der Ausdehnung der wenigstens einen Batteriezelle aufgrund von Verschleißerscheinungen oder anderen Reaktionen der Zellchemie beeinflusst und dem dadurch bewirkten Swelling in einem gewissen Maße entgegenwirkt. Dies ist jeweils durch eine entsprechende Einstellungen des Kühlmitteldrucks im Kühlmittelkreislauf möglich. Durch den entsprechend eingestellten Kühlmitteldruck kann ebenfalls der Wirkungsgrad der wenigstens einen Batteriezelle erhöht sowie deren Alterungserscheinungen reduziert werden, wodurch die Lebensdauer der wenigstens einen Batteriezelle verglichen mit einer Batteriezelle, die nicht mit einem derartigen Kühlmittelkreislauf verbunden ist, erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass als der Kühlmittelkreislauf ein externer Fahrzeugkühlkreislauf vorgesehen ist und hierzu das Batteriesystem Außenanschlüsse für den Fahrzeugkühlkreislauf aufweist. Das Batteriemodul des Batteriesystems kann mit dem Kühlmittelzufluss und dem Kühlmittelabfluss, das heißt mit den beiden Außenanschlüssen des Batteriemoduls, in den externen Fahrzeugkühlkreislauf, zum Beispiel den Fahrzeugkühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs, integriert sein. Der Kühlmittelkreislauf, der zumindest den Temperatursensor, den Drucksensor, die Umwälzpumpe, den Wärmetauscher, den Nachfüllbehälter, die Druckpumpe sowie das Druckregelventil sowie optional den Druckausgleichsbehälter umfasst, kann somit in den externen Fahrzeugkühlkreislauf integriert sein. Ist dies der Fall, sind die genannten Komponenten des Kühlmittelkreislaufs dazu ausgelegt, eine ideale Kühlmitteltemperatur sowie einen idealen Kühlmitteldruck für den externen Fahrzeugkühlkreislauf einzustellen, die zudem vorteilhaft für die Temperierung und die Druckbeaufschlagung der wenigstens einen Batteriezelle des Batteriemoduls sind. Falls der Kühlmittelkreislauf als externer Fahrzeugkühlkreislauf ausgebildet ist, kann das Batteriemodul zum Beispiel besonders platzsparend in das Kraftfahrzeug integriert sein und zudem besonders vorteilhaft temperiert und druckbeaufschlagt werden, da kein zusätzlicher und nur für das Batteriesystem vorgesehener Kühlmittelkreislauf im Kraftfahrzeug angeordnet sein muss.
Alternativ dazu kann das Batteriesystem einen eigenen vom externen Fahrzeugkühlkreislauf getrennten und somit separaten Kühlmittelkreislaufs, der als Teil des Batteriesystems betrachtet wird, umfassen. Der Wärmetauscher dieses separaten Kühlmittelkreislaufs kann allerdings mit dem externen Fahrzeugkühlkreislauf in Verbindung stehen. Falls das gleiche Kühlmittel in beiden Kühlkreisläufen, das heißt im Kühlmittelkreislauf des Batteriesystems sowie im externen Fahrzeugkühlkreislauf, beispielsweise des Kraftfahrzeugs, verwendet wird, könnten beide Kühlkreisläufe zudem auf einen Nachfüllbehälter und somit eine Druckpumpe und ein Druckregelventil zurückgreifen. Ist dies nicht der Fall, wird ein weiterer Nachfüllbehälter mit Druckpumpe und Druckregelventil im externen Fahrzeugkühlkreislauf benötigt.
Alternativ zu einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf kann der Kühlmittelkreislauf, in den das Batteriemodul integriert ist, als offener Kühlmittelkreislauf in den Fahrzeugkühlmittelkreislauf integriert werden. Ein derartiger offener Kühlmittelkreislauf kann beispielsweise eine Differenzdruckpumpe und eine Druckregeleinheit nutzen, um energiewirksam die geforderten hohen Drücke im Bereich des wenigstens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls bereitzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Batteriesystem mehrere Batteriemodule umfasst. Die Gehäuse dieser mehreren Batteriemodule weisen jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Endplatten mit jeweiligen Befestigungselementen auf. Die wenigstens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriemodule ist somit an zwei Enden des jeweiligen Gehäuses mit jeweils einer Endplatte begrenzt. Die mehreren Batteriemodule sind nun paarweise aneinander anliegend angeordnet und an den jeweiligen Befestigungselementen der jeweiligen Endplatten aneinander befestigt. Es können somit mehrere Batteriemodule in einem fest verbundenen Verbund von Batteriemodulen angeordnet sein. Bei dieser Anordnung wird jedoch erreicht, dass jeweils der Kühlmittelabfluss eines der Batteriemodule und der jeweilige Kühlmittelzufluss des benachbart angeordneten Batteriemoduls ineinander greifen. Hierdurch wird ein jeweiliger zwischenteilfreier Kühlmittelkanal gebildet, sodass alle Batteriemodule des Batteriesystems mit dem Kühlmittelkreislauf gekoppelt sind.
