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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriegehäuseanordnung, insbesondere als Batteriegehäuseanordnung einer fluidtemperierbaren Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, mit einem Batteriegehäuse, das einen Innenraum zur Aufnahme einer Mehrzahl Batteriezellen umschließt; und einer Wärmeübertragungseinrichtung, die einen Einlass, einen Auslass und wenigstens einen fluidtechnisch dazwischen angeordneten Fluidkanal aufweist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung von dem Einlass über den wenigstens einen Fluidkanal zu dem Auslass von dem Fluid durchflossen werden kann; wobei der wenigstens eine Fluidkanal in dem Innenraum angeordnet ist und an seiner Kontaktseite gegen wenigstens ein Kontaktelement zu den Batteriezellen zur Wärmeübertagung pressbar ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine fluidtemperierbare Traktionsbatterie mit einer obigen Batteriegehäuseanordnung; einer Mehrzahl Batteriezellen, die in dem Batteriegehäuse der Batteriegehäuseanordnung aufgenommen sind; und wenigstens einem Kontaktelement zur Wärmeübertagung zwischen dem wenigstens einen Fluidkanal und der Mehrzahl Batteriezellen.
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Aus dem Stand der Technik sind Batteriegehäuseanordnungen für fluidtemperierbare Traktionsbatterien und entsprechende fluidtemperierbare Traktionsbatterien bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie müssen einer Mehrzahl von Anforderungen gerecht werden. So sollen die Batteriegehäuse darin aufgenommene Batteriezellen und Batteriemodule crashsicher kapseln und gegenüber einer Umgebung abschirmen. Weiter sollen die Batteriegehäuse eine kostengünstige Herstellung einer Traktionsbatterie ermöglichen und zur einfachen Wartung der in dem Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriemodule eingerichtet sein.
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Bekannte Batteriegehäuse von Traktionsbatterien sind beispielsweise aus geschweißtem oder gepresstem Stahlblech oder Aluminiumguss hergestellt. Zunehmend finden jedoch auch Kunststoffe und/oder Verbundwerkstoffe Verwendung für solche Batteriegehäuse, da sie gegenüber Metallen beispielsweise ein geringeres Gewicht aufweisen.
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Aktuelle Traktionsbatterien weisen eine hohe Temperaturempfindlichkeit auf. Da ein Strom durch die Traktionsbatterien Wärme erzeugt, sind üblicherweise Batteriekühlelemente in dem Gehäuse angeordnet, welche als Wärmetauscher die Wärme der Batteriemodule aufnehmen und aus dem Batteriegehäuse transportieren. Darüber hinaus ist es beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen vorteilhaft, die Traktionsbatterien möglichst schnell auf eine geeignete Betriebstemperatur zu erwärmen. Dies betrifft sowohl das Laden wie auch das entladen der Traktionsbatterien.
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Zum Temperieren der Traktionsbatterien werden typischerweise Fluide verwendet, also Gase oder vorzugsweise Flüssigkeiten. Dabei kann eine Wärmeübertragung von dem Fluid zu den Batteriezellen oder umgekehrt erfolgen. Alternativ kann auch ein Kältekreislauf vorgesehen sein, in dem das Fluid seinen Aggregatzustand ändert, um Wärme zum Verdampfen aufzunehmen oder Wärme beim Kondensieren abzugeben. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Temperierung der Traktionsbatterie.
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Um eine ausreichende Wärmeübertragung sicherzustellen, kann der Kontakt zwischen Fluidkanal und dem Kontaktelement durch eine zusätzliche Anpresskraft verbessert werden. Dazu sind im Stand der Technik elastische Federelemente bekannt. Diese sind jedoch aufwendig in der Herstellung und erzeugen eine permanente mechanische Belastung. Insbesondere bei Batteriegehäusen mit einer geringen Steifigkeit kann diese mechanische Belastung problematisch sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batteriegehäuseanordnung und eine fluidtemperierbare Traktionsbatterie mit einer solchen Batteriegehäuseanordnung bereitzustellen, welche die obigen Nachteile zumindest teilweise überwinden, und die insbesondere einfach herzustellen sind und eine hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit aufweisen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Batteriegehäuseanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Batteriegehäuseanordnung sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Genaueren wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Batteriegehäuseanordnung, insbesondere als Batteriegehäuseanordnung einer fluidtemperierbaren Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, mit einem Batteriegehäuse, das einen Innenraum zur Aufnahme einer Mehrzahl Batteriezellen umschließt; und einer Wärmeübertragungseinrichtung, die einen Einlass, einen Auslass und wenigstens einen fluidtechnisch dazwischen angeordneten Fluidkanal aufweist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung von dem Einlass über den wenigstens einen Fluidkanal zu dem Auslass von dem Fluid durchflossen werden kann; wobei der wenigstens eine Fluidkanal in dem Innenraum angeordnet ist und an seiner Kontaktseite gegen wenigstens ein Kontaktelement zu den Batteriezellen zur Wärmeübertagung pressbar ist; gelöst.
