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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das insbesondere Teil einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein solches Kraftfahrzeug.
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Batteriemodule kommen insbesondere bei Elektro-Kraftfahrzeugen zum Einsatz, um eine Mehrzahl von Batteriezellen aufzunehmen, diese miteinander zu verschalten und die entsprechende Ausgangsspannung einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zu zuführen. Häufig sind Batteriemodule auch dazu eingerichtet, die Batteriezellen vor mechanischen Einflüssen, beispielsweise Aufprallkräfte bei einem Unfall zu schützen. Um möglichst viele Batteriezellen im Kraftfahrzeug aufnehmen zu können, was einer hohen Fahrleistung zuträglich ist, ist es zweckmäßig, die zugeordneten, mechanisch schützenden Umhausungen möglichst klein auszuführen.
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Andererseits müssen häufig die in den Batteriemodulen enthaltenen Batteriezellen gekühlt werden, um die im Betrieb an den Batteriezellen anfallende Wärme abzuführen und somit eine thermische Belastung der Batteriezellen gering zu halten. In
DE 10 2008 059 972 A1 ist beschrieben, die Batteriezellen mittels einer Kühlplatte zu kühlen. Bei einer Flüssigkeitskühlung wird dagegen üblicherweise ein Kühlmedium durch das Batteriemodul geleitet und dabei die Batteriezellen von dem Kühlmedium umspült. Aus
DE 103 52 046 A1 ist ein derartiges Kühlkonzept beschrieben. Dabei bilden Halteelemente für die Batteriezellen Führungen und Strömungswiderstände für das Kühlmedium. Dies kann jedoch vergleichsweise viel Bauraum erfordern.
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Probleme können insbesondere bei Kühlkonzepten auftreten, bei denen das Kühlmedium in zwei Phasen vorliegt, wobei die flüssige Phase in das Batteriemodul eingeleitet wird und bei der Kühlung der Batteriezellen in die Dampfphase übergeht. Die Dampfphase wird anschließend aus dem Batteriemodul ausgeleitet, insbesondere abgesaugt, um diese wieder zu verflüssigen. Bei quer zur Schwerkraft wirkenden Beschleunigungen kann die flüssige Phase im Batteriemodul Wellen bilden. Schlimmstenfalls kann dabei Kühlflüssigkeit anstelle oder zusätzlich zur Dampfphase aus den entsprechenden Öffnungen austreten. Dies kann zu Beschädigungen am zum Absaugen und Verdichten vorgesehenen Kompressor führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit eines Batteriemoduls zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet und vorgesehen. Das Batteriemodul umfasst ein Modulgehäuse, das zur Einhausung einer Mehrzahl von Batteriezellen dient oder im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand eine Mehrzahl von Batteriezellen einhaust. Das Modulgehäuse weist dabei eine Einlassöffnung zur Einleitung einer Flüssigphase eines Kühlmediums sowie eine Auslassöffnung zur Ausleitung einer Dampfphase des Kühlmediums auf. Der Auslassöffnung ist dabei ein Verschlussmechanismus zugeordnet, mittels dessen die Auslassöffnung zumindest mittelbar in Abhängigkeit von einer Beschleunigung reversibel (d. h. wiederholbar) gegen den Durchtritt der Flüssigphase zumindest versperrbar, insbesondere verschließbar ist.
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Vorzugsweise weist der Verschlussmechanismus wenigstens ein reversibel verschiebbares (d. h. insbesondere aus einer Öffnungsstellung auslenkbares) Verschlusselement (oder auch: „Sperrelement“) zum Unterbinden des Durchtritts der Flüssigphase in die Auslassöffnung auf. Der Begriff „versperren“ wird dabei hier und im Folgenden insbesondere dahingehend verstanden, dass die Auslassöffnung nicht zwingend hermetisch abgedichtet wird, so dass kein Fluid hindurch treten kann. Vielmehr ist es für den grundlegenden Zweck der Erfindung ausreichend sowie vorzugsweise derart eingerichtet, dass der Durchtritt der Flüssigphase verhindert oder lediglich gehemmt wird, ohne dass die Auslassöffnung vollständig abgedichtet wird.
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Dadurch, dass der Verschlussmechanismus dazu eingerichtet ist, - zumindest mittelbar - abhängig von einer Beschleunigung die Auslassöffnung zu versperren, wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Betätigung des Verschlussmechanismus unter dem gleichen Einfluss wie eine Bewegung der Flüssigphase des Kühlmediums erfolgt. Dadurch kann die Schließbewegung des Verschlussmechanismus mit einer Bewegung der Flüssigphase des Kühlmediums in Einklang gebracht werden. Ein „Ausschwappen“ der flüssigen Phase durch die Auslassöffnung hindurch kann somit effektiv und insbesondere einfach unterbunden werden. Dadurch wird mithin die Sicherheit des Batteriemoduls erhöht und/oder dessen Betriebsgrenzen können ausgeweitet werden. Innerhalb des Modulgehäuses, insbesondere zwischen den Batteriezellen angeordnete Wände zur Eindämmung von Wellenschlag können somit vorteilhafterweise ausbleiben, so dass Bauraum eingespart oder gegebenenfalls für eine höhere Zahl von Batteriezellen genutzt werden kann.