Durch den beschriebenen Aufbau der jeweiligen Gehäuse der einzelnen Batteriemodule wird zunächst erreicht, dass das Ausdehnen der wenigstens einen Batteriezelle aufgrund von Swelling keinen Einfluss auf die Außenabmessungen der jeweiligen Batteriemodule hat. Denn durch die Ausmaße der Zwischenräume innerhalb der jeweiligen Batteriemodule sowie die Steuerung des Kühlmittelflusses im Kühlmittelkreislauf, insbesondere mithilfe der Druckpumpe, kann der wenigstens einen Batteriezelle derart Platz gelassen werden, dass es zu keiner Verdrängung der Endplatten und somit zu keiner Veränderung der äußeren Maße der jeweiligen Batteriemodule kommt. Hierdurch wird eine unproblematische direkt kontaktierte Aneinanderreihung der mehreren Batteriemodule ohne zusätzliche Elemente zum Toleranzausgleich zwischen den einzelnen Batteriemodulen ermöglicht. Insbesondere sollte das jeweilige Gehäuse der Batteriemodule derart stabil gebaut sein, beispielsweise aus Aluminium oder einem Stahlblech, dass auch bei einem Schockereignis, wie dies beispielsweise bei einem Unfall oder einem Zusammenstoß eines Kraftfahrzeugs, das das Batteriesystem umfasst, mit einem anderen Kraftfahrzeug erfolgen kann, die einzelnen Batteriemodule druckdicht sind, wodurch die mehreren Batteriemodul besonders stabil sind. Mittels des beschriebenen Verbindens von mehreren Batteriemodulen innerhalb des Batteriesystem ist eine skalierbare Batteriekapazität des Batteriesystems möglich, da zahlreiche Batteriemodule beliebig aneinander gereiht werden können. Durch die jeweilige Bildung der Kühlmittelkanäle ist somit eine Art Kühlrohrsteckkonzept mit dem Batteriesystem realisiert. Eine Anzahl an Batteriemodulen ist hierbei nicht vom Flächenangebot einer Kühlplatte, die bei herkömmlichen Batteriemodulen unterhalb des Batteriemoduls angeordnet ist, abhängig. Hierdurch wird eine reduzierte Bauhöhe des Batteriesystems im Vergleich zu herkömmlichen Batteriesystemen möglich, da die Kühlung der einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls im Boden des Batteriemoduls entfallen kann. Zudem ist potentiell eine höhere Packungsdichte möglich, da die einzelnen Batteriemodule unmittelbar aneinander angeordnet sein können, wodurch zum einen Bauraum, zum Beispiel innerhalb des Kraftfahrzeugs, das das Batteriesystem umfasst, gespart werden kann und zudem die einzelnen Batteriemodule untereinander abgestützt werden, wodurch eine batteriesysteminterne Toleranzkompensation hinsichtlich eines Verformens jeweiliger Batteriemodule aufgrund von Swelling ermöglicht wird. Durch die Bildung der jeweiligen Kühlmittelkanäle wird auch verhindert, dass mehrere Kühlkreisläufe zur Kühlung, das heißt zur Temperierung, sowie zur Druckbeaufschlagung mehrere Batteriemodule nötig sind, da ein Kühlmittelkreislauf ausreicht, um mehrere Batteriemodule oder sogar alle Batteriemodule des Batteriesystems vom Kühlmittel durchströmen zu lassen.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung wenigstens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls eines Batteriesystems, wie es oben beschrieben wurde, vorgesehen. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Zunächst erfolgt ein Leiten des Kühlmittels durch das Batteriemodul, wobei zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle von dem Kühlmittel umströmt wird. Das mit dem Kühlmittelkreislauf verbundene Batteriemodul wird also mittels des Kühlmittelflusses durch das Batteriemodul temperiert sowie die wenigstens eine Batteriezelle mit einem Druck beaufschlagt. Zudem wird der Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufs mittels der Drucksteuereinheit angesteuert, um die vorgegebene Temperatur des Kühlmittels einzustellen. Des Weiteren werden die Druckpumpe und das Druckregelventil sowie alternativ oder zusätzlich dazu der Druckausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs mittels der Drucksteuereinheit derart angesteuert, dass der vorgegebene Druck eingestellt wird, der mittels des durch das Batteriemodul geleiteten Kühlmittels auf einen jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle ausgeübt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit vorgesehen, dass beispielsweise fest vorgegebene Grenzwerte für die Kühlmitteltemperatur sowie den Kühlmitteldruck eingestellt werden. Die entsprechenden Steuerbefehle an die einzelnen Komponenten des Kühlmittelkreislaufs werden hierbei sowohl von der Temperatursteuereinheit als auch von der Drucksteuereinheit bereitgestellt. Bei diesen beiden Steuereinheiten kann es sich alternativ auch um eine einzelne zentrale Steuereinheit des Kühlmittelkreislaufs handeln, die sowohl den Wärmetauscher als auch die Druckpumpe, das Druckregelventil und/oder den Druckausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs ansteuern kann. