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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul-Gehäuse für ein Elektrofahrzeug, wobei das Gehäuse dazu ausgebildet ist, eine Batteriezellen-Anordnung aufzunehmen, die wenigstens eine Polseite definiert. Das Batteriemodul-Gehäuse weist wenigstens einen ersten Plattenabschnitt auf, der eine Anordnung von Durchgangslöchern zur Durchführung von elektrischen Leitungen, vorzugsweise von Bondrähten, aufweist, um die einzelnen Batteriezellen miteinander zu verschalten, wobei der erste Plattenabschnitt dann, wenn die Batteriezellen-Anordnung in dem Batteriemodul-Gehäuse aufgenommen ist, entlang der wenigstens einen Polseite angeordnet ist. Weiterhin ist in oder an dem Batteriemodul-Gehäuse ein Temperiermittel-Leitungssystem vorgesehen.
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Ein derartiges Batteriemodul-Gehäuses ist beispielsweise bekannt aus der Druckschrift
US 2008241667 A1 , die eine nicht näher beschriebene, im Gehäuse angeordnete Kühlmittel-Leitung zur Temperierung der Batteriezellen erwähnt.
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Für die hohe notwendige Leistung in einem Elektrofahrzeug werden gängige Batteriezellen zu großen Batteriemodulen mit mehreren hundert bis tausend Einzelzellen zusammengeschlossen. Diese Batteriemodule müssen für den Einsatz in einem zulassungsfähigen Fahrzeug gegen externe Einflüsse geschützt werden und werden daher in einem massiven, abgedichteten Schutzgehäuse untergebracht. Die einzelnen Batteriezellen werden dabei sehr dicht aneinander gepackt, um den zur Verfügung gestellten Bauraum auszunutzen und eine hohe Energiedichte und damit Reichweite zu erreichen. Im Fahrzeugbetrieb und während des Aufladens sind hohe Ströme notwendig, um die erwünschte Fahrleistung bzw. Geschwindigkeit und kurze Ladezeiten zu erreichen. Unter dieser Stromlast kann es in den einzelnen Batteriezellen aufgrund der unzureichenden Wärmeabfuhr an die Umgebung im Gehäuse und der hohen Packungsdichte zu einer hohen Wärmeentwicklung kommen.
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Ab einer Temperatur von ca. 60°C kommt es zu einer massiven Schädigung der Batteriezellen, welche die Lebensdauer der Batteriezellen erheblich herabsetzt. Wird die Wärme in der Batterie bzw. in den Batteriemodulen nicht abgeführt, so sind außerdem die Ladeströme begrenzt, was zu langen Ladezeiten führt. Ebenso sind die Höchstgeschwindigkeiten und Beschleunigungen des Elektrofahrzeugs nur begrenzt möglich.
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Werden die Batteriezellen andererseits bei tiefen Temperaturen von weniger als etwa 20°C geladen oder entladen so führt dies ebenfalls zu Schäden in den chemischen Zellen.
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Die gleichmäßige Temperierung der Batteriezellen ist insbesondere wichtig im Hinblick auf die Lebensdauer der Batterie, denn die Zelltemperatur hat einen großen Einfluss auf die Alterung der Batteriezelle. Unterschiedliche Zelltemperaturen führen zu unterschiedlichen Alterungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Batteriezellen, wobei die gesamte Batterie nur so gut ist wie die leistungsschwächste Batteriezelle.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das bekannte Batteriemodul-Gehäuse im Hinblick auf eine gleichmäßige Temperierung der Batteriezellen zur Einstellung eines optimalen Temperaturbereichs zu verbessern.
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Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Temperiermittel-Leitungssystem wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden, wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Temperierkanal umfasst, der vorzugsweise in dem ersten Plattenabschnitt verläuft.
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Sofern das Batteriemodul-Gehäuse zwei separat ausgebildete Gehäuse-Teile umfasst, die dann, wenn die Batteriezellen-Anordnung im Batteriemodul-Gehäuse aufgenommen ist, einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Batteriezellen-Anordnung zwischen sich aufnehmen, kann der im Wesentlichen in einer Ebene verlaufende, wenigstens abschnittsweise spiralförmige Temperierkanal auch zwischen den beiden Gehäuse-Teilen verlaufen.
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Durch die spiralförmige Ausgestaltung des Temperierkanals sind je nach der Wärmeverteilung einer gegebenen Batteriezellen-Anordnung ohne Temperierung verschiedene im Hinblick auf eine gleichmäßige Temperierung vorteilhafte Konfigurationen möglich.
