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Die Erfindung betrifft eine Batteriemodulanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriemodulanordnung mindestens ein Batteriemodul und eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Batteriemoduls aufweist, wobei die Kühleinrichtung eine Kühlplatte umfasst, auf welcher das Batteriemodul angeordnet ist. Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriemodulanordnung.
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Die Temperierung von Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen erfolgt in den meisten Fällen mit metallischen Kühlplatten, durch welche entsprechende Kühlmittel durchgeleitet werden. Es sind aber auch Wärmetauscher aus Kunststoff aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die
WO 2004/053416 A1 einen thermoplastischen Wärmetauscher, der sich leicht in einen Luftsammler eines Kfz-Motors integrieren lässt und durch welchen die Korrosionsbeständigkeit erhöht, Gewicht eingespart und die Stoßdämpfung gefördert werden kann. Zur Bereitstellung des Wärmetauschers wird insbesondere auf einen flächigen Grundkörper aus thermoplastischem Kunststoff eine tiefgezogene Folie aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht, sodass zwischen der Folie und dem Grundkörper Kühlkanäle gebildet werden.
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Zur Kühlung eines Batteriemoduls ist ein solcher Wärmetauscher jedoch nicht oder nur in unzureichendem Ausmaß geeignet, da sich die Kühlkanäle dabei als hervorstehende Struktur auf der Folienoberseite abzeichnen. Dadurch kann zum Beispiel eine Modulunterseite nicht flächig an einem solchen Wärmetauscher anliegen und es bilden sich sehr große Luftzwischenräume, die thermisch isolierend wirken. Weiterhin ist es im Stand der Technik zudem üblich, um einen Toleranzausgleich zwischen der Batterie und einer Kühlplatte herzustellen, auf diese Kühlplatte einen sogenannten Gapfiller, wie beispielsweise eine Wärmeleitpaste, aufzubringen. Ein solcher Gapfiller könnte vorliegend zwar auch verwendet werden, um die Luftlücken zu schließen, jedoch bringt die Verwendung eines Gapfillers weitere Nachteile mit sich. Zum einen stellt das Aufbringen des Gapfillers einen zusätzlichen Prozessschritt dar. Zum anderen wird auch das Recycling der Batterie erschwert, da ein solcher Gapfiller das Modul teilweise verklebt. Zudem ist ein solcher Gapfiller in der Regel sehr kostspielig und verteuert damit ein Fahrzeug extrem. Selbst wenn eine flache Modulseite über einen Gapfiller mit einer flachen Kühlplatte verbunden werden soll, werden bei typischen Traktionsbatterien 30 bis 60 Kilogramm Gapfiller eingesetzt. Sind mit einem Gapfiller zusätzlich noch sehr große Oberflächenstrukturen eines Wärmetauschers zu schließen, so vervielfacht sich diese Menge nachteiligerweise.