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass stets ein konstanter Druck sowie eine konstante Temperatur des Kühlmittels in den entsprechenden Steuereinheiten hinterlegt sind und bei Abweichungen von diesen Sollwerten eine Regulierung der Kühlmitteltemperatur und/oder des Kühlmitteldrucks erfolgt. Minimale Alterungserscheinungen der wenigstens einen Batteriezelle sind also mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine je nach Art der Batteriezelle wählbare optimale Einstellung von Temperatur und Druck über die gesamte Lebensdauer des Geräts, das mittels des Batteriesystems mit Energie versorgt wird, möglich. Hierdurch wird ermöglicht, dass die wenigstens eine Batteriezelle des Batteriemoduls prinzipiell eine maximale Lebensdauer erreichen kann.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass mittels einer Sensoreinrichtung eine Betriebssituation eines mittels des Batteriesystems betriebenen Geräts erfasst und anhand der erfassten Betriebssituation die vorgegebene Temperatur festgelegt wird. Falls es sich bei dem mittels des Batteriesystems betriebenen Geräts zum Beispiel um ein Kraftfahrzeug handelt, kann mittels der Sensoreinrichtung des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise eine Frontkamera, eine Verortungseinrichtung eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs oder eine andere Sensoreinrichtungen zur Erfassung einer Fahrzeugumgebung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise festgestellt werden, dass in naher Zukunft das Kraftfahrzeug eine vorgegebene Steigung zu überbrücken hat. Eine Fahrt bei dieser Steigung führt in der Regel zu einer Erwärmung der wenigstens einen Batteriezelle des Batteriemoduls, da das Kraftfahrzeug eine größere Antriebsleistung benötigt, um mit der mit elektrischer Energie versorgten Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs diese Steigung zu überwinden. Eine entsprechend frühzeitige Kühlung des wenigstens einen Batteriemoduls kann nun zum Beispiel vorgegeben werden, indem eine vorgegebene besonders niedrige Temperatur des Kühlmittels mittels entsprechenden Ansteuerns des Wärmetauschers erreicht wird, sodass die wenigstens eine Batteriezelle trotz anstehender zu überbrückender Steigung auf einer konstanten und möglichst optimal gewählten Temperatur eingestellt verbleibt. Es ist somit ein vorausschauendes, intelligentes Steuern der Kühlmitteltemperatur und somit der Temperierung der wenigstens einen Batteriezelle möglich. Alternativ oder zusätzlich zu den Sensoreinrichtungen, die diese Informationen über die Betriebssituationen sowie die anstehende Fahrsituation des Kraftfahrzeugs erfassen, kann auch auf die in einem Navigationsgerät hinterlegten Datenrouten zurückgegriffen werden, wodurch besonders frühzeitig Veränderungen der Betriebssituation und damit verbundener Temperaturveränderungen der wenigstens einen Batteriezelle vorhergesagt werden können und auf diese reagiert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der vorgegebene Druck als Druckprofil festgelegt ist. Dieses Druckprofil hängt bevorzugt von der Zellchemie der wenigstens einen Batteriezelle ab. Hiermit ist gemeint, dass je nachdem, was für eine Batteriezelle als wenigstens eine Batteriezelle in dem Batteriemodul angeordnet ist, verschiedene Swellingausmaße und somit verschiedene Kühlmitteldrücke notwendig sind, um diesen Prozessen innerhalb der wenigstens einen Batteriezelle entgegenwirken beziehungsweise zumindest teilweise kompensieren zu können. Je nach Zellchemie kann beispielsweise der zum Ende der Lebensdauer des wenigstens einen Batteriemoduls erreichte Druck aufgrund von Swelling, der von der wenigstens einen Batteriezelle auf eine Umgebung der wenigstens einen Batteriezelle ausgeübt wird, um mehrere Kilonewton schwanken. Zudem kann die maximale Ausdehnung, die aufgrund von Swelling auftreten kann, von der Zellchemie abhängig sein. Falls es beispielsweise aufgrund der Zellchemie zu einer starken Ausdehnung der wenigstens einen Batteriezelle in den ersten Wochen ihrer Benutzung kommt, kann in dieser Zeit dieser Ausdehnung mit einem entsprechend groß gewählten Kühlmitteldruck entgegengewirkt werden. Falls im Laufe der Zeit diese Ausdehnung der wenigstens einen Batterie zum Beispiel zurückgeht, wodurch diese einen deutlich geringeren Druck auf ihre Umgebung auswirkt, kann der Kühlmitteldruck wieder entsprechend reduziert werden. Eine derartige Regulierung ist beispielsweise basierend auf den entsprechende Messsignale des Drucksensors des Kühlmittelkreislaufs möglich. Auf diese Messwerte des Drucksensors wird daraufhin durch entsprechendes Ansteuern der Druckpumpe, des Druckregelventils und/oder des Druckausgleichsbehälters reagiert.