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Die erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ausdehnungselement vorgesehen ist, dass durch eine Beaufschlagung des Fluids in der Wärmeübertragungseinrichtung mit einem Druck eine Ausdehnung erfährt, um den wenigstens einen Fluidkanal durch Abstützung an einer Abstützfläche gegen das wenigstens eine Kontaktelement zu pressen.
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Der zur Verfügung stehende Fluiddruck in der Wärmeübertragungseinrichtung wird also zur Erzeugung einer Anpresskraft des wenigstens einen Fluidkanals an das Kontaktelement genutzt. Dadurch kann eine flächige Wärmeübertragung sichergestellt werden. Auf den Einsatz mechanischer Federelemente zur Anpressdruckerzeugung kann verzichtet werden. Bei der erfindungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung wird eine mechanische Belastung dadurch reduziert, dass der wenigstens eine Fluidkanal lediglich bei Verwendung, d.h. bei einer Beaufschlagung mit dem Fluid unter Druck, gegen das Kontaktelement gepresst wird. Dadurch bleibt der Fluidkanal bei Nichtbenutzung ohne mechanische Belastung. Entsprechendes gilt für eine Abstützfläche, an welcher sich das Ausdehnungselement abstützt, und mechanisch damit verbundene Bauteile. Damit ist die mechanische Belastung im Gegensatz zu der Verwendung von elastischen Federelementen immer nur zeitweilig wirksam. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung von Kunststoffbauteilen, da diese bei einer dauerhaften mechanischen Belastung zum Kriechen und einer dauerhaften Deformation neigen. Auch kann durch ein verbessertes Pressen des wenigstens einen Fluidkanals gegen das Kontaktelement eine Reduzierung der Dicke dieses Kontaktelements und damit des Wärmewiderstandes zwischen dem wenigstens einen Fluidkanal und den Batteriezellen erfolgen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung liegt in der Kompensation von Bauteiltoleranzen und Bauteildeformation im Betrieb, wobei sich letztere automatisch unter Last, d.h. bei Beaufschlagung mit dem Fluid, ergibt. Somit kann das Laden bzw. Entladen der Traktionsbatterie zuverlässig durchgeführt werden. Gleichzeitig weist die Wärmeübertragungseinrichtung eine hohe Wiederverwendbarkeit auf, da sich die Anpassung in Bezug auf das Pressen des wenigstens einen Fluidkanals prinzipiell nicht erforderlich ist.
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Darüber hinaus kann durch das Pressen des wenigstens einen Fluidkanals gegen das wenigstens eine Kontaktelement eine Kraftübertragung erfolgen, die darüber hinaus sicherstellt, dass auch die Batteriezellen in thermischem Kontakt mit dem Kontaktelement sind. Typischerweise sind die Batteriezellen von einer dem wenigstens Fluidkanal entgegengesetzten Seite in thermischem Kontakt mit dem Kontaktelement.
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Das Fahrzeug kann ein beliebiges Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb sein, beispielsweise ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder ein sogenanntes Hybridfahrzeug mit einem elektrischen und einem weiteren Antrieb, beispielsweise einem Verbrennungsmotor. Anzahl und Anordnung von elektrischen Antriebsmotoren in dem Fahrzeug ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.
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Das Batteriegehäuse kann beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein mit einer Bodenwanne und einem Deckel, so dass das Batteriegehäuse nach dem Einbringen der Batteriezellen verschlossen werden kann. Außerdem kann das Batteriegehäuse geöffnet werden, um Zugriff zu den Batteriezellen zu ermöglichen. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise aus Metall gefertigt sein. Vorzugsweise ist das Batteriegehäuse jedoch aus einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt, so dass das Batteriegehäuse mit einem geringen Gewicht hergestellt werden kann.
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Da die mechanische Belastung durch das Anpressen des wenigstens einen Fluidkanals nur temporär vorliegt, kann dabei eine Reduzierung von Toleranzanforderungen das Batteriegehäuse erfolgen. Auch ist eine Reduzierung von Steifigkeitsanforderungen an das Batteriegehäuse möglich, wodurch Gewicht eingespart werden kann. Dabei kann auch eine Gefahr von Sagging reduziert werden.