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Darüber hinaus beschreibt die
DE 10 2014 114 024 A1 einen Wärmetauscher für eine Batterie mit Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr eines Wärmetauschermediums und einem Rahmen, der beidseitig mit Folienwänden zur Bildung einer durchströmbaren Tasche verbunden ist. Dieser Wärmetauscher wird weiterhin zwischen zwei Zellblöcken angeordnet. Ein jeweiliger Zellblock besteht dabei aus mehreren nebeneinander angeordneten Rundzellen, deren Pole über eine Kontaktplatte miteinander verbunden sind. Der Wärmetauscher liegt dabei an der Kontaktplatte der jeweiligen Zellblöcke an.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriemodulanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche auf möglichst kostengünstige Weise eine möglichst effiziente Kühlung eines Batteriemoduls erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriemodulanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung für ein Kraftfahrzeug weist mindestens ein Batteriemodul und eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Batteriemoduls auf, wobei die Kühleinrichtung eine erste Kühlplatte umfasst, auf welcher das Batteriemodul angeordnet ist. Dabei weist die erste Kühlplatte ein steifes Grundelement auf, in welchem zumindest eine Kühlmittelrinne ausgebildet ist, wobei auf einer Seite des Grundelements eine elastische Folie die zumindest eine Kühlmittelrinne überdeckend angeordnet ist, sodass ein Teil der Folie einen Teil einer die zumindest eine Kühlmittelrinne begrenzenden Wandung bildet. Dabei ist die Folie derart elastisch ausgebildet, dass sie sich, wenn die Kühlmittelrinne von einem Kühlmittel mit einem bestimmten Kühlmitteldruck durchströmt wird, ausdehnt und durch den Kühlmitteldruck gegen eine erste Seite des mindestens einen Batteriemoduls gepresst wird.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich durch die Verwendung einer elastischen Folie, die sich unter dem Kühlmitteldruck ausdehnt und gegen eine Seite des Batteriemoduls gepresst wird, gleichzeitig auch ein Toleranzausgleich in z-Richtung, das heißt in Richtung von der Kühlplatte zum Batteriemodul hin, bewerkstelligen lässt. Dadurch kann eine solche Kühlplatte mit einer derart elastischen Folie gleichzeitig auch die Funktion eines Gapfillers übernehmen. Auf die Verwendung eines Gapfillers oder im Allgemeinen irgendeines Wärmeleitelements zwischen dem Batteriemodul und der Kühlplatte kann somit vollständig verzichtet werden. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung bereitgestellt, und dies gleichzeitig auf besonders kostengünstige Weise.
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Vorzugsweise ist das steife Grundelement ebenfalls aus einem Kunststoff gebildet, sodass sich eine stabile und dichte Verbindung zwischen der elastischen Folie und der Seite des Grundelements auf besonders einfache und zuverlässige Weise bewerkstelligen lässt. Vorzugsweise gehören der Kunststoff, aus welchem das Grundelement gebildet ist, sowie zumindest ein Kunststoff, den die elastische Folie umfasst, einer gleichen oder zumindest ähnlichen Kunststoffgruppe an, sodass sich stabile Verbindungen zwischen dem Grundelement und der Folie herstellen lassen. Beispielswiese kann der Kunststoff des Grundkörpers und ein Kunststoff der Folie ein gleiches Polymer aufweisen. Im Falle eines mehrschichtigen Aufbaus der Folie, wie dieser später näher beschrieben wird, kann auch lediglich die der Seite des Grundelements zugewandte Schicht der Folie aus einem solchen hinsichtlich der Befestigung am Grundelement in seinen Eigenschaften optimierten Kunststoff gebildet sein, wie oben beschrieben. Bevorzugt sind dabei Kunststoffe wie beispielsweise Thermoplaste und/oder Elastomere. Um das Grundelement möglichst steif auszubilden, kann dieses zum Beispiel aus einem faserversteiften Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise ist die Folie so ausgebildet, dass eine elastische Deformation der Folie bereits bei einem Kühlmitteldruck von zum Beispiel 2 bar bewirkbar ist. Dies ist vorteilhaft, da die Kühleinrichtung im Betrieb von einem Kühlmittel mit einem Druck von bevorzugt zirka 2,5 bar durchströmt wird. Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Folie eine Dicke im Bereich von einschließlich 0,15 Millimetern bis einschließlich 0,50 Millimetern aufweist. Es hat sich gezeigt, dass eine elastische Folie mit einer Dicke in diesem Bereich einerseits ausreichend stabil ist, um dem Kühlmitteldruck standzuhalten, und andererseits auch besonders gute elastische Eigenschaften aufweist, um sich an die Seite des Batteriemoduls besonders fexibel anzuschmiegen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Folie derart elastisch ausgebildet ist, dass, wenn sie durch den Kühlmitteldruck gegen die erste Seite des mindestens einen Batteriemoduls gepresst wird, sich eine Oberflächenform der Folie an eine Oberflächenform der ersten Seite des mindestens einen Batteriemoduls angleicht. Durch den Kühlmitteldruck dehnt sich die Folie also wie beschrieben aus und wird gegen die erste Seite des mindestens einen Batteriemoduls gepresst und fügt sich dabei vorteilhafterweise nun gleichzeitig in eventuelle Bodenunebenheiten dieser ersten Seite des Batteriemoduls ein. Somit können Luftlücken zwischen der ersten Seite des Batteriemoduls und der Folie, beziehungsweise im Allgemeinen der Kühlplatte, geschlossen werden.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn die erste Seite des mindestens einen Batteriemoduls direkt auf der Folie angeordnet ist. Es müssen also vorteilhafterweise keine toleranzausgleichen Massen mit guten Wärmeleiteigenschaften mehr zwischen der Kühleinrichtung und dem Batteriemodul vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle auf, wobei eine erste Seite der Batteriezelle zumindest einen Teil der ersten Seite des Batteriemoduls bildet. Mit anderen Worten kann das Batteriemodul auch nur durch eine einzelne Batteriezelle bereitgestellt sein. Vorzugsweise umfasst das Batteriemodul jedoch mehrere Batteriezellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen. Unter einem Batteriemodul kann damit also beispielsweise auch eine Anordnung mehrerer Batteriezellen verstanden werden. Vorzugsweise sind diese jedoch nicht in einem Modulgehäuse angeordnet, sodass sich also vorteilhafterweise keine weitere Gehäusewand zwischen den Batteriezellen und der Folie befindet. Die Batteriezellen können also beispielsweise direkt auf die Folie aufgesetzt sein, sodass eine Seite einer Batteriezelle die Folie direkt kontaktiert. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Modulbauweise auflösen und Batteriezellen können einzeln auf die Kühlplatte aufgebracht werden beziehungsweise in die Batterie eingesetzt werden. Dies bringt wiederum ein deutlich höheres Maß an Flexibilität in Bezug auf die Ausbildungsmöglichkeiten einer solchen Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie oder Mittelvolt-Batterie, mit sich.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Folie als eine Mehrschichtverbundfolie mit mehreren Folienschichten ausgebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass einzelne Folienschichten im Hinblick auf unterschiedliche Aufgaben hin optimiert werden können. Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Folienschichten im Hinblick auf die Erfüllung jeweilig unterschiedlicher Funktionen hin optimiert sind. Mit anderen Worten weist zumindest eine erste Folienschicht im Hinblick auf eine bestimmte Funktion bessere Eigenschaften auf als die übrigen Folienschichten. Dagegen weist zum Beispiel eine zweite Folienschicht im Hinblick auf eine zweite, von der ersten verschiedenen, Funktion bessere Eigenschaften auf als die übrigen Folienschichten, und so weiter. Vorzugsweise umfassen die unterschiedlichen Funktionen mindestens eine oder zwei der Folgenden: Eine wasserdichte Funktion, eine flammhemmende Funktion und eine intrusionsresistente Funktion. Insgesamt kann die Folie damit vorteilhafterweise sowohl wasserdicht ausgebildet werden als auch schwer entflammbar, was besonders sicherheitsrelevant ist, gerade in Kombination mit Mittelvolt- beziehungsweise Hochvolt-Batterien, sowie auch reiß- und/oder stichfest und damit besonders robust gegenüber äußeren Einflüssen. Die Gefahr einer Beschädigung der Folie und ein dadurch bedingtes Auslaufen des Kühlmittels kann dadurch deutlich reduziert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung einen Sammelblock auf, der einen ersten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelzuführleitung aufweist und