Alternativ dazu ist es möglich, dass die Zellchemie bereits bekannt ist und somit ein zeitabhängiges Druckprofil für das Batteriemodul in der entsprechenden Drucksteuereinheit hinterlegt ist. Das Druckprofil kann zudem abhängig sein von einem Benutzen, das heißt von einer Auslastung sowie einer Häufigkeit von Lade- und Entladezyklen, des wenigstens einen Batteriemoduls. Entsprechend wird je nachdem, wie viel Energie wie häufig aus der wenigstens einen Batteriezelle zum Antreiben eines Geräts, wie zum Beispiel einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs sowie weiterer Verbraucher des Kraftfahrzeugs, entnommen wird, das Druckprofil möglichst optimal hinsichtlich der Druckbeaufschlagung der wenigstens einen Batteriezelle bestimmt und durch die Drucksteuereinheit umgesetzt. Der Druck auf die wenigstens eine Batteriezelle ist somit über die Lebensdauer der wenigstens einen Batteriezelle beliebig einstellbar sowie alternativ oder zusätzlich dazu für jeden Alterungszustand, das heißt jeden Verschleißzustand des wenigstens einen Batteriemoduls, programmierbar.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass mittels einer Sensoreinrichtung des Batteriemoduls ein Zustand der wenigstens einen Batteriezelle erfasst und anhand des erfassten Zustands der vorgegebene Druck festgelegt wird. Es kann also beispielsweise innerhalb des Gehäuses des Batteriemoduls und/oder auf einem Batteriezellendeckel vorgesehen sein, dass dort verschiedene Sensoreinrichtungen, beispielsweise Temperatursensoren oder ein Spannungsmessgerät, angeordnet sind, die anhand ihrer jeweiligen Messdaten die Verschleißerscheinungen der wenigstens einen Batteriezelle erfassen. Derartige Sensoreinrichtungen sind in der Regel in der Platine, die im Batteriezellendeckel angeordnet ist und an der die elektrischen Pole der Batteriezelle abgreifbar sind, angeordnet. Je nachdem welchen Zustand die wenigstens eine Batteriezelle aufweist, das heißt beispielsweise welchen Alterungszustand die wenigstens eine Batteriezelle des Batteriemoduls aufweist, kann entsprechend der Kühlmitteldruck eingestellt werden, um den Verschleiß der wenigstens einen Batteriezelle möglichst homogen über das gesamte Batteriemodul sowie hinsichtlich der Lebensdauer der wenigstens einen Batteriezelle möglichst schonend einstellen zu können.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Außerdem ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem, wie es oben beschrieben wurde, vorgesehen. Bei dem Kraftfahrzeug ist das Batteriesystem dazu ausgelegt, eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs anzutreiben. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine Querschnittsansicht eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen, das von einem Kühlmittel durchströmt ist,
2 eine Querschnittsansicht eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen, die mittels einer Befestigungseinrichtung fixiert sind, das von einem Kühlmittel durchströmt ist,
3 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Batteriemodul sowie einen Kühlm ittelkreislauf,
4 eine schematische Darstellung eines in einen Kühlmittelkreislauf integrierten Batteriemoduls, wobei der Kühlmittelkreislauf als Fahrzeugkühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, und
5 eine Querschnittsansicht eines Batteriesystems, bestehend aus mehreren Batteriemodulen.