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In einer Variante ist der Verschlussmechanismus dazu eingerichtet, eine auftretende Beschleunigung mittels wenigstens eines zugeordneten Sensors zu erfassen und gegebenenfalls eine bspw. elektromotorische oder zumindest elektrisch getriebene Versperrung der Auslassöffnung einzuleiten.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Verschlussmechanismus allerdings passiv beschleunigungsbetätigt ausgeführt. Unter dem Begriff „beschleunigungsbetätigt“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die Betätigung des Verschlussmechanismus (zumindest mittelbar) aufgrund einer Beschleunigung erfolgt, die vorzugsweise in ihrer Richtung von der Gravitation der Erde abweicht. Unter „passiv“ betätigbar wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass der Verschlussmechanismus keine aktiv angesteuerten (insbesondere motorisch, bspw. unter elektronischer Auswertung von Sensoren oder dergleichen) Elemente aufweist und insbesondere rein mechanisch ausgestaltet ist. Aufgrund der passiven Betätigung des Verschlussmechanismus sind somit vorteilhafterweise auch keine Sensoren, Steuermodule oder dergleichen erforderlich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Verschlussmechanismus derart gestaltet, dass in einer Verschlusssituation (auch: „Sperrsituation“) - d. h. unter der Wirkung der Beschleunigung - die Ausleitung der Dampfphase des Kühlmediums aus dem Modulgehäuse weiterhin ermöglicht ist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Kühlung der Batteriezellen durchgehend (d. h. ohne Unterbrechung) aufrecht erhalten werden. So kann also auch bei einer verhältnismäßig lange andauernden Beschleunigungsphase (bspw. in einer langgezogenen Kurve, Auffahrt auf eine Autobahn und/oder dergleichen) ein übermäßiges Erwärmen der Batteriezellen verhindert werden.
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Um die Ausleitung der Dampfphase auch in der Verschlusssituation zu ermöglichen, weist der Verschlussmechanismus in einer zweckmäßigen Ausführung mehrere, d. h. wenigstens zwei, über einen im bestimmungsgemäßen Einbauzustand oberen Bereich des Modulgehäuses verteilte Durchtrittsöffnungen auf. Diese verbinden einen Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses fluidisch mit der Auslassöffnung. Die Ausleitung während der Verschlusssituation wird dabei insbesondere dadurch erreicht, dass in der Verschlusssituation nur ein Teil der Durchtrittsöffnungen (bspw. nur eine von zwei) verschlossen ist.
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Unter dem „bestimmungsgemäßen Einbauzustand“ wird hier und im Folgenden insbesondere der Zustand verstanden, in dem das Batteriemodul insbesondere im Kraftfahrzeug eingesetzt und befestigt ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind die vorstehend beschriebenen Durchtrittsöffnungen in einer y-Richtung voneinander mit möglichst großem Abstand beabstandet. Insbesondere sind die Durchtrittöffnungen dabei im Bereich des jeweiligen, das Modulgehäuse in y-Richtung begrenzenden Rands angeordnet. Vorzugsweise stimmt die y-Richtung dabei im bestimmungsgemäßen Einbauzustand mit einer Fahrzeugquerrichtung überein. Durch die Beabstandung in dieser Richtung kann mithin bei in y-Richtung wirksamen Beschleunigungen, die jeweilige auf in Beschleunigungsrichtung entfernter Seite des Modulgehäuses angeordnete Durchtrittsöffnung verschlossen werden, wohingegen die jeweilige gegenüberliegende Durchtrittsöffnung vorteilhafterweise geöffnet bleiben kann, so dass die Dampfphase durch diese ausgeleitet werden kann. Die auf die entfernte Seite des Modulgehäuses „schwappende“ flüssige Phase kann dabei durch Verschluss der dortigen Durchtrittsöffnung am Austreten gehindert werden.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung sind die Durchtrittsöffnungen oder (gegebenenfalls) weitere Durchtrittsöffnungen in einer x-Richtung voneinander mit möglichst großem Abstand beabstandet sind. Insbesondere sind die entsprechenden Durchtrittsöffnungen dabei im Bereich des jeweiligen, das Modulgehäuse in x-Richtung begrenzenden Rands angeordnet. Bei der x-Richtung handelt es sich vorzugsweise im bestimmungsgemäßen Einbauzustand um die Fahrzeuglängsrichtung. Das vorstehend Beschriebene zur Beabstandung in y-Richtung gilt hierbei analog.