einen zweiten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelabführleitung, wobei der Sammelblock weiterhin mindestens einen ersten Kühlplattenanschluss und mindestens einen zweiten Kühlplattenanschluss aufweist, und die erste Kühlplatte einen mit dem ersten Kühlplattenanschluss verbundenen ersten Anschluss zur Zuführung des Kühlmittels in die Kühlmittelrinne und einen mit dem zweiten Kühlplattenanschluss verbundenen zweiten Anschluss zur Abführung des Kühlmittels aus der Kühlmittelrinne aufweist. Durch einen solchen Sammelblock lassen sich vorteilhafterweise alle Kühlmittelleitungen zentral zusammenführen. Durch die direkte Anbindungsmöglichkeit der Kühlplatte an diesen Sammelblock können vorteilhafterweise dazwischen befindliche Rohre oder Leitungen entfallen und insgesamt die Anzahl an Verbindungsstellen reduziert werden und damit vorteilhafterweise auch der Aufwand hinsichtlich der Verbindungs- und Abdichtungstechnik. Der Sammelblock kann dabei ebenfalls aus Kunststoff, insbesondere als ein einzelnes Bauteil, zum Beispiel mittels Spritzguss, gefertigt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn der Sammelblock und das Grundelement der ersten Kühlplatte einstückig ausgebildet sind. Auch dies lässt sich auf einfache Weise durch ein Spritzgussverfahren oder ähnliches bewerkstelligen. Dies stellt ebenfalls einen besonders großen Vorteil der aus Kunststoff gefertigten Kühlplatte dar, denn nur so ist es möglich, das Grundelement der Kühlplatte mit dem Sammelblock als ein einzelnes Spritzgussteil zu fertigen. Die Rinnen im Grundelement können dabei beim Spritzgießen oder auch nachträglich, zum Beispiel durch Fräsen, Lasern oder ähnliches, gefertigt werden.
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Neben der Führung der Kühlmittelleitung kann der Sammelblock noch weitere Aufgaben übernehmen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mindestens eine dem mindestens einem Batteriemodul und/oder einem im oder am Batteriemodul angeordneten Sensor zugeordnete elektrische Leitung durch den Sammelblock geführt ist. Somit können vorteilhafterweise auch Kabel des Batteriemoduls und/oder von Sensoren zum Sammelblock und von diesem weitergeführt werden. Dabei können im Allgemeinen auch Sensoren auf der Folie selbst angebracht sein, wie beispielsweise Temperatursensoren oder auch Heizdrähte zum Beheizen der Batteriemodule, wodurch eine sehr einfache sowie effektive Überwachung beziehungsweise Erwärmung des Batteriemoduls ermöglicht wird. Die Leitungen zu solchen Sensoren beziehungsweise die Anschlüsse für den Heizdraht, der beispielsweise eine Widerstandsheizung bereitstellen kann, können dann ebenfalls zum Sammelblock und durch diesen hindurch weitergeleitet werden. Der Sammelblock ermöglicht vor allem einen besonders vorteilhaften Aufbau, wenn eine Batterie mehrere Batteriemodule, insbesondere mehrere solcher Batteriemodulanordnungen aufweist. Die Sammelblöcke der jeweiligen Batteriemodulanordnungen können dann entlang einer Linie liegen, zum Beispiel entlang eines Kraftfahrzeug-Mitteltunnels, in welchem dann entsprechend durch die jeweiligen Sammelblöcke hindurchgeführt alle relevanten Leitungen, sowohl Kühlmittelleitungen als auch elektrische Leitungen, geführt werden.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung weiterhin mindestens eine zweite Kühlplatte auf, wobei der Sammelblock mindestens einen dritten Kühlplattenanschluss und mindestens einen vierten Kühlplattenanschluss aufweist, und die zweite Kühlplatte einen mit dem dritten Kühlplattenanschluss verbundenen dritten Anschluss zur Führung des Kühlmittels in die zweite Kühlplatte und einen mit dem vierten Kühlplattenanschluss verbundenen vierten Anschluss zur Abführung des Kühlmittels aus der zweiten Kühlplatte aufweist. Die zweite Kühlplatte kann dabei wie die erste Kühlplatte ausgebildet werden, das heißt auch die zweite Kühlplatte umfasst vorzugsweise ein Grundelement mit zumindest einer Kühlmittelrinne und einer darauf angeordneten elastischen Folie. Insbesondere können die erste und die zweite Kühlplatte identisch oder zumindest im Wesentlichen gleich ausgebildet sein, zum Beispiel spiegelverkehrt zueinander. Vorzugsweise sind dann diese beiden Kühlplatten auf gegenüberliegenden Seiten des Sammelblocks angeordnet.