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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 ist ein Batteriemodul 10 mit einem Gehäuse 12 skizziert, das vier Batteriezellen 14 aufweist, die innerhalb des Gehäuses 12 fixiert sind. Das Batteriemodul 10 weist einen Kühlmittelzufluss 20 sowie einen Kühlmittelabfluss 22 auf, die zusammen dazu eingerichtet sind, das Batteriemodul 10 mit einem Kühlmittelkreislauf 24, der in 1 nicht im Detail skizziert ist, zu verbinden. Durch den Kühlmittelzufluss 20 und den Kühlmittelabfluss 22 kann ein Kühlmittel 26 des Kühlmittelkreislaufs 24 durch das Batteriemodul 10 geleitet werden, wobei das Fixieren der vier Batteriezellen 14 innerhalb des Gehäuses 12 wie skizziert derart gewählt ist, dass die vier Batteriezellen 14 parallel zueinander angeordnet sind, sich dabei jedoch nicht berühren, sodass an die jeweiligen Batteriezellen 14 angrenzende Zwischenräume 16 für einen Durchfluss des Kühlmittels 26 vorhanden sind. Als Kühlmittel 26 kann beispielsweise Wasser, ein Gas mit einer fein verstäubten Flüssigkeit (Sprühkühlung) oder ein als Kühlmittel 26 geeignetes Öl verwendet werden. Dadurch wird erreicht, dass zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche der vier Batteriezellen 14 von dem Kühlmittel 26 umströmbar ist. Eine Flussrichtung des Kühlmittels 26 ist hierbei mit gestrichelten Pfeilen 28 (siehe Bezugszeichen zum ersten Pfeil 28 von links in der Nähe des Kühlmittelzuflusses 20) eingezeichnet.
Das Batteriemodul 10 weist zudem zwei Endplatten 30 auf, an denen jeweils zwei Befestigungselemente 32 angeordnet sind. Zudem weist jede Batteriezelle 14 jeweils zwei Anschlüsse 18 zum Verbinden der elektrischen Pole der jeweiligen Batteriezelle 14 beispielsweise mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs auf. Das Batteriemodul 10 ist dazu ausgelegt, zumindest dazu beizutragen, eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs anzutreiben. Alternativ dazu, könnte das Batteriemodul 10 dazu ausgelegt sein, zumindest dazu beizutragen, zum Beispiel elektrische Energie für ein Schienenfahrzeug, ein Kraftrad, ein Wasserfahrzeug oder eine stationäre Anlage bereitzustellen.
Die vier Batteriezellen 14 sind hier quaderförmig und jeweils mit einer Außenwand 15 der jeweiligen Batteriezelle 14 an einer der Innenwände 13 des Gehäuses 12 fixiert, indem sie mit dieser fest verbunden sind, wie es beispielsweise mithilfe einer stoffschlüssigen Verbindung oder einer Klebeverbindung möglich ist. Die Außenwände 15 der jeweiligen Batteriezellen 14 sowie die an die Batteriezellen 14 jeweils angrenzenden Zwischenräume 16 sowie die Anschlüsse 18 sind hierbei nur für die linke in 1 skizzierte Batteriezelle 14 eingezeichnet.
In 1 ist zudem bei der vierten Batteriezelle 14 von links mithilfe einer gestrichelten Linie skizziert, wie sich aufgrund von sogenanntem Swelling, das heißt aufgrund von Ausdehnungsprozesse der jeweiligen Batteriezellen 14 im Laufe der Lebensdauer der jeweiligen Batteriezelle 14, diese räumlich ausdehnt. Dieser äußeren Verformung der Batteriezelle 14 kann durch einen entsprechenden Druck des durch das Batteriemodul 10 fließenden Kühlmittels 26 entgegengewirkt und dieses gegebenenfalls zumindest teilweise kompensiert werden.
In 2 ist ebenfalls eine Querschnittsansicht des Batteriemoduls 10 skizziert. Hierbei sind die quaderförmigen vier Batteriezellen 14 jedoch für das Fixieren mittels einer Befestigungseinrichtung 42 an den beiden gegenüberliegenden Innenwänden 13 des Gehäuses 12 des Batteriemoduls 10 fixiert. Dabei werden diese jeweils von den Innenwänden 13 beabstandet gehalten, sodass jeweilige Teilbereiche der Oberflächen aller Außenwände 15 der vier Batteriezellen 14 von dem Kühlmittel 26 umströmbar sind. Als Befestigungseinrichtung 42 sind hierbei pro Batteriezelle 14 jeweils vier Abstandshalter skizziert, die die vier Batteriezellen 14 jeweils parallel zueinander in der Mitte des Gehäuses 12 räumlich fixieren.
Bei dem Gehäuse 12 kann es sich beispielsweise um ein elektrisch nicht leitfähiges und beispielsweise aus Kunststoff hergestelltes Gehäuse 12 handeln, das fluiddicht ist und die Batteriezellen 14 sowie die Zwischenräume 16, die mit dem Kühlmittel 26 gefüllt sind, umfasst.