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Die Wärmeübertragungseinrichtung umfasst einen Einlass und einen Auslass, durch die das Fluid zirkuliert. Einlass und Auslass können aus dem Batteriegehäuse geführt sein, oder alternativ in dem Batteriegehäuse liegen, beispielsweise um eine Verteilung des Fluids in dem Batteriegehäuse durchzuführen, insbesondere bei der Anordnung der Batteriezellen in mehreren Ebenen. Der wenigstens eine Fluidkanal dient als Wärmetauscher, um Wärme von dem Kontaktelement aufzunehmen und/oder daran abzugeben, abhängig von einem Betrieb der Wärmeübertragungseinrichtung. Dadurch können die Batteriezellen temperiert werden, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen und ihre maximale Speicherkapazität zur Verfügung zu stellen.
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Das Fluid kann ein Gas oder vorzugsweise eine Flüssigkeit sein. Dabei kann eine Wärmeübertragung von dem Fluid über den wenigstens einen Fluidkanal und das wenigstens eine Kontaktelement zu den Batteriezellen oder umgekehrt erfolgen. Alternativ kann auch ein Kältekreislauf vorgesehen sein, in dem das Fluid seinen Aggregatzustand ändert, um Wärme zum Verdampfen aufzunehmen oder Wärme beim Kondensieren abzugeben. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Temperierung der Batteriezellen.
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Der wenigstens eine Fluidkanal ist in dem Innenraum angeordnet zur Übertragung von Wärme an das wenigstens eine Kontaktelement bzw. zur Aufnahme von Wärme von dem wenigstens einen Kontaktelement. Das wenigstens eine Kontaktelement ist wiederum in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen zur weiteren Wärmeübertragung. Das wenigstens eine Kontaktelement ist typischerweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium. Der wenigstens eine Fluidkanal ist rohrartig ausgeführt und weist eine Kontaktseite auf, die das Kontaktelement kontaktiert, um einen guten thermischen Kontakt damit herzustellen. Die Kontaktseite ist vorzugsweise eine ebene Wand des wenigstens einen Fluidkanals. Besonders bevorzugt weist der wenigstens eine Fluidkanal einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Wände des wenigstens einen Fluidkanals sind formstabil. Auch der wenigstens eine Fluidkanal ist typischerweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium. Mehrere Fluidkanäle können in prinzipiell beliebiger Weise parallel und/oder in Reihe verbunden sein. Ein Fluidkanal oder eine Mehrzahl Fluidkanäle können insgesamt mäanderförmig ausgeführt bzw. angeordnet sein.
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Das wenigstens eine Ausdehnungselement ist elastisch verformbar, um die Ausdehnung zu ermöglichen. Beispielsweise kann das wenigstens eine Ausdehnungselement aus einem Kunststoffmaterial oder einem Gummimaterial hergestellt sein. Das wenigstens eine Ausdehnungselement wird durch den Druck des Fluids beim Betrieb der Wärmeübertragungseinrichtung ausgedehnt, wodurch der wenigstens eine Fluidkanal gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst wird. Die Abstützung des wenigstens einen Ausdehnungselements erfolgt dabei an der Abstützfläche, die eine ausreichende Stabilität aufweist. Dabei kann ein gewünschter mechanischer Druck, mit dem der wenigstens eine Fluidkanal gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst wird, über die Anzahl der Ausdehnungselemente, deren Anordnung sowie deren Form und/oder deren Größe eingestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine Ausdehnungselement an einer der Kontaktseite gegenüberliegenden Abstützseite des wenigstens einen Fluidkanals angeordnet, um den wenigstens einen Fluidkanal durch Abstützung an der Abstützfläche gegen das wenigstens eine Kontaktelement zu pressen. Dadurch wird der wenigstens eine Fluidkanal in seiner Gesamtheit von der Abstützfläche gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst. Eine Veränderung des Querschnitts des wenigstens einen Fluidkanals wird vermieden, so dass der Durchfluss des Fluids durch den wenigstens einen Fluidkanal nicht beeinträchtigt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der wenigstens eine Fluidkanal in seiner Kanalwandung wenigstens eine Aussparung auf, und das wenigstens eine Ausdehnungselement ist in der Aussparung der Kanalwandung