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Durch die von den umgebenden Batteriezellen abgegebene Wärme werden die inneren Batteriezellen in vielen Fällen im Betrieb relativ schnell deutlich wärmer als diejenigen Batteriezellen, die in einem Randbereich des Gehäuses angeordnet sind.
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In diesen Fällen kann der wenigstens abschnittsweise spiralförmige Temperierkanal einen als Spirale ausgebildeten Abschnitt umfassen, der einen Einlass in einem inneren Bereich Batteriemodul-Gehäuses, vorzugsweise des ersten Plattenabschnitts, aufweist und von innen nach außen verläuft.
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Aufgrund dieser Anordnung des Temperierkanals können diese wärmeren Batteriezellen, die sich im Inneren des Gehäuses befinden, besser gekühlt werden, denn aufgrund der Erwärmung des Temperier-Mediums (der Kühlflüssigkeit) beim Durchströmen des Temperierkanals vom Einlass bis zum Auslass aus dem Gehäuse tritt am Einlass, also in einem Innenbereich des ersten Plattenabschnitts, die stärkste Kühlwirkung auf, so dass sich eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Batteriezellen-Anordnung ergibt.
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Wird eine Erwärmung der Batteriezellen gewünscht, etwa zum Laden bzw. Entladen bei geringen Außentemperaturen, ist es auch denkbar, das Temperiermittel von außen nach innen durch den wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Temperierkanal strömen zu lassen, damit die äußeren Batteriezellen stärker erwärmt werden und sich auch in diesem Fall eine homogene Temperatur-Verteilung einstellt.
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Wird dahingegen eine möglichst gleichmäßige Kühlwirkung über die Fläche des ersten Plattenabschnitts hinweg gewünscht, etwa weil aufgrund der Verteilung der Batteriezellen oder aus anderen Gründen im Betrieb eine gleichmäßige Erwärmung der verschiedenen Zellen auftritt, kann vorgesehen sein, dass der wenigstens abschnittsweise spiralförmige Temperierkanal einen als Doppelspirale ausgebildeten Abschnitt umfasst, der in einer ersten Spirale von einem Außenbereich zu einem Zentrum der Doppelspirale und von dort aus in einer zweiten Spirale wieder zum Außenbereich verläuft.
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Die zweite Spirale ist also mit der ersten Spirale verschachtelt und verläuft im Wesentlichen parallel neben dieser her, wird aber in entgegengesetzter Richtung durchströmt was im Ergebnis zu einer besonders gleichmäßigen Kühlwirkung über den gesamten Bereich der Doppelspirale führt.
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Das resultierende Temperiersystem kann die Batteriezellen innerhalb des Batteriepacks gleichmäßig kühlen oder aufwärmen, um den optimalen Temperaturbereich für die jeweilige Zelle bereitzustellen. Im optimalen Temperaturbereich kann das gesamte Batteriepack sehr viel schneller geladen/ entladen werden. Hierzu stehen z.B. Gleichstrom betriebene Ladestationen (DC-Ladesäulen) zur Verfügung. Die Ladeleistung bzw. Entladeleistung kann damit je nach Batteriekapazität erheblich gesteigert werden ohne die Batteriezellen zu schädigen. Zudem wird die Lebensdauer der Batterie erhöht.
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Wird bei tiefen Temperaturen der Ladevorgang gestartet, so kann beispielsweise durch eine Vorwärmepumpe oder/und durch die Abwärme von anderen Antriebsstrang-Komponenten (Elektromotor, Leistungselektronik) das Temperiermittel erwärmt werden, welche die Temperatur an die Batteriezellen abgibt, und dann kann die Ladeleistung hochgefahren werden, was insgesamt zu schnelleren Ladezeiten bei tiefen Temperaturen (<20°C) führt.
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Der Begriff „wenigstens abschnittsweise spiralförmig“ soll im Übrigen nicht ausschließen, dass der Temperierkanal einen oder mehrere Abschnitte umfasst, die nicht spiralförmig ausgebildet sind, beispielsweise um das Temperiermittel von einem Auslass des spiralförmigen Abschnitts zu einer gewünschten Stelle des ersten Plattenabschnitts zu transportieren.
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Bevorzugt erstreckt sich der Temperierkanal jedoch über mindestens 50% seiner gesamten Länge im ersten Plattenabschnitt in einer Spiralform, noch mehr bevorzugt über mindesten 75% und besonders bevorzugt über mindestens 90% seiner gesamten Länge im ersten Plattenabschnitt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann weiter vorgesehen sein, dass das Batteriemodul-Gehäuse auch einen zweiten Plattenabschnitt umfasst, wobei der erste und der zweite Plattenabschnitt zu zwei separat ausgebildeten Gehäuse-Teilen gehören, und dann, wenn die Batteriezellen-Anordnung im Batteriemodul-Gehäuse aufgenommen ist, einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Batteriezellenanordnung zwischen sich aufnehmen.