Durch das Fixieren der vier Batteriezellen 14 auf ihren fest vorgegebenen Positionen innerhalb des Gehäuses 12 sowie durch die gewählte Positionierung des Kühlmittelzuflusses 20 sowie des Kühlmittelabflusses 22 im Bereich der Endplatte 30 des Batteriemoduls 10 wird erreicht, dass die vom Kühlmittel 26 umströmten Teilbereiche der Oberflächen der Batteriezellen 14 an jeweils zueinander korrespondierenden Stellen mit einem gleichen Druck oder mit voneinander abweichenden Drücken, die jeweils einen Druckunterschied von kleiner als 20 Prozent zu einem maximalen Druckwert aufweisen, beaufschlagt sind.
In 3 ist ein Batteriesystem 50 skizziert, das das bereits in 1 und 2 skizzierte Batteriemodul 10 umfasst, sowie den Kühlmittelkreislauf 24. Der Kühlmittelkreislauf 24 weist einen Temperatursensor 60 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur sowie eine Temperatursteuereinheit 62 auf. Die Temperatursteuereinheit 62 ist dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung der erfassten Kühlmitteltemperatur mittels eines Wärmetauschers 64 und eines Ansteuern einer Umwälzpumpe 66 des Kühlmittelkreislaufs 24 eine vorgegebene Temperatur des durch das Batteriemodul 10 geleiteten Kühlmittels 26 einzustellen. Mithilfe der Temperatursteuereinheit 62 wird also eine gewünschte Betriebstemperatur der Batteriezellen 14 des Batteriemoduls 10 eingestellt.
Der Kühlmittelkreislauf 24 weist zudem einen Drucksensor 70 zum Erfassen eines Kühlmitteldrucks sowie eine Drucksteuereinheit 72 auf. Die Drucksteuereinheit 72 ist dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung des erfassten Kühlmitteldrucks mittels eines Nachfüllbehälters 77 und durch ein Ansteuern einer Druckpumpe 74, eines Druckregelventils 76 und/oder einer Druckausgleichseinheit 78 einen vorgegebenen Druck einzustellen, der mittels des durch das Batteriemodul 10 geleiteten Kühlmittels 26 auf den jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle 14 ausgeübt ist. Mithilfe der Drucksteuereinheit 72 sowie der genannten weiteren Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 24 kann somit eine Druckbeaufschlagung der jeweiligen Batteriezellen 14 eingestellt werden, der letztendlich Alterungserscheinungen der einzelnen Batteriezellen 14 reduziert und mithilfe dessen eine Maßnahme gegen Swelling und für eine erhöhte Lebensdauer der jeweiligen Batteriezellen 14 ergriffen werden kann. Der Wärmetauscher 64 des Kühlmittelkreislaufs 24 kann zudem mit einem Kühlmittelkreislauf 24 eines Kraftfahrzeugs in Verbindung stehen. Der Wärmetauscher 64 weist daher eine Verbindung 80 mit dem Kühlmittelkreislauf 24 des Kraftfahrzeugs auf.
In 4 ist ein alternativer Kühlmittelkreislauf 24 skizziert, der als ein Fahrzeugkühlkreislauf 82 eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Die bereits in 3 genannten Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 24 können somit auch Bestandteile des Fahrzeugkühlkreislaufs 82 sein.
Mit dem in 3 und 4 skizzierten Kühlmittelkreislauf 24, der entweder nur Teil des Batteriesystems 50 oder Teil des Fahrzeugkühlkreislaufs 82 ist, kann ein Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung der vier Batteriezellen 14 des Batteriemoduls 10 durchgeführt werden. Hierbei wird zunächst das Kühlmittel 26 durch das Batteriemodul 10 geleitet, wodurch zumindest der Teilbereich der Oberfläche der jeweiligen Batteriezelle 14 von dem Kühlmittel 26 umströmt wird. Zudem wird der Wärmetauscher 64 mittels der Temperatursteuereinheit 62 derart angesteuert, dass die vorgegebene Temperatur des Kühlmittels 26, das heißt eine gewünschte Kühlmitteltemperatur, eingestellt ist. Außerdem werden die Druckpumpe 74, das Druckregelventil 76 sowie die Druckausgleichseinheit 78 derart von der Drucksteuereinheit 72 angesteuert, dass ein vorgegebener Druck, der mittels des durch das Batteriemodul 10 geleiteten Kühlmittels 26 auf den jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der vier Batteriezellen 14 ausgeübt wird, eingestellt wird.