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Im Fall, dass die Durchtrittsöffnungen in beide Richtungen beabstandet sind, liegen vorzugsweise vier Durchtrittsöffnungen vor, die jeweils - insbesondere im Fall eines etwa quaderförmigen Modulgehäuses - im Bereich einer der vier oberen Ecken des Modulgehäuses angeordnet sind. Dadurch kann auch bei Beschleunigungen in x- und y-Richtung die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass wenigstens eine Durchtrittsöffnung für den Durchtritt der Dampfphase geöffnet bleibt.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführung weist der Verschlussmechanismus einen Gehäuse-Zwischendeckel (kurz: Zwischendeckel) auf, der den die Batteriezellen aufnehmenden Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses, insbesondere zur bestimmungsgemäßen Oberseite hin, abschließt. In diesem Zwischendeckel sind vorzugsweise die Durchtrittsöffnungen angeordnet. Außerdem weist der Verschlussmechanismus einen den Zwischendeckel überspannenden Deckel auf, in dem die Auslassöffnung zumindest teil- oder abschnittsweise (bspw. mit einem Einlass in eine kanalartige Erstreckung der Auslassöffnung) angeordnet ist. Dieser Deckel bildet optional einen, dass Modulgehäuse oberseitig abschließenden Gehäuseabschlussdeckel oder einen weiteren Zwischendeckel. Der Zwischenraum zwischen dem Zwischendeckel und dem Deckel bildet dabei zweckmäßigerweise einen Raum oder Kanal zur Zusammenführung der Durchtrittsöffnungen auf die eine Auslassöffnung.
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In Fall der vorstehend beschriebenen Ausführung ist die Auslassöffnung vorzugsweise zentral in dem Deckel und somit auch etwa zentriert zu den Durchtrittsöffnungen angeordnet. Selbst im Fall, dass die flüssige Phase des Kühlmediums in einer Verschlusssituation - bspw. durch eine nicht verschlossene Durchtrittsöffnung - aus dem Gehäuseinnenraum austritt, ist der Fließweg zum Erreichen der Auslassöffnung vorteilhaft erhöht. Dadurch ist mithin auch eine gewisse Redundanz (oder ein „Sicherheitspuffer“) zum Verschließen der Durchtrittsöffnungen geschaffen.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist eine Achse der - vorzugsweise als eine Art Bohrung ausgeführten - Auslassöffnung und/oder der gegebenenfalls vorhandenen Durchtrittsöffnungen im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand vertikal ausgerichtet ist. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Gestaltung des beschleunigungsbetätigten Verschlussmechanismus. Optional weisen die Durchtrittsöffnungen aber auch eine Anordnung mit horizontalen Achsen, also insbesondere in einer Seitenwand des Modulgehäuses - die gegebenenfalls Teil des Zwischendeckels ist - auf.
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In einer bevorzugten Ausführung - insbesondere im Fall der mehreren, in x- und/oder y- Richtung zueinander beabstandeten Durchtrittsöffnungen - weist der Verschlussmechanismus (als Verschlusselement) wenigstens eine federbelastet aus einer Öffnungsstellung (auch Ruheposition) in x- und/oder y-Richtung in eine Verschlussposition verschiebbare Dichtplatte auf. Diese Dichtplatte ist dabei vorzugsweise derart geführt, dass sie in der Verschlusssituation trägheitsbedingt in die Verschlussposition verschoben ist und dabei die Auslassöffnung oder wenigstens einen Teil der Durchtrittsöffnungen verschließt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung weist der Verschlussmechanismus zwei Dichtplatten auf. Eine erste der Dichtplatten ist dabei ausschließlich in x-Richtung verschiebbar, während die zweite Dichtplatte ausschließlich in y-Richtung verschiebbar ist. Beide Dichtplatten dienen optional zum Verschluss der Auslassöffnung bei Beschleunigungen in der entsprechenden Richtung. Bevorzugt ist aber die erste Dichtplatte insbesondere zum Verschluss der in y-Richtung voneinander beabstandeten Durchtrittsöffnungen eingerichtet. Die zweite Dichtplatte ist vorzugsweise entsprechend zum Verschluss der in x-Richtung voneinander beabstandeten Durchtrittsöffnungen eingerichtet. Optional ist für jede Durchtrittsöffnung wenigstens eine in x- und eine in y-Richtung verschiebbare Dichtplatte vorgesehen. Im Fall der vorstehend beschriebenen vier über die Oberseite des insbesondere quaderförmigen Batteriemoduls sind aber bevorzugt nur die erste und die zweite Dichtplatte vorgesehen.