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Wie bereits zuvor erwähnt, kann der im Wesentlichen in einer Ebene verlaufende, wenigstens abschnittsweise spiralförmige Temperierkanal zwischen den beiden Gehäuse-Teilen oder/und im ersten Plattenabschnitt verlaufen.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch in dem zweiten Plattenabschnitt wenigstens ein im Wesentlichen in einer Ebene verlaufender wenigstens abschnittsweise spiralförmiger Temperierkanal des Temperiermittel-Leitungssystems vorgesehen sein, wie er zuvor für den ersten Plattenabschnitt beschrieben wurde, so dass eine Kühlung bzw. Temperierung der Batteriezellen-Anordnung von zwei gegenüberliegenden Seiten her erfolgt.
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Sämtliche für den ersten Plattenabschnitt beschriebenen Ausführungsvarianten des Temperierkanals sind entsprechend für den im zweiten Plattenabschnitt sowie für einen zwischen den Gehäuse-Teilen verlaufenden Temperierkanal möglich.
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Sofern die einzelnen Batteriezellen entgegengesetzte Pole auf gegenüberliegenden Seiten aufweisen, etwa im Falle von zylindrischen Batteriezellen, kann weiter vorgesehen sein, dass das Batteriemodul-Gehäuse zur Aufnahme einer Batteriezellen-Anordnung ausgebildet ist, die zwei einander gegenüberliegende Polseiten definiert, wobei auch der zweite Plattenabschnitt eine Anordnung von Durchgangslöchern zur Durchführung von elektrischen Leitungen, vorzugsweise von Bonddrähten, aufweist.
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Um die Kühlleistung zu verbessern, kann auch vorgesehen sein, beispielsweise in dem ersten Plattenabschnitt oder/und dem zweiten Plattenabschnitt jeweils eine Mehrzahl von wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Temperierkanälen in der gleichen Ebene vorzusehen.
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Entsprechend können auch in der gleichen Ebene zwischen zwei Gehäuse-Teilen mehrere wenigstens abschnittsweise spiralförmige Temperierkanäle vorgesehen sein.
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Dabei können die in der gleichen Ebene definierten Temperierkanäle im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, so dass die verschiedenen Spiralen ineinander geschachtelt sind, oder sie können in verschiedenen Bereichen der jeweiligen Ebene (etwa des jeweiligen Plattenabschnitts) vorgesehen sein.
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Die Form und Anordnung des Temperierkanals unterliegt verschiedenen Randbedingungen, etwa der Position der Durchgangslöcher.
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So kann beispielsweise der wenigstens einen dem ersten Plattenabschnitt vorgesehenen Temperierkanal so angeordnet sein, dass er an den Durchgangslöchern zur Durchführung von elektrischen Leitungen jeweils vorbei bzw. zwischen diesen hindurch oder aber auch beidseitig um diese herum verläuft.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Temperierkanal in dem Plattenabschnitt zu integrieren, etwa dann, wenn der Plattenabschnitt in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Auch ist es möglich, den Plattenabschnitt aus einem Grundkörper und einem Deckelelement zusammenzusetzen, zwischen denen der Temperierkanal ausgebildet ist, und die in für das jeweilige Temperiermittel dichter Weise miteinander verbunden sind, etwa durch Verschweißen oder Verkleben.
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Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Lösung kann auch vorgesehen sein, dass der Temperierkanal eine in einer Außenfläche des jeweiligen Plattenabschnitts ausgebildete Rille sowie eine in und entlang der Rille vorgesehene Temperiermittel-Leitung umfasst, etwa in Form eines Rohrs oder Schlauchs.
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Verläuft der Temperierkanal zwischen zwei Gehäuse-Teilen, kann in der nach innen weisenden Fläche von wenigstens einem der Gehäuse-Teile, vorzugsweise von beiden Gehäuse-Teilen, jeweils eine Rille ausgebildet sein, in der bzw. in denen eine Temperiermittel-Leitung verlegt ist.
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Weiterhin wird auch Schutz beantragt für eine Batterie für ein Elektrofahrzeug, welche wenigstens ein vorbeschriebenes erfindungsgemäßes Batteriemodul-Gehäuse sowie eine in dem Batteriemodul-Gehäuse aufgenommene Batteriezellen-Anordnung umfasst, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, wobei wenigstens durch einige der Durchgangslöcher in dem ersten Plattenabschnitt sowie ggf. in dem zweiten Plattenabschnitt elektrische Leitungen, vorzugsweise Bonddrähte, hindurchgeführt sind, um die einzelnen Batteriezellen miteinander zu verschalten.