Zur genauen Einstellung der Temperatur und des Drucks kann zum einen mittels einer Sensoreinrichtung des Kraftfahrzeugs, in das das Batteriesystem 50 integriert ist, eine Betriebssituation des Kraftfahrzeugs erfasst werden und anhand der erfassten Betriebssituation die vorgegebene Temperatur festgelegt werden. Der vorgegebene Druck kann zum anderen als Druckprofil festgelegt sein, der beispielsweise von einer Zellchemie der Batteriezellen 14 abhängt. Mittels einer Sensoreinrichtung des Batteriemoduls 10 kann des Weiteren ein aktueller Zustand der jeweiligen Batteriezellen 14 erfasst werden und anhand des derart erfassten jeweiligen Zustandes der vorgegebene Druck festgelegt sein. Generell kann das beschriebene Batteriesystem 50, das heißt das Batteriemodul 10 mit dem Kühlmittelkreislauf 24 beziehungsweise mit dem Fahrzeugkühlkreislauf 82, in ein Kraftfahrzeug integriert sein. Das Batteriesystems 50 ist dabei dazu ausgelegt, eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs anzutreiben.
In 5 ist ein Batteriesystem 50 skizziert, das mehrere Batteriemodule 10 umfasst. Die Gehäuse 12 dieser einzelnen Batteriemodule 10 sind jeweils aneinander anliegend angeordnet und an den jeweiligen Befestigungselementen 32 aneinander befestigt. Diese Anordnung und Befestigung ist hierbei derart ausgeführt, dass jeweils der Kühlmittelabfluss 22 eines der Batteriemodule 10 und der jeweilige Kühlmittelzufluss 20 des benachbarten Batteriemoduls 10 ineinander greifen, wodurch ein jeweiliger zwischenteilfreier Kühlmittelkanal 90 gebildet wird, sodass alle Batteriemodule 10 mit dem Kühlmittelkreislauf 24 gekoppelt sind. Die für das erste oben links in 5 skizzierte Batteriemodul 10 eingezeichneten Bezugszeichen gelten analog auch für die anderen in 5 skizzierten Batteriemodule 10.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie mit dem Batteriesystem 50 eine Maximierung einer Lebensdauer der Batteriezellen 14 mit der optimalen Einstellung von Temperatur und Druck für die gesamte Fahrzeuglebensdauer möglich ist. Es erfolgt zum einen eine optimale Temperierung durch eine möglichst vollflächige, das heißt auf zumindest den großen Außenwänden 15 der jeweiligen Batteriezellen 14 erfolgende thermische Anbindung der einzelnen Batteriezellen 14 im Batteriemodul 10 mit dem Kühlmittelkreislauf 24 mittels Umströmens mit dem Kühlmittel 26. Dies ermöglicht eine wesentlich homogenere und effektivere Temperierung durch den Stofftransport des Kühlmittels 26 um einen besonders großen Teilbereich der Oberflächen der Außenwände 15 der jeweiligen Batteriezellen 14. Zudem wird von dem Kühlmittel 26 ein optimaler Druck auf die jeweiligen Batteriezellen 14 ausgeübt, und zwar mittels eines einstellbaren Kühlmitteldrucks innerhalb des Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 ist hierbei bevorzugt als druckdichtes Gehäuse 12 ausgeführt. Druck und Temperatur des Kühlmittels 26 sind über den druckbeaufschlagten Kühlmittelkreislauf 24 regelbar. Der druckbeaufschlagte Kühlmittelkreislauf 24 kann über einen Wärmetauscher 64 die Wärme an den Fahrzeugkühlkreislauf 82 abgegeben, wie es in 3 skizziert ist, oder in den Fahrzeugkühlkreislauf 82 integriert sein, wie es in 4 skizziert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203615 A1 [0003]
DE 102016117080 A1 [0004]
DE 102015110571 A1 [0005]
DE 102009047695 A1 [0006]

Claims

Batteriesystem (50), wobei das Batteriesystem (50) ein Batteriemodul (10) mit einem Gehäuse (12) und wenigstens einer Batteriezelle (14) aufweist, die innerhalb des Gehäuses (12) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) einen Kühlmittelzufluss (20) und einen Kühlmittelabfluss (22) aufweist, die zusammen dazu eingerichtet sind, das Batteriemodul (10) mit einem Kühlmittelkreislauf (24) zu verbinden und ein Kühlmittel (26) des Kühlmittelkreislaufs (24) durch das Batteriemodul (10) zu leiten, wobei durch das Fixieren der wenigstens einen Batteriezelle (14) innerhalb des Gehäuses (12) an die wenigstens eine Batteriezelle (14) angrenzende Zwischenräume (16) für einen Durchfluss des Kühlmittels (26) vorhanden sind, sodass zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle (14) von dem Kühlmittel (26) umströmbar ist.
Batteriesystem (50) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Batteriezelle (14) quaderförmig ist und für das Fixieren mittels einer Befestigungseinrichtung (42) an zumindest einer Innenwand (13) des Gehäuses (12) des Batteriemoduls (10) befestigt ist und dabei von dieser jeweils beabstandet gehalten ist, sodass jeweilige Teilbereiche der Oberflächen einiger oder aller Außenwände (15) der wenigstens einen quaderförmigen Batteriezelle (14) von dem Kühlmittel (26) umströmbar sind.