angeordnet und ausgeführt, um sich durch eine Druckbeaufschlagung in dem wenigstens einen Fluidkanal auszudehnen. Das wenigstens eine Ausdehnungselement kann beispielsweise in die Aussparung eingesetzt sein. Dabei umgreift das wenigstens eine Ausdehnungselement vorzugsweise die Kanalwandung innenseitig wie auch außenseitig. Alternativ kann das wenigstens eine Ausdehnungselement innenseitig oder außenseitig an dem wenigstens einen Fluidkanal im Bereich der jeweiligen Aussparung angeordnet sein. Dabei kann eine Mehrzahl Ausdehnungselemente durch ein einzelnes elastisches Element gebildet werden, beispielsweise durch eine Gummibahn, die innenseitig in dem wenigstens einen Fluidkanal angeordnet ist und eine Mehrzahl Aussparungen überdeckt. Das wenigstens eine Ausdehnungselement kann sich bereits ohne Beaufschlagung des Fluids mit einem Druck durch die Aussparungen erstrecken, oder erst nach der Beaufschlagung des Fluids mit einem Druck. Eine Druckerhöhung in dem wenigstens einen Fluidkanal bewirkt unmittelbar ein Ausstülpen des wenigstens einen Ausdehnungselements.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist weist der wenigstens eine Fluidkanal in seiner Kanalwandung eine Mehrzahl Aussparungen auf, in denen jeweils ein Ausdehnungselement angeordnet ist, wobei die Mehrzahl Aussparungen mit den Ausdehnungselementen vorzugsweise in wenigstens einer Reihe angeordnet sind. Bei einer Mehrzahl Aussparungen und Ausdehnungselemente kann der wenigstens eine Fluidkanal gleichmäßig gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst werden. Außerdem kann eine Anpassung an verschiedene Ausgestaltungen der Abstützfläche oder eine Verformung der Abstützfläche erfolgen. Eine große Zahl von Ausdehnungselementen ermöglicht typischerweise eine sehr genaue Anpassung an die Abstützfläche, auch wenn diese eine Verformung im Betrieb erfährt. Abhängig von der Form des wenigstens einen Fluidkanals und den Aussparungen kann eine Ausgestaltung des wenigstens einen Fluidkanals mit mehreren Reihen Aussparungen bevorzugt sein, um eine gleichmäßige Pressung zu erzielen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Mehrzahl Aussparungen jeweils eine Kreisform oder eine Rechteckform auf. Solche Aussparungen können einfach in dem wenigstens einen Fluidkanal hergestellt werden. Auch die Herstellung entsprechend geformter Ausdehnungselemente ist einfach möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine Ausdehnungselement zwischen dem wenigstens einen Fluidkanal und der Abstützfläche positioniert; und das wenigstens eine Ausdehnungselement ist in Fluidverbindung mit dem Einlass, dem Auslass und/ oder dem wenigstens einen Fluidkanal. Das wenigstens eine Ausdehnungselement ist also außerhalb des wenigstens einen Fluidkanals positioniert, nämlich zwischen dem wenigstens einen Fluidkanal und der Abstützfläche. Dadurch wird der wenigstens eine Fluidkanal insgesamt gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst. Eine Veränderung des Querschnitts des wenigstens einen Fluidkanals wird vermieden. Das wenigstens eine Ausdehnungselement kann beispielsweise nach der Art eines Ballons oder eines Kissens ausgeführt sein. Das wenigstens eine Ausdehnungselement kann an prinzipiell beliebiger Stelle mit der Wärmeübertragungseinrichtung verbunden sein. Mehrere Ausdehnungselemente können dabei gemeinsam oder jeweils individuell mit der Wärmeübertragungseinrichtung verbunden sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das wenigstens eine Ausdehnungselement in einer Bypassleitung parallel zu dem wenigstens einen Fluidkanal angeordnet. Die Bypassleitung weist dabei vorzugsweise eine kleinere Querschnittsfläche als der wenigstens eine Fluidkanal auf. Entlang der Bypassleitung sind vorzugsweise eine Mehrzahl Ausdehnungselemente angeordnet. Alternativ kann die Bypassleitung insgesamt als Ausdehnungselement ausgeführt sein, beispielsweise als elastisch verformbarer Schlauch.