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Die einzelnen Batteriezellen sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe aus zylindrischen Batteriezellen, prismatischen Batteriezellen und Pouch-Batteriezellen. Beispielsweise können Lithium-Ionen Batterien im zylindrischen 18560 oder 21700 Format verwendet werden.
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Auch wird Schutz beantragt für ein Elektrofahrzeug, welches eine solche Batterie umfasst.
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Insbesondere kann bzw. können bei diesem Elektrofahrzeug der wenigstens eine Temperierkanal oder die Temperierkanäle des Temperiermittel-Leitungssystems mit einer Temperiermittel-Pumpe sowie bevorzugt mit einer Kühleinrichtung oder/und einer Heizeinrichtung verbunden sein, um das Temperiermittel auf den zur Kühlung bzw. Erwärmung der Batteriezellen optimalen Temperaturbereich bringen.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls mit einem Batteriemodul-Gehäuse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf den ersten Plattenabschnitt des Batteriemoduls aus 2 bei abgenommener Deckelplatte,
- 3 eine Querschnittansicht des Gegenstands von 2 entlang der dort mit III-III bezeichneten Schnittebene,
- 4 eine Querschnittansicht des Gegenstands von 3 entlang einer Schnittebene, die parallel zur Zeichenebene von 2 mitten durch den Temperierkanal verläuft,
- 5 einen Teil des Gegenstands von 1 in einer Explosionsdarstellung,
- 6 eine Querschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
- 7 eine 6 entsprechende Querschnittansicht eines modifizierten zweiten Ausführungsbeispiels,
- 8 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 9-12 schematische Darstellungen zu verschiedene Möglichkeiten der Anordnung des Temperierkanals bzw. der Temperierkanäle,
- 13 in den Teilabbildungen a) und b) Blockdiagramme zum Kühlmittelkreislauf in einem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug,
- 14 eine stark vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs,
- 15 eine vereinfachte Querschnittansicht eines dritten Ausführungsbeipiels eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
- 16 eine vereinfachte Querschnittansicht eines vierten Ausführungsbeipiels eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls, und
- 17 und 18 schematische Darstellungen zu verschiedene Möglichkeiten der Anordnung des Temperierkanals zwischen den Gehäuse-Teilen bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul in einer Ansicht, die einer Querschnittsansicht entlang der Ebene E-E in 15 entspricht.
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Bei allen Figuren handelt es sich um vereinfachte Darstellungen, die im Wesentlichen das Prinzip der Erfindung illustrieren sollen und insbesondere nicht maßstäblich zu verstehen sind, sofern nicht explizit anders angegeben.
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Gleiche oder einander entsprechende Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele werden jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Um die Figuren nicht zu überfrachten, sind nicht immer alle Merkmale mit einem Bezugszeichen versehen sondern in erster Linie diejenigen, die für das Verständnis oder die Erläuterung der jeweiligen Figur benötigt werden. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere gleichartige Merkmale dargestellt sind, von denen dann häufig nur eines oder einige mit einem Bezugszeichen versehen sind.
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Alle weiteren Ausführungsbeispiele werden hauptsächlich nur insoweit näher erläutert, als sie sich vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden, auf dessen nachfolgende Beschreibung ansonsten verwiesen wird.
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Zunächst soll also ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls bzw. Batteriemodul-Gehäuses anhand der 1 bis 5 näher erläutert werden.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Batteriemoduls 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die Form eines flachen Quaders mit zwei gegenüberliegenden Hauptseiten 12h aufweist, die in 1 die Vorder- und Hinterseite des Batteriemoduls 12 bilden. Es ist so ausgebildet, dass mehrere gleichartige Batteriemodule in einfacher Weise zu einer Batterie zusammengesetzt und verschaltet werden können.
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Das Batteriemodul 12 umfasst ein mehrteilig ausgebildetes Batteriemodule-Gehäuse 1, welches dazu angepasst ist, eine in 1 nur andeutungsweise zu erkennende Batteriezellen-Anordnung 30 aus einer Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen 2 aufzunehmen, deren Batterieachsen 2a (Längs- oder Zylinderachsen) parallel zueinander und orthogonal zu den Hauptseiten 12h verlaufen, wie am besten in 3 zu erkennen ist.