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Vorzugweise ist eine der beiden Dichtplatten oberhalb und die andere unterhalb des Zwischendeckels angeordnet, so dass beide aufgrund ihrer möglichst engen Anlage an dem Zwischendeckel jeweils eine hohe Dichtwirkung an der jeweiligen Durchtrittsöffnung entfalten können.
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Die Dichtplatten sind - insbesondere bei Verschiebbarkeit in nur einer Richtung - zweckmäßigerweise mittels einer Linearführung, bspw. einer Kunststoffgleitschiene oder einem Linearwälzlager geführt, um einen Reibungswiderstand möglichst gering zu halten.
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In einer alternativen Ausführung weist der Verschlussmechanismus als Verschlusselement wenigstens eine federbelastet aus der entsprechenden Ruheposition in x- und/oder y-Richtung in die Verschlussposition verschiebbare Dichtkalotte (insbesondere einen Kugelabschnitt) auf. Diese Dichtkalotte liegt in der bestimmungsgemäßen Verschlussposition auf oder in der entsprechenden Durchtrittsöffnung ein. Optional weist der Verschlussmechanismus wenigstens eine in x- und eine in y-Richtung verschiebbare Dichtkalotte auf. Bei vier rechteckförmig zueinander verteilten Durchtrittsöffnungen weist der Verschlussmechanismus bspw. jeweils zwei in x- bzw. y-Richtung verschiebbare Dichtkalotten auf. Zweckmäßigerweise sind die Dichtkalotten in ihrer jeweiligen Verschieberichtung geführt.
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In einer weiteren zu den Dichtplatten alternativen Ausführung weist der Verschlussmechanismus (als Verschlusselement) wenigstens einen Auftriebskörper, bspw. eine Kugel zum reversiblen Verschluss der Auslassöffnung, insbesondere zum Abdichten wenigstens einer der Durchtrittsöffnungen aufweist. Der Auftriebskörper bzw. die Kugel wird in diesem Fall durch den aufgrund einer Beschleunigung in einem Bereich des Gehäuseinnenraums steigenden Spiegels der flüssigen Phase angehoben bis diese - vorzugsweise aufgrund einer entsprechende Führung für die Kugel - in der Auslassöffnung oder der entsprechenden Durchtrittsöffnung einliegt. Die Rückstellung des Auftriebskörpers erfolgt dabei schwerkraftbedingt. Da der Auftriebskörper nicht durch die Beschleunigung selbst bewegt wird, sondern durch die aufgrund der Wirkung der Beschleunigung ansteigenden Flüssigphase, ist der Auftriebskörper lediglich mittelbar beschleunigungsbetätigt.
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In einer weiteren alternativen Ausführung weist der Verschlussmechanismus (als Verschlusselement) wenigstens einen trägheitsbetätigt verdrehbaren Schließzylinder zum reversiblen Verschluss der Auslassöffnung, insbesondere zum Abdichten wenigstens einer der Durchtrittsöffnungen auf. Die Auslassöffnung bzw. die Durchtrittsöffnung und der Schließzylinder sind dabei optional vergleichbar zu einem Einhandmischhebel gestaltet, so dass durch Verdrehung des Schließzylinders eine Freigabe oder ein Verschluss der jeweiligen Öffnung erfolgt. Zur trägheitsbedingten Betätigung weist der Schließzylinder optional wenigstens ein exzentrisch angeordnetes Gewicht zur Vergrößerung des Trägheitsmoments auf. Zur Rückstellung in seine Ausgangsposition, in der die Auslassöffnung bzw. Durchtrittsöffnung geöffnet ist, ist der Schließzylinder vorzugsweise mit einer Feder gekoppelt, d. h. federbelastet.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist die Auslassöffnung vorzugsweise etwa (d. h. exakt oder näherungsweise) mittig in dem vorstehend beschriebenen, den Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses abdeckenden Deckel angeordnet. Der Verschlussmechanismus umfasst dabei als Verschlusselement, insbesondere aufgrund seiner Funktion auch als „Sperrelement“ bezeichnet, einen im Gehäuseinnenraum schnorchelartig mehrfach abgewinkelten Absaugkanal. Aufgrund der mehrfachen Abwinkelung ist dessen Eingangsöffnung dadurch vorteilhafterweise in x-Richtung und/oder y-Richtung zu der Auslassöffnung im Deckel versetzt. Mit seiner der Eingangsöffnung abgewandten Ausgangsöffnung ist der Absaugkanal um die Achse der Auslassöffnung drehbar und vorzugsweise dicht mit dieser verbunden. Außerdem weist der Verschlussmechanismus vorzugsweise ein exzentrisch (insbesondere zu der Auslassöffnung angeordnetes und) der Eingangsöffnung des Absaugkanals gegenüberliegendes Stellgewicht auf. Dieses Stellgewicht bewirkt dabei bei Beschleunigung des Batteriemoduls in eine beliebige Richtung, insbesondere in x- und/oder y-Richtung, dass die Eingangsöffnung entgegen der Beschleunigungsrichtung ausgerichtet wird. Dadurch wird die Eingangsöffnung des Absaugkanals also von dem Bereich des Gehäuseinnenraums, in dem der Flüssigkeitsspiegel aufgrund der Wirkung der Beschleunigung ansteigt, weggedreht, so dass die Auslassöffnung gegen den Durchtritt der Flüssigphase versperrt wird. In dieser Ausführung sind vorteilhafterweise kein Zwischendeckel und keine Durchtrittsöffnungen erforderlich.