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Durch den Sammelblock werden dann also nicht nur die entsprechenden Leitungen für die erste Kühlplatte geführt, sondern auch die für die zweite Kühlplatte, was die Effizienz des Sammelblocks weiter steigert. Auch ist es möglich, den Sammelblock zusammen mit den beiden Grundelementen der beiden Kühlplatten einstückig auszubilden, zum Beispiel als ein einzelnes Spritzgussteil, was wiederum den Dichtungsaufwand verringert. Auch auf dieser zweiten Kühlplatte kann dann entsprechend ein zweites Batteriemodul angeordnet sein, wie bereits im Zusammenhang mit der ersten Kühlplatte beschrieben.
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Ein weiterer großer Vorteil des Sammelblocks in Kombination mit der Kühlplatte besteht zudem auch darin, dass der Sammelblock auch die Funktion einer Druckplatte zum Verspannen der mindestens einen Batteriezelle übernehmen kann. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass der Sammelblock als Druckplatte für das mindestens eine Batteriemodul ausgebildet ist, wobei die Batteriemodulanordnung mindestens ein Spannelement aufweist, welches dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Batteriemodul gegen die durch den Sammelblock bereitgestellte Druckplatte zu drücken. Ein solches Spannelement kann zum Beispiel auf der dem Sammelblock gegenüberliegenden Seite des Batteriemoduls angeordnet sein, wie zum Beispiel ein Federelement, welches das Batteriemodul gegen den Sammelblock presst und beispielswiese zwischen dem Batteriemodul und einem Batteriegehäuse angeordnet ist. Zur Verspannung kann auch ein Spannband verwendet werden, welches um die Anordnung aus Sammelblock und dem mindestens einen Batteriemodul herumgeführt ist und damit das mindestens eine Batteriemodul gegen den Sammelblock drückt.
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Eine Verspannung der Batteriezellen ist besonders vorteilhaft, da so die Lebensdauer der Batteriezellen erhöht wird. Üblicherweise müssen solche Verspannungen durch separate Spannelemente wie Spannbänder in Kombination mit mehreren Druckplatten vorgenommen werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung lässt sich jedoch durch die Batteriemodulanordnung gleichzeitig auch die Verspannfunktion zur Verspannung der Batteriezellen übernehmen und dadurch zumindest eine Druckplatte, die üblicherweise zur gleichmäßigen Druckverteilung der Spannkraft auf die Fläche einer Batteriezellenseite dient, um eine Beschädigung der Batteriezelle durch zu hohen lokalen Druck zu verhindern, einsparen.
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Ermöglicht wird diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung insbesondere dadurch, dass sich gerade kein Gapfiller zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte befindet, so wie dies im Stand der Technik üblich ist, was sonst die Batteriezellen durch den Gapfiller auf der Kühlplatte fixieren würde. Die Batteriezellen müssen also verspannt werden, bevor diese als Zellpack beziehungsweise als Modul auf den auf der Kühlplatte befindlichen Gapfiller aufgesetzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung oder ihren Ausgestaltungen dagegen ist es nicht erforderlich, die Batteriezellen beziehungsweise das Batteriemodul haftend an der Folie zu befestigen. Mit anderen Worten ist eine Bewegung des Batteriemoduls bzw. einzelner Batteriezellen translatorisch auf der Folie möglich, was es auch erlaubt, die Batteriezellen durch Anpressen dieser gegen den Sammelblock zu verspannen.