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Das Batteriemodul-Gehäuse 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 1a und ein zweites Gehäuseteil 1b, sowie zwei Deckelplatten 7, mit denen das Batteriemodul 12 an den Hauptseiten 12h abgedeckt ist.
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Zur Verschaltung des Batteriemoduls 12 ist in einem oberen Bereich des ersten Gehäuseteils 1a ein erster elektrischer Kontakt 33 vorgesehen, mit dem jeweils die Pluspole der einzelnen Batteriezellen 2 verbunden sein können, und in einem oberen Bereich des zweiten Gehäuseteils 1b ist ein zweiter elektrischer Kontakt 34 vorgesehen, mit dem die Minuspole der einzelnen Batteriezellen 2 verbunden sein können.
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Weiterhin ist an den Gehäusebauteilen 1a und 1b jeweils eine Einlasszuführung 9a, 9b sowie eine Auslassabführung 8a, 8b vorgesehen, über die ein Temperiermittel, beispielsweise Kühlwasser, in das jeweilige Gehäusebauteil eingeleitet bzw. aus diesem ausgeleitet werden kann.
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2 zeigt eine Draufsicht auf den ersten Plattenabschnitt 20, der an dem ersten Gehäuseteil 1a vorgesehen ist, nachdem die Deckelplatte 7 abgenommen wurde.
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An dem ersten Plattenabschnitt 20 sind eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 22 in regelmäßiger Anordnung vorgesehen, durch die elektrische Leitungen 4 hier in Form von Bonddrähten hindurchgeführt sind, um Leiterplatten 5 oberhalb des ersten Plattenabschnitts 20 mit den Polen der einzelnen Batteriezellen zu verbinden. Weiterhin ist in 2 die Form der Einlasszuführung 9a besser zu erkennen, die zu einem Einlass 9 in einem inneren Bereich des ersten Plattenabschnitts 20 führt.
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In der Querschnittansicht von 3 ist die Batteriezellen-Anordnung 30 aus vorliegend zylindrischen Batteriezellen 2 zu erkennen, die zwei gegenüberliegende Polseiten 32 definiert. Beide Gehäusebauteile 1a, 1b sind sehr ähnlich aufgebaut und weisen jeweils einen entlang der jeweiligen Polseite verlaufenden ersten bzw. zweiten Plattenabschnitt 20, 25 auf sowie einen Batterie-Halterungsabschnitt 26, in dem die einzelnen Batteriezellen 2 positioniert und beispielsweise mit einem geeigneten Klebstoff 28 fixiert sind.
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In dem ersten und zweiten Plattenabschnitt 20, 25 ist jeweils ein im Wesentlichen in einer Ebene verlaufender, abschnittsweise spiralförmiger Temperierkanal 3 vorgesehen, der einen Einlass 9 in einem inneren Bereich des jeweiligen Plattenabschnitts 20, 25 und einen Auslass 8 in einem Randbereich des jeweiligen Plattenabschnitts aufweist, wie am besten in der Querschnittansicht von 4 zu erkennen ist.
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Der Temperierkanal 3 mit Einlass 9, Einlasszuführung 9a, Auslass 8 und Auslassabführung 8a gehört zum Temperiermittel-Leitungssystem 6 des Batteriemodul-Gehäuses 1.
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Der Temperierkanal 3 ist dabei über einen Großteil seiner Gesamtlänge in Spiralform ausgebildet. Lediglich ein kurzes Stück, dass sich an den spiralförmigen Abschnitt 27 anschließt, ist als kurzer mäanderförmiger Abschnitt 29 ausgeführt, um den Temperierkanal 3 zum Auslass 8 zu führen (vgl. 4)
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Zwischen den Batteriezellen 2 und einem durch den Temperierkanal 3 geleiteten Temperiermittel (Kühlflüssigkeit) besteht eine elektrisch isolierende aber wärmeleitende Verbindung. Die Wärmeentwicklung an den Mantelflächen 2m und Polflächen 2p der Batteriezellen 2 (vgl. 3) wird über das Batteriemodul-Gehäuse 1 und den Temperierkanal 3 an das dort hindurch geleitete Temperiermittel übertragen. Günstig ist hierbei, dass die Wärmeleitfähigkeit vor allem bei zylindrischen Batteriezellen in axialer Richtung um ein Vielfaches höher als in radialer Richtung ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 ist der Temperierkanal 3 so ausgelegt, dass er an einzelnen Durchgangslöchern (z.B. 22a) vorbei, aber für die meisten Durchgangslöcher (z.B. 22b) beidseitig um diese herum verläuft, was konstruktiv beispielsweise dadurch gelöst werden kann, dass das jeweilige Gehäusebauteil 1a aus einem in der Explosionsdarstellung von 5 erkennbaren Grundkörper 1a1 sowie einem separat von dem Grundkörper 1a1 ausgebildeten Deckelteil 1a2 aufgebaut ist, zwischen denen der Temperierkanal 3 ausgebildet ist, und die in dichter Weise miteinander verbunden sind. Auch soll nicht ausgeschlossen sein, das Gehäusebauteil in einem 3D-Druckverfahren herzustellen, was besonders große Freiheiten beim Design der einzelnen Bestandteile ermöglicht.