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Abstützfläche eine Innenfläche einer Gehäusewandung des Batteriegehäuses, vorzugsweise eine Innenfläche einer Bodenwandung des Batteriegehäuses. Ein separates Bauteil zur Bereitstellung der Abstützfläche ist somit nicht erforderlich. Bei der Abstützung an der Innenfläche der Bodenwandung können Verformungen des Gehäuses durch die nur temporären mechanischen Belastungen reduziert werden. Gleichzeitig erfolgt durch die Ausdehnungselemente eine zuverlässige Anpassung an die Innenfläche der Bodenwandung, so dass der wenigstens eine Fluidkanal zuverlässig gegen das wenigstens eine Kontaktelement gepresst werden kann. Bei der Verwendung der Innenfläche der Bodenwandung als Abstützfläche wird durch die Schwerkraft der Batteriezellen eine Gegenkraft erzeugt, wodurch der thermische Kontakt zwischen dem wenigstens einen Kontaktelement und dem wenigstens einen Fluidkanal besonders zuverlässig realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind eine Mehrzahl Kontaktelemente zur Wärmeübertagung mit den Batteriezellen vorgesehen, vorzugsweise ein Kontaktelement für jede Batteriezelle; und der wenigstens eine Fluidkanal ist an seiner Kontaktseite gegen die Mehrzahl Kontaktelemente pressbar. Damit kann eine besonders zuverlässige Kontaktierung der Kontaktelemente durch den wenigstens einen Fluidkanal erreicht werden, indem das Anpressen des wenigstens einen Fluidkanals jeweils lokal angepasst werden kann. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl Fluidkanäle individuell gegen die Mehrzahl Kontaktelemente pressbar, besonders bevorzugt ist jeder Fluidkanal individuell gegen ein Kontaktelement pressbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Wärmeübertragungseinrichtung eine Mehrzahl Fluidkanäle auf, die an ihren Kontaktseiten gegen das wenigstens eine Kontaktelement pressbar sind. Damit kann eine besonders zuverlässige Kontaktierung der Kontaktelemente durch den wenigstens einen Fluidkanal erreicht werden, indem das Anpressen des jeweiligen Fluidkanals lokal angepasst werden kann. Die Fluidkanäle können fest mechanisch miteinander gekoppelt sein. Alternativ können die einzelnen Fluidkanäle zueinander beweglich angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Mehrzahl Fluidkanäle individuell gegen eine Mehrzahl Kontaktelemente pressbar, besonders bevorzugt ist jeder Fluidkanal individuell gegen ein Kontaktelement pressbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Batteriegehäuse eine Abstützplatte angeordnet, und die Abstützfläche ist eine Fläche der Abstützplatte, wobei die Abstützplatte vorzugsweise eine Zwischenwand oder eine Mittelwand des Batteriegehäuses bildet. Prinzipiell ist es also nicht erforderlich, dass eine Gehäusewandung des Batteriegehäuses die Abstützfläche bereitstellt. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Anordnung der Batteriezellen in mehreren Ebenen, so dass die Fluidkanäle jeweils unabhängig von der Anordnung der Batteriezellen und der Kontaktelemente gegen die jeweiligen Kontaktelemente gepresst werden können. Dabei bewirkt die Abstützplatte zusätzlich eine strukturelle Verstärkung des Batteriegehäuses.
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Weiter vorzugsweise sind die Mehrzahl Batteriezellen in wenigstens zwei Ebenen in dem Innenraum angeordnet; jeder Ebene ist eine Wärmeübertragungseinrichtung zugeordnet; und jeder Fluidkanal ist an seiner Kontaktseite gegen ein Kontaktelement zu den Batteriezellen einer Ebene zur Wärmeübertagung pressbar. Es wird entsprechend eine Anordnung der Batteriezellen in mehreren Ebenen in dem Innenraum gebildet. Dabei wird sichergestellt, dass die Batteriezellen jeder Ebene zuverlässig temperiert werden können, indem sie jeweils in thermischem Kontakt mit dem der Ebene zugeordneten wenigstens einen Fluidkanal sind. Die Anordnung der Batteriezellen in mehreren Ebenen eröffnet ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit für die Traktionsbatterie. Vorzugsweise sind zwei benachbarte Ebenen so ausgestaltet, dass auf beiden Seiten eines Abstützelements, beispielsweise einer Abstützplatte, zunächst eine Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist, an die sich jeweils ein Kontaktelement anschließt. Daran wiederum schließen sich die Batteriezellen der entsprechenden Ebene an.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt außerdem durch eine fluidtemperierbare Traktionsbatterie mit einer obigen Batteriegehäuseanordnung; einer Mehrzahl Batteriezellen, die in dem Batteriegehäuse der Batteriegehäuseanordnung aufgenommen sind; und wenigstens einem Kontaktelement zur Wärmeübertagung zwischen dem wenigstens einen Fluidkanal und der Mehrzahl Batteriezellen.