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In einer optionalen Variante ist der vorstehend beschriebene Absaugkanal mittels einer Feder, insbesondere einer Spiralfeder in einer Neutralstellung gehalten.
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Weiter vorzugsweise ist die jeweilige Federbelastung - bspw. im Fall der Dichtplatten, ggf. auch des Auftriebskörpers, mittels Schraubenfedern, im Fall des Schließzylinders oder auch des Absaugkanals optional mittels einer Spiralfeder - hinsichtlich ihrer Vorspannung an einen Wert der zu erwartenden Beschleunigung angepasst, ab dem eine Verschiebung des entsprechenden Verschlusselements (Dichtplatte, Auftriebselement oder Schließzylinder) erfolgen sollte. Als Schwellwert, ab dem eine Verschiebung des entsprechenden Verschlusselements zugelassen ist, ist vorzugsweise ein Wert von wenigstens 3 m/s2, insbesondere von 4, bevorzugt von 5 m/s2 vorgegeben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist ein Batteriemodul, vorzugsweise mehrere Batteriemodule der vorstehend beschriebenen Art auf. Somit teilen das Batteriemodul und das Kraftfahrzeug die vorstehend beschriebenen Merkmale sowie die sich daraus ergebenden Vorteile in entsprechender Weise.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer schematischen Perspektivansicht ein Batteriemodul,
- 2 in Ansicht gemäß 1 das Batteriemodul teildurchsichtig dargestellt in einem Teilmontagezustand,
- 3 in einer schematischen Draufsicht einen Ausschnitt des Batteriemoduls,
- 4 in einer Teilschnittdarstellung IV-IV gemäß 3 das Batteriemodul,
- 5, 6 in Ansicht gemäß 3 bzw. 4 das Batteriemodul in einem anderen Zustand,
- 7 in einer ausschnitthaften Vergrößerung einer Ansicht gemäß 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls,
- 8 in einer ausschnitthaften Vergrößerung einer Ansicht gemäß 3 wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls,
- 9-11 in Ansicht gemäß 3 bzw. in einer Teilschnittdarstellung XI-XI gemäß 10 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls in zwei unterschiedlichen Zuständen,
- 12 in Ansicht gemäß 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls,
- 13, 14 in Ansicht gemäß 3 und in einer schematischen Teilschnittdarstellung XIV-XIV gemäß 13 wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls, und
- 15 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Batteriemodul 1 dargestellt. Dieses ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeug 2 (s. 15) eingerichtet und vorgesehen. Das Batteriemodul 1 umfasst ein in 2 näher dargestelltes Modulgehäuse 4, das einen Gehäuseinnenraum 6 umgrenzt, in dem zumindest im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand (vgl. 15) eine Mehrzahl von Batteriezellen 8 angeordnet sind. Das Batteriemodul 1 ist zu einer Flüssigkeitskühlung der Batteriezellen 8 mittels einer 2-Phasen-Kühlung eingerichtet. Dazu weist das Modulgehäuse 4 eine Einlassöffnung 10 zur Einleitung einer Flüssigphase eines Kühlmediums 12 (s. 2) sowie eine Auslassöffnung 14 zur Ausleitung einer Dampfphase des Kühlmediums 12 auf. Daneben sind an der Außenseite des Batteriemoduls 1 bzw. des Modulgehäuses 4 auch Steckanschlüsse 16 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen 8 mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs 2 angeordnet.
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Das Batteriemodul 1 ist quaderförmig mit einer Längserstreckung in eine y-Richtung, einer Breitenerstreckung in x-Richtung und einer Dickenerstreckung in z-Richtung ausgebildet. Die x-Richtung fällt im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand mit der Längsrichtung des Kraftfahrzeugs 2 zusammen. Entsprechend fallen die y-Richtung mit der Fahrzeugquerrichtung und die z-Richtung mit der Fahrzeughochrichtung zusammen.