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Alternativ kann der Temperierkanal 3 aber auch so ausgebildet sein, dass er an allen Durchgangsöffnungen 4 vorbei verläuft, wie beispielsweise in 9 oder 11 angedeutet.
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In diesem Fall kann der Temperierkanal 3, wie etwa in den Ausführungsbeispielen der 6 bis 8 dargestellt, eine in einer Außenfläche 20a, 25a des jeweiligen Plattenabschnitts 20, 25 ausgebildete Rille 3a sowie eine in und entlang der Rille 3a vorgesehene Temperiermittel-Leitung 3b umfassen, die bevorzugt in der Rille 3a durch einen geeigneten Klebstoff 28 fixiert ist.
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Die Darstellungen der 6 bis 8 sind stark vereinfacht und schematisiert. Beispielsweise sind nur einige der nebeneinander angeordneten Batteriezellen 2 dargestellt, wobei Auslassungen in den 6 und 7 durch Punkte angedeutet sind, und auch in 8, anders als dargestellt, mehrere Batteriezellen 2 nebeneinander angeordnet sein können.
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Bei den Batteriezellen-Anordnungen 30 der 6 bis 8 handelt es sich beispielhaft um solche, die nur eine einzige Polseite 32 definieren, Minus- und Pluspole also auf der gleichen Seite vorgesehen sind. In den Schnittansichten der 6 bis 8 ist pro Batterie jeweils nur ein Pol zu sehen, der andere könnte beispielsweise jeweils dem sichtbaren Pol benachbart hinter oder vor der jeweiligen Schnittebene angeordnet sein.
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Entsprechend sind bei diesen Beispielen auch nur im ersten Plattenabschnitt 20 Durchgangslöcher 22 vorhanden, allerdings weisen beide Plattenabschnitte 20, 25 einen Temperierkanal 3 auf, wobei der Verlauf des Temperierkanals 3 im zweiten Plattenabschnitt 25 folglich weniger Einschränkungen unterworfen ist, da er nicht die Anordnung der Durchgangslöcher 22 berücksichtigen muss.
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Die Gehäuseteile 1a und 1b in den 6 und 7 sind miteinander verbunden, etwa verschraubt, verklebt oder verschweißt, wobei eine Dichtung 35 dazwischen vorgesehen sein kann.
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An der Unterseite des ersten Plattenabschnitts 20, etwa gegenüber den Stirnseiten der Batteriezellen 2, können in den Figuren nur angedeutete Vorsprünge 36 zur Ausbildung von definierten Klebstoff-Kanälen vorgesehen sein.
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Der Klebstoff 28, der eine geeignet niedrige Viskosität aufweist, kann beispielsweise über die Durchgangsöffnungen 22 von oben in das mit den Batteriezellen 2 bestückte Batteriemodul-Gehäuse 1 eingebracht werden und dann entlang den durch die Vorsprünge 36 definierten Klebstoff-Kanälen zunächst entlang der oberen Stirnseiten bzw. Polflächen 2p der Batteriezellen 2 radial nach außen und dann entlang der Mantelflächen 2m der Batteriezellen 2 nach unten fließen, ggf. sogar nach unten bis zum zweiten Gehäuseteil 1 b und so nach dem Aushärten eine feste Verbindung zwischen Batteriezellen und Gehäuse mit guten Wärmeleitungseigenschaften herstellen. Der Klebstoff 28 kann zusätzlich auch die Gehäuseteile 1a und 1b fest miteinander sowie mit den Batteriezellen 2 verbinden.
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Wie in den 6 und 7 nur angedeutet, in 8 aber deutlich dargestellt, kann das Batteriemodul 12 auch teilweise oder völlig in dem Klebstoff 28 eingegossen sein, bzw. es können auch mehrere Batteriemodul-Gehäuse 12 gemeinsam in den Klebstoff 28 bzw. eine geeignete Vergussmasse eingegossen und so mechanisch und wärmeleitend miteinander verbunden werden, um eine erfindungsgemäße Batterie 13 zu bilden, vorzugsweise innerhalb eines zusätzlichen Batteriegehäuses 37. Der Klebstoff 28 kann auch gleichzeitig die Temperiermittel-Leitungen 3b in den Rillen 3a der Temperierkanäle 3 fixieren.