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Die obigen Ausführungen in Bezug auf Vorteile und Ausgestaltungsformen der Batteriegehäuseanordnung gelten entsprechend für die fluidtemperierbare Traktionsbatterie mit dieser Batteriegehäuseanordnung.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:
- 1: eine teilweise Darstellung einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Batteriegehäuseanordnung und einer Mehrzahl Batteriezellen, wobei die Batteriegehäuseanordnung eine Wärmeübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl Fluidkanäle aufweist, in einer seitlichen Schnittansicht;
- 2: eine schematische Darstellung der Mehrzahl Fluidkanäle der Traktionsbatterie des ersten Ausführungsform, wobei die Fluidkanäle benachbart angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl kreisförmige Ausdehnungselemente aufweisen;
- 3: eine schematische Darstellung einer Mehrzahl Fluidkanäle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Fluidkanäle benachbart angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl rechteckförmige Ausdehnungselemente aufweisen; und
- 4: eine teilweise Darstellung einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Batteriegehäuseanordnung und einer Mehrzahl Batteriezellen, wobei die Batteriegehäuseanordnung eine Wärmeübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl Fluidkanäle aufweist, in einer seitlichen Schnittansicht.
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In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bzw. gleiche Merkmale, so dass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, sodass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird. Ferner sind einzelne Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat in anderen Ausführungsformen verwendbar.
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1 zeigt eine fluidtemperierbare Traktionsbatterie 1 für ein Fahrzeug gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug kann ein beliebiges Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb sein, beispielsweise ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder ein sogenanntes Hybridfahrzeug mit einem elektrischen und einem weiteren Antrieb, beispielsweise mit einem Verbrennungsmotor. Das Fahrzeug kann eine beliebige Anordnung von Elektromotoren aufweisen.
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Die Traktionsbatterie 1 umfasst eine Batteriegehäuseanordnung 2 und eine Mehrzahl Batteriezellen 3. Die Batteriegehäuseanordnung 2 umfasst ein Batteriegehäuse 4, das einen Innenraum 5 zur Aufnahme der Batteriezellen 3 umschließt. Das Batteriegehäuse 4 der ersten Ausführungsform ist aus einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundwerkstoff mit einem geringen Gewicht hergestellt.
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Die Batteriegehäuseanordnung 2 umfasst weiterhin eine Wärmeübertragungseinrichtung 6, die einen Einlass, einen Auslass und eine Mehrzahl fluidtechnisch dazwischen angeordnete Fluidkanäle 7. Die Fluidkanäle 7 sind rohrartig mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt. Die Wände der Fluidkanäle 7 sind formstabil aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium. Die Fluidkanäle 7 sind in prinzipiell beliebiger Weise parallel und/oder in Reihe verbunden. Die Fluidkanäle 7 sind in dem Innenraum 5 angeordnet. Die Fluidkanäle 7 können fest mechanisch miteinander gekoppelt sein. Alternativ können die einzelnen Fluidkanäle 7 zueinander beweglich angeordnet sein.
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Die Wärmeübertragungseinrichtung 6 wird von dem Einlass über die Fluidkanäle zu dem Auslass von einem Fluid 8 durchflossen. Das Fluid 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Gas oder vorzugsweise eine Flüssigkeit. Die Fluidkanäle 7 sind in dem Innenraum 5 angeordnet. Einlass und Auslass können aus dem Batteriegehäuse 4 geführt sein, oder alternativ in dem Batteriegehäuse 4 liegen, beispielsweise um eine Verteilung des Fluids 8 in dem Batteriegehäuse 4 durchzuführen.
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Die Traktionsbatterie 1 umfasst außerdem ein Kontaktelement 9, das an seiner Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 in thermischem Kontakt mit einer Kontaktseite 10 der Fluidkanäle 7 ist, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Kontaktelement 9 und den Fluidkanälen 7 zu ermöglichen. Das Kontaktelement 9 ist in dieser Ausführungsform aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium. Die Fluidkanäle 7 kontaktieren das Kontaktelement 9 mit der Kontaktseite 10, um einen guten thermischen Kontakt damit herzustellen. Die Kontaktseite 10 ist eine ebene Wand des jeweiligen Fluidkanals 7. Außerdem ist das Kontaktelement 9 in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen 3 zur Wärmeübertragung.