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Zudem lassen sich durch den Sammelblock die Produktionskosten senken, da in diesen viel integriert werden kann, wie zum Beispiel die Verschaltung der Zellen, die Kühlung, die Vorspannung der Zellen. Die Folie kann beispielsweise auf die erste Seite des Grundelements zum Beispiel aufgeschweißt werden. Hierdurch lässt sich eine stabile und dichte Verbindung herstellen. Die Folie wird dabei insbesondere nur in Bereichen der ersten Seite des Grundelements mit diesem verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden, in welchem die mindestens eine Kühlmittelrinne nicht verläuft. Die zweite Seite des Grundelements, welche der ersten Seite gegenüberliegt, kann insbesondere eben ausgebildet sein. Zudem ist es auch bevorzugt, dass auch nur die erste Seite des Grundelements eine oder mehrere Kühlmittelrinnen aufweist und nicht die zweite Seite.
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Um die Dichtigkeit zwischen Folie und dem Grundelement weiter zu erhöhen, kann die Kühlplatte weiterhin einen das Grundelement und die Folie umlaufenden Rahmen aufweisen, welche in einem Randbereich der Kühlplatte an einem Teil einer dem Batteriemodul zugewandten Oberseite der Folie an liegt, an einer die erste Seite des Grundelements mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Grundelements verbindenden dritten Außenseite des Grundelements anliegt, sowie an einem Teil der zweiten Seite des Grundelements anliegt. Dadurch kann vorteilhafterweise die Gefahr eines Austretens des Kühlmittels zwischen der Folie und dem Grundelement im Randbereich weiter reduziert werden. Beispielsweise kann das Grundelement mit der auf der ersten Seite aufgeschweißten Folie umlaufend mit Kunststoff umspritzt werden.
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Des Weiteren gehört zur Erfindung auch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung oder eines ihrer Ausgestaltungen. Die Batterie ist dabei vorzugsweise als Mittelvolt-Batterie, insbesondere als 48-Volt-Batterie, ausgebildet oder als Hochvolt-Batterie. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Die für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemä-ße Batterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriemodulanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batteriemodulanordnung ohne dargestellte Batteriemodule gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. 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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriemodulanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriemodulanordnung 10 weist dabei mindestens ein Batteriemodul 12 auf, welches in diesem Beispiel in Form von exemplarisch vier Batteriezellen 14, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, bereitgestellt ist. Zudem weist die Batteriemodulanordnung 10 auch eine Kühleinrichtung 16 auf, die zur Kühlung des Batteriemoduls 12 ausgelegt ist. Diese Kühleinrichtung 16 umfasst dabei eine Kühlplatte 18, auf welcher das Batteriemodul 12 angeordnet ist. Diese Kühlplatte 18 umfasst dabei wiederum ein steifes, aus Kunststoff, zum Beispiel faserverstärktem Kunststoff, gebildetes Grundelement 20, in welchem zumindest eine Kühlmittelrinne 20a ausgebildet ist, auf. Diese Kühlmittelrinne 20a ist in diesem Beispiel als von einem Kühlmittel 22 durchströmt dargestellt. Nach oben, das heißt in der dargestellten z-Richtung, ist diese Kühlmittelrinne 20a durch eine elastische Folie 24, die auf einer Seite des Grundelements 20, in welcher auch die Kühlmittelrinne 20a eingebracht ist, angeordnet ist, sodass ein Teil der Folie 24 einen Teil einer die zumindest eine Kühlrinne 20a begrenzende Wandung bildet. Diese Folie 24 ist also dabei großflächig auf dieser Seite des Grundelements 20 angeordnet, und überdeckt damit die eine oder mehrere Kühlmittelrinnen 20a, sodass dadurch entsprechende eine oder mehrere Kühlkanäle gebildet werden.