Batteriesystem (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriezellen (14) innerhalb des Gehäuses (12) fixiert sind, wobei durch das Fixieren der jeweiligen Batteriezellen (14) auf jeweilige Batteriezellenpositionen innerhalb des Gehäuses (12) sowie durch eine jeweilige Positionierung des Kühlmittelzuflusses (20) und des Kühlmittelabflusses (22) des Batteriemoduls (10) die vom Kühlmittel (26) umströmten Teilbereiche der Oberflächen der Batteriezellen (14) an jeweils zueinander korrespondierenden Stellen mit einem gleichen Druck oder mit voneinander abweichenden Drücken, die jeweils einen Druckunterschied von kleiner als 20 Prozent zu einem maximalen Druckwert aufweisen, beaufschlagt sind.
Batteriesystem (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (24) einen Temperatursensor (60) zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur sowie eine Temperatursteuereinheit (62) umfasst, die dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung der erfassten Kühlmitteltemperatur mittels eines Wärmetauschers (64) und eines Ansteuerns einer Umwälzpumpe (66) des Kühlmittelkreislaufs (24) eine vorgegebene Temperatur des durch das Batteriemodul (10) geleiteten Kühlmittels einzustellen.
Batteriesystem (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (24) einen Drucksensor (70) zum Erfassen eines Kühlmitteldrucks sowie eine Drucksteuereinheit (72) umfasst, die dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des erfassten Kühlmitteldrucks mittels eines Nachfüllbehälters (77) und durch ein Ansteuern einer Druckpumpe (74), eines Druckregelventils (76) und/oder einer Druckausgleichseinheit (78) des Kühlmittelkreislaufs (24) einen vorgegebenen Druck einzustellen, der mittels des durch das Batteriemodul (10) geleiteten Kühlmittels (26) auf den jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle (14) wirkt.
Batteriesystem (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Kühlmittelkreislauf (24) ein externer Fahrzeugkühlkreislauf (82) vorgesehen ist und hierzu das Batteriesystem (50) Außenanschlüsse für den Fahrzeugkühlkreislauf (82) aufweist.
Batteriesystem (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (50) mehrere Batteriemodule (10) umfasst, deren Gehäuse (12) jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Endplatten (30) mit jeweiligen Befestigungselementen (32) aufweisen, und die Batteriemodule (10) paarweise aneinander anliegend angeordnet und an den jeweiligen Befestigungselementen (32) aneinander befestigt sind, wobei jeweils der Kühlmittelabfluss (22) eines der Batteriemodule (10) und der jeweilige Kühlmittelzufluss (20) des benachbarten Batteriemoduls (10) ineinander greifen, wodurch ein jeweiliger zwischenteilfreier Kühlmittelkanal (90) gebildet wird, sodass alle Batteriemodule (10) mit dem Kühlmittelkreislauf (24) gekoppelt sind.
Verfahren zum Temperieren und zur Druckbeaufschlagung wenigstens einer Batteriezelle (14) eines Batteriemoduls (10) eines Batteriesystems (50) nach den Ansprüchen 1 bis 5 in Kombination, umfassend folgende Schritte: - Leiten des Kühlmittels (26) durch das Batteriemodul (10), wobei zumindest der Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle (14) von dem Kühlmittel (26) umströmt wird; - Ansteuern des Wärmetauschers (64) des Kühlmittelkreislaufs (24) mittels der Temperatursteuereinheit (62) zum Einstellen der vorgegebenen Temperatur des Kühlmittels (26); - Ansteuern der Druckpumpe (74), des Druckregelventils (76) und/oder der Druckausgleichseinheit (78) des Kühlmittelkreislaufs (24) mittels der Drucksteuereinheit (62) zum Einstellen des vorgegebenen Drucks, der mittels des durch das Batteriemodul (10) geleiteten Kühlmittels (26) auf den jeweiligen umströmten Teilbereich der Oberfläche der wenigstens einen Batteriezelle (14) ausgeübt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensoreinrichtung eine Betriebssituation eines mittels des Batteriesystems betriebenen Geräts erfasst und anhand der erfassten Fahrsituation die vorgegebene Temperatur festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Druck als Druckprofil, das von einer Zellchemie der wenigstens einen Batteriezelle (14) abhängt, festgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensoreinrichtung des Batteriemoduls (10) ein Zustand der wenigstens einen Batteriezelle (14) erfasst und anhand des erfassten Zustands der vorgegebene Druck festgelegt wird.
Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Batteriesystem (50) dazu ausgelegt ist, eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs anzutreiben.