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Die Fluidkanäle 7 bilden zusammen einen Wärmetauscher, um Wärme von dem Kontaktelement 9 aufzunehmen und/oder daran abzugeben, abhängig von einem Betrieb der Wärmeübertragungseinrichtung 6. Dadurch können die Batteriezellen 3 temperiert werden, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen und ihre maximale Speicherkapazität zur Verfügung zu stellen. Entsprechend erfolgt die Wärmeübertragung von dem Fluid 8 über die Fluidkanäle 7 und das Kontaktelement 9 weiter zu den Batteriezellen 3 oder umgekehrt. Das Kontaktelement 9 dient also zur Wärmeübertagung zwischen den Fluidkanälen 7 und den Batteriezellen 3.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weist der sind in den Fluidkanälen 7 mehrere Ausdehnungselemente 11 ausgebildet. Die Ausdehnungselemente 11 sind elastisch verformbar, um eine Ausdehnung zu ermöglichen. Beispielsweise können die Ausdehnungselemente 11 aus einem elastischen Kunststoffmaterial oder einem elastischen Gummimaterial hergestellt sein. Dazu sind in den Fluidkanälen 7 an einer der Kontaktseite 10 gegenüberliegenden Abstützseite 12 der Fluidkanäle 7 jeweils zwei Reihen mit Aussparungen 13 angeordnet, in denen jeweils ein Ausdehnungselement 11 angeordnet ist. Die Aussparungen 13 und die Ausdehnungselemente 11 weisen jeweils eine Kreisform auf, wie sich aus 2 ergibt.
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Die Ausdehnungselemente 11 sind dabei von einer Innenseite der Fluidkanäle 7 in die Aussparungen 13 eingesetzt. Dabei liegen die Ausdehnungselemente 11 innenseitig mit einem Flanschbereich 21 an den Fluidkanälen 7 an und erstrecken sich bereits ohne Beaufschlagung des Fluids 8 mit einem Druck durch die Aussparungen 13.
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Eine Druckerhöhung in den Fluidkanälen 7, d.h. eine Beaufschlagung des Fluids 8 mit einem Druck, bewirkt eine Ausdehnung der Ausdehnungselemente 11, wie in 1 dargestellt ist. Dabei wird eine freie Wandung 14, die nicht an dem jeweiligen Fluidkanal 7 anliegt, durch den Druck nach außen gewölbt, wie in 1 für das rechtsseitige Ausdehnungselement 11 dargestellt ist.
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Die Ausdehnung der Ausdehnungselemente 11 bewirkt in dieser Ausführungsform die Bildung einer Ausstülpung 15. Durch die Beaufschlagung des Fluids 8 in der Wärmeübertragungseinrichtung 6 mit einem Druck erfahren die Ausdehnungselemente 11 also eine Ausdehnung, wodurch sich die Ausstülpungen 15 bilden. Die Ausstülpungen 15 dehnen sich in dieser Ausführungsform durch die Druckbeaufschlagung des Fluids 8 bis zu einer Innenfläche 16 einer Bodenwandung 17 des Batteriegehäuses 4 aus, so dass sich die Ausstülpungen 15 und damit die Fluidkanäle 7 sowie die Wärmeübertragungseinrichtung 6 insgesamt an der Innenfläche 16 abstützen. Die Innenfläche 16 der Bodenwandung 17 bildet somit eine Abstützfläche 16 für die Fluidkanäle 7.
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Durch die Abstützung der Fluidkanäle 7 an der Abstützfläche 16 werden diese bei einer Druckbeaufschlagung des Fluids 8 von den Ausdehnungselementen 11 gegen das Kontaktelement 9 gepresst. Dadurch wird der thermische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 9 und den Fluidkanälen 7 wie auch zwischen dem Kontaktelement 9 und den Batteriezellen 3 verbessert. Dabei wird eine Veränderung, insbesondere eine Reduktion des Querschnitts der Fluidkanäle 7 durch deren formstabile Ausführung vermieden, so dass eine Zirkulation des Fluids 8 durch die Fluidkanäle 7 nicht beeinträchtigt wird.
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Die Ausdehnungselemente 11 werden somit nur bei Beaufschlagung des Fluids 8 mit einem Druck ausgedehnt, so dass die Fluidkanäle 7 mit einer durch den Fluiddruck erzeugten Anpresskraft gegen das Kontaktelement 9 gepresst werden. Entsprechend werden die mechanischen Belastungen der Bodenwandung 17 reduziert, wodurch Verformungen des Batteriegehäuses 4, insbesondere der Bodenwandung 17, verringert werden. Gleichzeitig erfolgt durch die Ausdehnungselemente 11 eine zuverlässige Anpassung an die Innenfläche 16 der Bodenwandung 17, so dass die Fluidkanäle 7 zuverlässig gegen das Kontaktelement 9 gepresst werden können. Zusätzlich wird durch die Schwerkraft der Batteriezellen 3 eine Gegenkraft erzeugt, wodurch der thermische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 9 und den Fluidkanälen 7 besonders zuverlässig realisiert wird.