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Weiterhin weist die Kühleinrichtung 16 auch einen Sammelblock 26 auf, an welchem eine Kühlmittelzuführleitung und eine Kühlmittelabführleitung an entsprechenden Anschlüssen anschließbar sind, und welcher zudem entsprechende Anschlüsse 26a aufweisen kann, an welchen korrespondierende Anschlüsse 18a der Kühlplatte 18 angeschlossen sind. Das Kühlmittel 22 kann somit durch den Sammelblock 26, insbesondere entlang eines durch den Sammelblock 26 bereitgestellten Kühlmittelkanals 26b, über die entsprechenden Anschlüsse 26a, 18a der Kühlmittelrinne 20a der Kühlplatte 18 zugeführt werden und nach Durchlaufen dieser Kühlmittelrinne 20a wieder über die entsprechenden Anschlüsse 26a, 18a aus der Kühlplatte 18 abgeführt werden und über den Sammelblock 26 einer Kühlmittelabführleitung zugeführt werden. Dabei können für die Zuführung des Kühlmittels 22 in die Kühlplatte 18 und zur Abführung des Kühlmittels 22 aus dieser Kühlplatte 18 je zwei korrespondierende Anschlusspaare 26a, 18a vorgesehen sein. Solche Anschlüsse 26a, 18a können auch lediglich einen Übergangsbereich von der Kühlplatte 18 zum Sammelblock 26 bezeichnen, ohne dass an diesem Übergangsbereich notwendigerweise eine Trennstelle zwischen dem Sammelblock 26 und der Kühlplatte 18 vorgesehen sein muss. Beispielsweise können der Sammelblock 26 und das Grundelement 20 der Kühlplatte 18 auch einstückig, zum Beispiel mit einem Spritzgussverfahren, ausgebildet sein.
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Weiterhin können durch den Sammelblock 26 auch Kabel 28 der Batteriemodule 12 und/oder von Sensoren, zum Beispiel Temperatursensoren, Stromsensoren, Feuchtigkeitssensoren und so weiter, geführt sein. Zudem kann spiegelsymmetrisch zu dem hier dargestellten Batteriemodul 12 auch ein weiteres korrespondierendes Batteriemodul auf der anderen Seite des Sammelblocks 26 angeordnet sein. Dadurch lässt sich ein besonders kompakter und effizienter Aufbau bewerkstelligen.
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Besonders vorteilhaft ist es nun, dass die Folie 24 der Kühlplatte 18 derart elastisch ausgebildet ist, dass diese sich durch den Überdruck des Kühlmittelkreislaufes, zum Beispiel eines Flüssigkeitskreislaufes, an das Zellmodul 12 anschmiegt, insbesondere an die jeweiligen Unterseiten 14a der Batteriezellen 14. Der Druck des Kühlmittels 22 liegt beim Durchströmen der Kühlkanäle beziehungsweise der Kühlmittelrinnen 20a bei zirka 2,5 bar. Dieser kann jedoch auch je nach Bedarf höher oder niedriger bemessen sein. Dies hat den großen Vorteil, dass nunmehr durch diese elastische Folie 24 die Funktion eines üblicherweise verwendeten Gapfillers übernommen werden kann und dadurch vorteilhafterweise auf so einen Gapfiller vollständig verzichtet werden kann. Dadurch, dass sich also die Folie, wenn die Kühlmittelrinnen 20a vom Kühlmittel 22 durchströmt werden, ausdehnt und durch den Kühlmitteldruck gegen die Unterseite 14a des Batteriemoduls 12 gepresst wird, kann sich also vorteilhafterweise eine Oberflächenform dieser Folie 24 an die Oberflächenform dieser Unterseite 14a des Batteriemoduls 12 angleichen und dadurch etwaige Luftlücken schließen. Dadurch wird der Wärmetransport von den Batteriezellen 14 zum Kühlmittel 22 deutlich verbessert, da Luftlücken thermisch isolierend wirken. Somit lässt sich auf vorteilhafte Weise eine aktive Kühlung mit einem Sammelblock 26 kombinieren, wobei vor allem durch die elastisch ausgebildete Folie 24 ein Toleranzausgleich in z-Richtung bereitgestellt werden kann. Die gesamte Kühleinrichtung 16 kann dabei weiterhin vorteilhafterweise aus Kunststoff, zum Beispiel mittels Spritzgussverfahren, gefertigt sein, insbesondere bis auf die Folie 24, die sich auf einfache Weise auf das Grundelement 20 aufbringen lässt, zum Beispiel aufschweißen lässt. Durch den Sammelblock 26 lässt sich zudem vorteilhafterweise auch noch eine Spannfunktion integrieren. Der Sammelblock 26 kann dazu als Druckplatte fungieren, gegen welche durch eine entsprechende Spanneinrichtung die jeweiligen Batteriezellen 14 gepresst werden können, insbesondere entgegen der dargestellten x-Richtung, was durch den Pfeil 30 veranschaulicht ist. Zudem ist auch die Möglichkeit bereitgestellt, weitere funktionale Strukturen wie beispielsweise Temperatursensoren oder auch leitende Strukturen zur Widerstandsheizung auf die Folie 24 aufzubringen, wodurch eine sehr einfache sowie effektive Überwachung beziehungsweise Erwärmung des Zellmoduls 12 ermöglicht wird. Um die Dichtheit zwischen dem Grundelement 20 und der darauf angeordneten Folie 24 noch weiter zu erhöhen, können diese am Rand auch noch durch ein klammerartiges beziehungsweise U-förmiges Dichtelement 32 umspritzt sein.