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Die Ausführungsbeispiele der 6 und 7 unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich der Einlass-Zuführungen 9a, die im Beispiel von 6 ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 verlaufen (nicht illustriert), während sie im Beispiel der 7 im jeweiligen Gehäusebauteil 1a, 1b (oder alternativ auch zwischen den Gehäusebauteilen) senkrecht zu den Batterieachsen 2a an den Batteriezellen 2 vorbei verlaufen und dann in Richtung der Batterieachsen 2a zum eigentlichen Einlass 9 im jeweiligen Plattenabschnitt 20, 25 geführt sind.
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Die 10 und 11 illustrieren schematisch verschiedenen Möglichkeiten, mehrere, separate Temperierkanäle 3 in einem gleichen Plattenabschnitt 20 oder 25 vorzusehen, etwa wie in 10 so, dass die Temperierkanäle 3 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, so dass die einzelnen Spiralen ineinander geschachtelt sind, oder wie in 11 so, dass die Temperierkanäle 3 in verschiedenen Bereichen des jeweiligen Plattenabschnitts 20 verlaufen.
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12 veranschaulicht stark vereinfacht und schematisiert das Beispiel eines Temperierkanals 3, der einen als Doppelspirale 60 ausgebildeten Abschnitt umfasst, der in einer ersten Spirale 61 von einem Außenbereich zu einem Zentrum der Doppelspirale und von dort in einer zweiten Spirale 62 wieder zum Außenbereich verläuft. Die beiden Spiralen 61, 62 verlaufen ineinander geschachtelt und im Wesentlichen parallel nebeneinander her, werden aber in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
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Im Kühlbetrieb ist so im Außenbereich die Temperatur der ersten Spirale 61 besonders klein, die der zweiten Spirale 62 aufgrund der Erwärmung des Kühlmediums besonders groß. Im Innenbereich nähert sich die Temperatur der beiden Spiralen 61, 62 aneinander an. In der Summe wird so eine besonders gleichmäßige Temperierung des jeweiligen Plattenabschnitts ermöglicht.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die 9 bis 12 lediglich dazu dienen, beispielhaft mögliche Grundformen des Temperierkanals zu illustrieren, unabhängig davon, ob Durchgangsöffnungen in dem jeweiligen Plattenabschnitt vorgesehen sind, oder nicht. Im Falle von Durchgangsöffnungen kann beispielsweise der Verlauf des Kanals der 10 und 12 lokal so modifiziert werden, dass er an den einzelnen Öffnungen vorbeiläuft, wie in den 9 und 11.
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Wie in 13 illustriert, kann bei einer erfindungsgemäßen Batterie 13 mit einem oder mehreren der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemodule 12 das Temperiermittel (die Temperierflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, ggf. mit geeigneten Zusätzen) mit einer Pumpe 14 in einem Kreislauf durch einen Kühler 15 oder Wärmetauscher mit oder ohne externen Lüfter und durch die Temperierkanäle 3 der Batterie 13 gepumpt werden (vgl. Teilabbildung a)).
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Durch Zwischenschaltung einer Klimaanlage 16 oder/und einer Vorwärmepumpe 17 bzw. einer anderen geeigneten Heizeinrichtung, wie in Teilabbildung b) dargestellt, lässt sich die Temperatur des Temperiermittels in einem weiten Bereich einstellen, was beispielsweise auch ein Vorwärmen des Temperiermittels für das Aufladen der Batterie bei niedrigen Außentemperaturen ermöglicht.
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Schließlich illustriert 14 in einer extrem vereinfachten und schematisierten Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs 40 in Form eines Motorrads mit einem Elektromotor 18 als Antrieb, der über eine Leistungselektronik 19 von einer erfindungsgemäßen Batterie 13 mit Energie versorgt wird.
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Ein Kühl- bzw. Temperiermittel wird im Kreis durch einen mit einem Lüfter 17 versehenen Kühler 16 und durch die Temperierkanäle 3 der erfindungsgemäß ausgebildeten Batterie 13 des Elektrofahrzeugs 40 gepumpt, um die Batterie-Lebensdauer zu verlängern und die Lade- und Entladezeiten zu verkürzen.