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Eine große Zahl von Ausdehnungselementen 11 ermöglicht typischerweise eine sehr genaue Anpassung an die Abstützfläche 16, auch wenn diese eine Verformung erfährt, beispielsweise im Betrieb. Abhängig von der Form der Fluidkanäle 7 und den Aussparungen 13 kann eine gleichmäßige Pressung der Fluidkanäle 7 gegen das Kontaktelement 9 erzielt werden. Dabei kann ein gewünschter mechanischer Druck, mit dem die Fluidkanäle 7 gegen das Kontaktelement 9 gepresst werden, über die Anzahl der Ausdehnungselemente 11, deren Anordnung sowie deren Form und/oder deren Größe eingestellt werden. Außerdem können durch die Ausdehnung der Ausdehnungselemente 11 Bauteiltoleranzen und Bauteildeformation im Betrieb automatisch unter Last, d.h. bei Beaufschlagung des Fluids 8 mit Druck, kompensiert werden.
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3 betrifft eine Traktionsbatterie 1 und eine Batteriegehäuseanordnung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Traktionsbatterie 1 und die Batteriegehäuseanordnung 2 der zweiten Ausführungsform entsprechend im Wesentlichen der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten Ausführungsform, weshalb im weiteren lediglich Unterschiede zwischen der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben werden. Weitere Details der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der zweiten Ausführungsform entsprechen denen der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten Ausführungsform.
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Die Traktionsbatterie 1 und die Batteriegehäuseanordnung 2 der zweiten Ausführungsform unterschieden sich von der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten Ausführungsform durch die Anordnung und Ausgestaltung der Aussparungen 13 und Ausdehnungselemente 11. Bei der zweiten Ausführungsform weisen die Fluidkanäle 7 lediglich eine Reihe mit Aussparungen 13 auf, in denen jeweils ein Ausdehnungselement 11 angeordnet ist. Die Aussparungen 13 und die Ausdehnungselemente 11 weisen abweichend zur ersten Ausführungsform jeweils eine Rechteckform auf.
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4 betrifft eine Traktionsbatterie 1 und eine Batteriegehäuseanordnung 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Traktionsbatterie 1 und die Batteriegehäuseanordnung 2 der dritten Ausführungsform entsprechen weitgehend der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten oder zweiten Ausführungsform, weshalb im weiteren lediglich Unterschiede zwischen der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten und dritten Ausführungsform beschrieben werden.
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Weitere Details der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der dritten Ausführungsform entsprechen denen der Traktionsbatterie 1 und der Batteriegehäuseanordnung 2 der ersten bzw. zweiten Ausführungsform.
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Die Traktionsbatterie 1 und die Batteriegehäuseanordnung 2 der dritten Ausführungsform umfassen eine Mehrzahl Fluidkanäle 7, die jedoch keine Aussparungen 13 aufweisen. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform sind bei der zweiten Ausführungsform eine Mehrzahl Ausdehnungselemente 11 zwischen den Fluidkanälen 7 und der Abstützfläche 16 positioniert. Die Ausdehnungselemente 11 sind ballonartig oder kissenartig ausgeführt und über eine Bypassleitung 18 miteinander verbunden und parallel zu den Fluidkanälen 7 angeordnet. Über die Bypassleitung 18 sind die Ausdehnungselemente 11 in Fluidverbindung mit einem Einlass 19 und einem Auslass 20 der Wärmeübertragungseinrichtung 6. Die Bypassleitung 18 weist dabei eine kleinere Querschnittsfläche als die Fluidkanäle 7 auf.
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In einer alternativen Ausführungsform, die mit jeder der ersten bis dritten Ausführungsform kombinierbar ist, sind eine Mehrzahl Kontaktelemente 9 mit den Batteriezellen 3 zur Wärmeübertragung vorgesehen, vorzugsweise ein Kontaktelement 9 für jede Batteriezelle 3. Die Fluidkanäle 7 sind an ihrer Kontaktseite 10 gegen die Mehrzahl Kontaktelemente 9 pressbar. Besonders bevorzug ist jeder Fluidkanal 7 gegen eines der Kontaktelemente 9 pressbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Traktionsbatterie
- 2
- Batteriegehäuseanordnung
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Batteriegehäuse
- 5
- Innenraum
- 6
- Wärmeübertragungseinrichtung
- 7
- Fluidkanal
- 8
- Fluid
- 9
- Kontaktelement
- 10
- Kontaktseite
- 11
- Ausdehnungselement
- 12
- Abstützseite
- 13
- Aussparung
- 14
- freie Wandung
- 15
- Ausstülpung
- 16
- Abstützfläche, Innenfläche
- 17
- Bodenwandung
- 18
- Bypassleitung
- 19
- Einlass
- 20
- Auslass
- 21
- Flanschbereich