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Um bei im Fahrbetrieb bspw. bei Bremsungen, beim Beschleunigen, bei Kurvenfahrten und dergleichen aufgrund von Beschleunigungen auftretenden „Schwappbewegungen“ der Flüssigphase des Kühlmediums 12 zu verhindern, dass diese anstelle oder zusätzlich zur Dampfphase durch die Auslassöffnung 14 austritt, weist das Batteriemodul 1 einen passiv beschleunigungsbetätigten Verschlussmechanismus 18 auf. Dieser versperrt die Auslassöffnung reversibel mittels eines Verschlusselements gegen den Durchtritt der Flüssigphase und zwar derart, dass stets ein Auslass des Dampfphase weiterhin ermöglicht ist.
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Dazu weist der Verschlussmechanismus 18 grundsätzlich mehrere über einen im bestimmungsgemäßen Einbauzustand oberen Bereich 20 des Modulgehäuses 4 verteilte Durchtrittsöffnungen 22 auf. Diese verbinden den Gehäuseinnenraum 6 fluidisch mit einem gehäuseinnenseitigen Einlass 24 der Auslassöffnung 14 (vgl. Pfeile 26 in 2). In der (im Folgenden näher beschriebenen) Verschlusssituation ist dabei nur ein Teil der Durchtrittsöffnungen 22 verschlossen. Die Durchtrittsöffnungen 22 sind dabei in einem Gehäusezwischendeckel 28, der den Gehäuseinnenraum 6 oberseitig begrenzt, zur Oberseite hin ausgerichtet angeordnet. Der Einlass 24 der Auslassöffnung 14 ist in einem darüberliegenden Deckel 30 zentral zu den Durchtrittsöffnungen 22 angeordnet, so dass die zwischen dem Zwischendeckel 28 und dem Deckel 30 liegende Kammer einen Führungskanal für das Kühlmedium 12 zum Einlass 24 hin bildet.
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In 1 ist der Deckel 30 von einem weiteren, nicht näher dargestellten Gehäusedeckel überspannt, so dass zwischen dem Gehäusedeckel und dem Deckel 30 ein Kanal zwischen dem Einlass 24 und dem außenseitigen am Modulgehäuse 4 angeordneten Anschluss der Auslassöffnung 14 gebildet ist. Optional ist das in 2 dargestellte Modulgehäuse 4 in einem rohr- oder tunnelartigen Außengehäuse aufgenommen.
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In 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Verschlussmechanismus 18 mit geöffneten Durchtrittsöffnungen 22 dargestellt. Der Verschlussmechanismus 18 weist dabei zwei Dichtplatten auf. Eine erste Dichtplatte 32 ist dabei in x-Richtung verschiebbar gegenüber dem Zwischendeckel 28 geführt und auf dessen Oberseite angeordnet. Die zweite Dichtplatte 34 ist in y-Richtung verschiebbar geführt und an der Unterseite des Zwischendeckels 28 angeordnet. Beide Dichtplatten 32 bzw. 34 sind mittels Lineargleitlagern 36 (s. für die zweite Dichtplatte 34 4) geführt. Zur Rückstellung in ihre jeweilige, in 3 dargestellte Öffnungsstellung 38 sind beide Dichtplatten 32 bzw. 34 mittels zugeordneter Federn 40 (hier konkret Schraubenfedern) vorgespannt gehaltert. Die Federn 40 sind derart gewählt, dass eine Verschiebung der jeweiligen Dichtplatte 32 bzw. 34 erst bei einem mittels der Federkennlinie vorgegebenen Beschleunigungswert erfolgt.
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In 5 und 6 ist die erste Dichtplatte 32 in ihrer zugeordneten Verschlussposition 42 angeordnet. Diese wird durch einen hinreichend hohen Beschleunigungswert in x-Richtung (in der Darstellung nach 5 konkret entgegen der x-Richtung) erreicht. In diesem Fall überwindet die erste Dichtplatte 32 beschleunigungs- und damit trägheitsbedingt die Federkraft der Federn 40 und gleitet über die in Richtung des (positiven) Beschleunigungswerts nachfolgenden Durchtrittsöffnungen 22. In 5 erfolgt keine in y-Richtung gerichtete Beschleunigung - zumindest keine, die die entsprechende Federkraft überschreitet -, so dass eine Verschiebung der zweiten Dichtplatte 34 unterbleibt. Die Dampfphase kann somit über die unverschlossenen Durchtrittsöffnungen 22 austreten.