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Nachzutragen ist, dass die 16 bis 18 verschiedene Möglichkeiten illustrieren, einen wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Temperierkanal 3 zwischen zwei Gehäuse-Teilen 1a, 1b vorzusehen. Ähnlich wie in 8 ist in den 16 und 17 die Darstellung insoweit vereinfacht, als nur eine einzige Batteriezelle 2 innerhalb des Gehäuses 1 dargestellt ist, dieses im tatsächlichen Anwendungsfall aber natürlich eine Vielzahl solcher Batteriezellen in einer geeigneten Anordnung aufnimmt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 16 umfasst dieser Temperierkanal eine Temperiermittel-Leitung 3b, die in Rillen 3a verlegt ist, die in den nach innen (zueinander) weisenden Flächen der beiden Gehäuse-Teile 1a und 1b ausgebildet sind. In 15 dagegen ist der Temperierkanal 3 als Temperiermittel-Leitung ausgebildet, die weitgehend frei in einer Ebene zwischen den Gehäuse-Teilen 1a, 1b um die verschiedenen Batteriezellen 2 herum bzw. zwischen diesen hindurch geführt ist, wie schematisch und beispielhaft in den 17 und 18 illustriert ist. Hier kann eine Fixierung zum Beispiel über eine (nicht dargestellte) Einbettung in den Klebstoff erfolgen. Zu 17 ist noch festzuhalten, dass, anders als dargestellt, die Einlass-Zuführung 9a, die zum Einlass 9 des spiralförmigen Abschnitts des Temperierkanals 3 führt, wenigstens in den Bereichen, in denen sie den im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden Temperierkanal 3 kreuzt, in einer anderen Ebene verläuft als dieser, also über oder unter dem Temperierkanal 3 her.
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Der Temperierkanal 3 kann an den Mantelflächen der Batteriezellen 2 anliegen oder mit Abstand zu diesen verlaufen. In den 15 und 16 umschließen die beiden Gehäuse-Teile 1a und 1b jeweils ungefähr die obere bzw. untere Hälfte der Batteriezellen 2, so dass der Temperierkanal 3 zwischen den Gehäuse-Teilen ungefähr auf halber Höhe der Batteriezellen 2 verläuft. Durch eine andere Aufteilung des Gehäuses kann die Höhe, auf der der Temperierkanal 3 zwischen den Gehäuse-Teilen verläuft, jedoch auch anders eingestellt werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 15 und 16 ist jeweils ein wenigstens abschnittsweise spiralförmig ausgebildeter Temperierkanal 3 im ersten Plattenabschnitt 20 und im zweiten Plattenabschnitt 25 und zwischen den Gehäuse-Teilen 1a, 1b vorgesehen, aber hier ist jede denkbare Kombination möglich. Beispielsweise könnte auch nur zwischen den Gehäuse-Teilen oder nur in einem der beiden Plattenabschnitte ein solcher Temperierkanal vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul-Gehäuse
- 1a
- erstes Gehäuseteil
- 1a1
- Grundkörper
- 1a2
- Deckelelement
- 1b
- zweites Gehäuseteil
- 2
- Batteriezelle
- 2a
- Batterieachse
- 2p
- Polfläche
- 2m
- Mantelfläche
- 3
- Temperierkanal
- 3a
- Rille
- 3b
- Temperiermittel-Leitung
- 4
- Bonddraht
- 5
- Leiterplatte
- 6
- Temperiermittel-Leitungssystem
- 7
- Deckelplatte
- 8
- Auslass
- 8a
- Auslassabführung
- 9
- Einlass
- 9a
- Einlasszuführung
- 12
- Batteriemodul
- 12h
- Hauptseite
- 13
- Batterie
- 14
- Pumpe
- 15
- Kühler
- 16
- Klimaanlage
- 17
- Vorwärmepumpe
- 18
- Elektromotor
- 19
- Leistungselektronik
- 20
- erster Plattenabschnitt
- 20a
- Außenfläche des ersten Plattenabschnitts
- 22
- Durchgangsloch
- 25
- zweiter Plattenabschnitt
- 25a
- Außenfläche des zweiten Plattenabschnitts
- 26
- Batterie-Halterungsabschnitt
- 28
- Klebstoff
- 30
- Batteriezellen-Anordnung
- 32
- Polseite
- 33
- erster elektrischer Kontakt
- 34
- zweiter elektrischer Kontakt
- 35
- Dichtung
- 36
- Vorsprung
- 37
- Batteriegehäuse
- 40
- Elektrofahrzaug
- 27
- spiralförmiger Abschnitt
- 29
- mäanderförmiger Abschnitt
- 60
- Doppelspirale
- 61
- erste Spirale
- 62
- zweite Spiral
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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