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2 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batteriemodulanordnung 10, jedoch ohne dargestellte Batteriemodule 12, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel sind nunmehr auch die beiden Hauptanschlüsse 26c des Sammelblocks 26 zu erkennen, an welche zum einen eine Kühlmittelzuführleitung 34 und eine Kühlmittelabführleitung 36 angeschlossen werden können. Weiterhin ist in diesem Beispiel der Sammelblock 26 zylindrisch ausgeführt, kann jedoch im Prinzip jede beliebige Geometrie annehmen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung zum Beispiel quaderförmig, da dann der Sammelblock 26 einfacher die Funktion einer Druckplatte wie zu 1 beschrieben übernehmen kann. In dieser Darstellung sind zudem auch die Kühlmittelrinnen 20a veranschaulicht, die, wenn sie von dem Kühlmittel 22, insbesondere dem flüssigen Kühlmittel 22, bei Überdruck durchströmt werden, durch Ausdehnung der elastischen Folie 24 als entsprechende Kühlkanalstrukturen auf der Oberfläche der Kühlplatte 18 sichtbar werden, zumindest wenn kein Batteriemodul wie in dieser Darstellung aufgesetzt ist.
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In diesem Beispiel ist die Kühlrinne 20a mäanderförmig ausgebildet und insbesondere ist pro Batteriemodul 12 eine einzelne Kühlmittelrinne 20a vorgesehen. In diesem Beispiel sind wiederum zwei Kühleinheiten links und rechts vom Sammelblock 26 zur Kühlung jeweils eines Batteriemoduls 12 vorgesehen. Eine jeweilige einer solchen Kühleinheit umfasst dabei also eine korrespondierende, mäanderförmig beziehungsweise schlangenförmig verlaufende und durch die Folie 24 verschlossene Kühlmittelrinne 20a.
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Mehrere solcher beschriebenen Batteriemodulanordnungen 10 können zudem hintereinander, insbesondere in der dargestellten y-Richtung, angeordnet sein, um einen besonders kompakten Aufbau und eine besonders effiziente Kühlung einer großen Batterie umfassend vielzählige Batteriemodule 12 bereitzustellen. Solche Batteriemodulanordnungen 10 können zum Beispiel derart in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, dass die jeweilig in y-Richtung nebeneinander angeordneten Sammelblöcke 26 entlang eines Mitteltunnels des Kraftfahrzeugs verlaufen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Batteriemodulanordnung bereitgestellt wird, die es durch die Verwendung einer elastischen und sich unter dem Kühlmitteldruck ausdehnenden Folie erlaubt, eine besonders effiziente Kühlung mit guter thermischer Anbindung an die Batteriezellen ohne die Notwendigkeit eines Gapfillers bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/053416 A1 [0002]
- DE 102014114024 A1 [0004]