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Für den nicht näher dargestellten Fall, dass ein hinreichend hoher Beschleunigungswert in x- und y-Richtung vorliegt, werden sowohl die erste als auch die zweite Dichtplatte 32 bzw. 34 verschoben, so dass nur noch eine der Durchtrittsöffnungen 22 zur Ausleitung der Dampfphase geöffnet bleibt.
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Die Durchtrittsöffnungen 22 sind außerdem mit möglichst großem Abstand zueinander, konkret in den Eckbereichen des Zwischendeckels 28 angeordnet.
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In 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1, konkret des Verschlussmechanismus 18 dargestellt. Alternativ zu den Dichtplatten 32 und 34 weist der Verschlussmechanismus 18 als Verschlusselement für die jeweilige Durchtrittsöffnung 22 einen Auftriebskörper in Form eine Kugel 44 auf. In 7 ist diese in ihrer Öffnungsstellung 38 dargestellt. Zur Führung in z-Richtung ist diese in einem Käfig 46 angeordnet. „Schwappt“ die Flüssigphase des Kühlmediums 12 beschleunigungsbedingt in Richtung auf eine der Durchtrittsöffnungen 22, steigt dort erkanntermaßen der Flüssigkeitsspiegel an und hebt somit die Kugel 44 in Richtung Durchtrittsöffnung 22. Bei entsprechend hohem Flüssigkeitsstand unterhalb der Durchtrittsöffnung 22 schließt die Kugel 44 diese gegen den Durchtritt der Flüssigphase ab.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verschlussmechanismus 18 ist in 8 dargestellt. Als Verschlusselement ist dort ein trägheitsbetätigt verdrehbarer Schließzylinder 48 mit der entsprechenden Durchtrittsöffnung 22 gekoppelt. Der Schließzylinder 48 weist - ähnlich wie ein Einhandmischhebel - eine Bohrung 50 auf, die in der Öffnungsstellung 38 (nicht dargestellt) deckend zur Durchtrittsöffnung 22 angeordnet ist. Außerdem weist der Schließzylinder 48 ein exzentrisches Gewicht 52 auf, das bei Einwirkung einer Beschleunigung - im dargestellten Ausführungsbeispiel in x-Richtung - zu einer Verdrehung des Schließzylinders 48 führt. Zur Rückstellung und Vorgabe des Schwellwerts ist der Schließzylinder 48 ebenfalls mit den Federn 40 in Richtung der Öffnungsstellung 28 vorgespannt gehalten.
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Optional weist der Verschlussmechanismus für jede Durchtrittsöffnung 22 ober- und unterseitig zum Zwischendeckel 28 jeweils einen Schließzylinder 48 mit unterschiedlich ausgerichteten Gewichten 52 auf, so dass bei unterschiedlichen Beschleunigungsrichtungen ein dichtendes Verschließen der Durchtrittsöffnung 22 einfach ermöglicht werden kann.
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In 9 bis 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1, konkret des Verschlussmechanismus 18 dargestellt. Alternativ zu den Dichtplatten 32 und 34 weist der Verschlussmechanismus 18 als Verschlusselemente mehrere, konkret vier Dichtkalotten 54 auf. Die Dichtkalotten 54 haben eine etwa halbkugelige (zumindest kugelabschnittartige) Form (s. 11), so dass sie in ihrer Verschlussposition 42 die entsprechende Durchtrittsöffnung 22 abdichten, indem sie teilweise in diesen einliegen. Die Dichtkalotten 54 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels der Federn 40 zentral angelenkt und paarweise in x- und y-Richtung verschiebbar geführt. Dazu sind auf dem Zwischendeckel 28 Führungsstege 56 angeordnet.
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In 10 und 11 sind die in x-Richtung verschiebbaren Dichtkalotten 54 in ihrer Verschlussposition 42 verstellt. Die Federn 40 sind dabei entsprechend gedehnt. Da nur eine Beschleunigung in x-Richtung vorliegt, in y-Richtung aber fehlt, sind nur zwei der vier Durchtrittsöffnungen 22 verschlossen. Die in y-Richtung verschiebbar gelagerten Dichtkalotten 54 sind weiterhin in ihrer Öffnungsstellung 38 angeordnet.
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In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1, konkret des Verschlussmechanismus 18 dargestellt. Alternativ zu den Dichtplatten 32 und 34 weist der Verschlussmechanismus 18 als Verschlusselemente mehrere plattenartige Schieber 58 auf. Diese Schieber 58 haben eine etwa kreisabschnittförmige, flache Struktur. Die Durchtrittsöffnungen 22 sind mit einer komplementären Form gebildet. Die Schieber 58 sind entlang einer etwa kreisförmigen Kurve, die ihrer Form und der Form der Durchtrittsöffnungen 22 nachgebildet ist, verschiebbar gelagert (entsprechende Führungselemente, bspw. Führungsschienen sind nicht näher dargestellt) und mittels Federn 40 in ihrer Öffnungsstellung 38 gehalten. Jeweils zwei Durchtrittsöffnungen 22 sind dabei drei Schieber 58 zugeordnet, so dass bei in Richtung auf diese zwei Durchtrittsöffnungen 22 gerichteter Beschleunigung wenigstens ein Schieber 58 eine der beiden Durchtrittsöffnungen 22, bei schräg zur x- und y-Richtung gerichteter Beschleunigung zwei Schieber 58 gemeinsam (d. h. jeweils zu Teilen) die entsprechende in Richtung der Beschleunigung liegende Durchtrittsöffnung 22 verdecken und verschließen. In letzterem Fall gleiten dabei die an die entsprechende Durchtrittsöffnung 22 beidseitig angrenzenden Schieber 58 von beiden Seiten über diese Durchtrittsöffnung 22, bis sie aneinander anliegen und die Durchtrittsöffnung 22 überdecken.
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In 13 und 14 ist wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1, konkret des Verschlussmechanismus 18 dargestellt. Der Zwischendeckel 28 entfällt in dieser Ausführung. Die Auslassöffnung 14 ist zentral in dem Deckel 30 angeordnet. Als Verschluss- oder Sperrelement weist der Verschlussmechanismus 18 einen schnorchelartigen, mehrfach gewinkelten Absaugkanal, im Folgenden als „Schnorchel 60“ bezeichnet auf. Der Schnorchel 60 ist konkret durch ein Rohrleitungsstück gebildet, das etwa vergleichbar zur einem Z-Profil gewinkelt ist. Ein Lagerende 62 mit einer Ausgangsöffnung ist dabei drehbar und fluiddicht in der Auslassöffnung 14 angeordnet. Die dem Lagerende 62 entgegengesetzt angeordnete Eingangsöffnung 64 des Schnorchels 60 ist dadurch seitlich zu der Auslassöffnung versetzt. Der Eingangsöffnung 64 über die Ausgangsöffnung gegenüberliegend ist ein Stellgewicht 66 an dem Schnorchel 60 angeordnet. Dieses Stellgewicht 66 bewirkt dabei, dass das Verbindungsstück des Schnorchels 60 zwischen dem Lagerende 62 und der Eingangsöffnung 64 parallel zur Richtung der Beschleunigung ausgerichtet wird. Die Eingangsöffnung 64 wird dabei entgegen der Beschleunigungsrichtung (die in der vorliegenden Darstellung gemäß 13 beispielhaft schräg nach links unten gerichtet ist) ausgerichtet. Dadurch kann auf der gegenüberliegenden Seite der Eingangsöffnung 64 der Spiegel der Flüssigphase aufgrund der Beschleunigung ansteigen, ohne dass die Flüssigphase in die Auslassöffnung 14 eintreten kann. Somit ist diese gegen den Durchtritt der Flüssigphase versperrt. Bei einem Wechsel der Beschleunigungsrichtung wird der Schnorchel 60 entsprechend weiter verdreht.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schnorchel 60 mittels einer Spiralfeder in einer Ruhestellung gehalten.
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Das in 15 dargestellte Kraftfahrzeug 2 weist neben den Batteriemodulen 1 auch einen Kühlkreislauf 68 auf (hier nur die Auslassseite der Batteriemodule 1 dargestellt). Die Dampfphase wird dabei mittels eines Kompressors eines Kühlaggregats 70 aus dem jeweiligen Gehäuseinnenraum 6 abgezogen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Modulgehäuse
- 6
- Gehäuseinnenraum
- 8
- Batteriezelle
- 10
- Einlassöffnung
- 12
- Kühlmedium
- 14
- Auslassöffnung
- 16
- Steckanschluss
- 18
- Verschlussmechanismus
- 20
- oberer Bereich
- 22
- Durchtrittsöffnung
- 24
- Einlass
- 26
- Pfeil
- 28
- Zwischendeckel
- 30
- Deckel
- 32
- Dichtplatte
- 34
- Dichtplatte
- 36
- Lineargleitlager
- 38
- Öffnungsstellung
- 40
- Feder
- 42
- Verschlussposition
- 44
- Kugel
- 46
- Käfig
- 48
- Schließzylinder
- 50
- Bohrung
- 52
- Gewicht
- 54
- Dichtkalotte
- 56
- Führungssteg
- 58
- Schieber
- 60
- Schnorchel
- 62
- Lagerende
- 64
- Eingangsöffnung
- 66
- Stellgewicht
- 68
- Kühlkreislauf
- 70
- Kühlaggregat
- x
- x-Richtung
- y
- y-Richtung
- z
- z-Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059972 A1 [0003]
- DE 10352046 A1 [0003]
