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Die Erfindung betrifft einen Batteriemodulträger sowie eine Batterie, umfassend zumindest einen Batteriemodulträger.
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Die
DE 10 2013 107 668 A1 offenbart eine Batterie mit einem Zell- oder Modulträger, mit welchem eine Batteriezelle oder ein aus mehreren gestapelten Batteriezellen bestehendes Batteriemodul thermisch verbunden ist, wobei der Zell- oder Modulträger einen Kühlkanal aufweist.
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Der erfindungsgemäße Batteriemodulträger umfasst einen Flansch und einen Steg, welche jeweils mehrere Kühlkanäle umfassen, durch die eine Kühlflüssigkeit strömen kann, wobei der Flansch und der Steg einen T-Trägerkörper bilden, und die Kühlkanäle des Flanschs und des Stegs an einer Stirnseite des T-Trägerkörpers miteinander so verbunden sind, dass die Flüssigkeitsströmung in den Kühlkanälen des Flanschs zu der Flüssigkeitsströmung in den Kühlkanälen des Stegs gegenläufig ist.
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Der Batteriemodulträger hat die Funktion Batteriezellen zu tragen. Entsprechend ist der Batteriemodulträger so ausgebildet, dass eine oder mehrere Batteriezellen auf ihm angeordnet und verschaltet werden können. Die Kombination aus Batteriemodulträger und verschalteten Batteriezellen wird hier als Batteriemodul verstanden. Das Batteriemodul kann als Komponente in einer Batterie eingesetzt werden.
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Dadurch, dass die Kühlflüssigkeitsströmung in den Kühlkanälen des Flanschs und Stegs gegenläufig ist, kann eine homogene Kühlung erreicht werden. Bei einer Bestückung mit Batteriezellen längs des Batteriemodulträgers können diese gleichmäßig gekühlt werden. Da die Funktionalität und Lebensdauer vieler Batteriezelltypen eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist, ist eine gleichmäßige Kühlung aller Batteriezellen eines Batteriemoduls vorteilhaft.
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Vorzugsweise umfasst der Flansch oder Steg einen Flüssigkeitsumlenkbereich, oder der Flansch und der Steg umfassen jeweils einen Flüssigkeitsumlenkteilbereich, wobei sich die Flüssigkeitsumlenkteilbereiche zu einem Flüssigkeitsumlenkbereich zusammensetzen. Der Flüssigkeitsumlenkbereich ist derart ausgebildet, dass die Kühlflüssigkeit aus dem Steg in den Flansch oder aus dem Flansch in den Steg umgeleitet und mit einer homogenen Geschwindigkeit und/oder einem homogenen Volumenstrom und/oder einer homogenen Temperatur auf die Kühlkanäle des Flanschs oder Stegs verteilt werden kann.
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Bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wird unter homogen verstanden, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in jedem einzelnen Kühlkanal des Stegs oder Flanschs von einem Sollwert im Bereich von 0 m/s bis 10 m/s um weniger als 20 % abweicht.
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Bezüglich des Volumenstroms des Kühlmittels wird unter homogen verstanden, dass der mittlere Volumenstrom in jedem einzelnen Kühlkanal des Stegs oder Flanschs von einem Sollwert im Bereich von 0 l/min bis 15 l/min um weniger als 20 % abweicht.
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Bezüglich der Temperatur des Kühlmittels wird unter homogen verstanden, dass in einer Schnittfläche des Stegs oder Flanschs, welche parallel zur Stirnseite des Trägerkörpers ausgerichtet ist, die mittlere Temperatur des Kühlmittels in jedem Kühlkanal von einem Sollwert im Bereich von -10 bis 60 °C um weniger als 5 °C abweicht.
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Dadurch, dass der Flüssigkeitsumlenkbereich so ausgestaltet ist, dass die Kühlflüssigkeit mit einer homogenen Geschwindigkeit und/oder einem homogenen Volumenstrom und/oder einer homogenen Temperatur auf die Kühlkanäle des Flanschs oder Stegs umgeleitet und verteilt werden kann, wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr und somit Kühlwirkung entlang des gesamten Batteriemodulträgers unterstützt.
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Vorzugsweise umfasst der Flüssigkeitsumlenkbereich einen Hohlraum, der mit allen Kühlkanälen des Flanschs und des Stegs verbunden ist.
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Dies ermöglicht eine Durchmischung der Kühlflüssigkeit im Flüssigkeitsumlenkbereich, womit eine Homogenisierung der Temperatur und/oder Geschwindigkeit und/oder des Volumenstroms der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen des Flanschs und/oder Stegs einhergehen kann.
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Vorzugsweise ist der Hohlraum im Flüssigkeitsumlenkbereich des erfindungsgemäßen Batteriemodulträgers am Übergang zwischen dem Flansch und dem Steg mit einem Innenwinkel im Bereich von 225° bis 315° und einem Winkelradius im Bereich von 0 mm bis zu einem Wert, welcher der halben Höhe des Stegs entspricht, ausgestaltet.
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Die Einhaltung dieser Abmessungen ist vorteilhaft um Flüssigkeitsverwirbelungen möglichst zu vermeiden und eine laminare Strömung zu ermöglichen. Somit können Schwankungen in der Geschwindigkeit und/oder dem Volumenstrom der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen des Flanschs oder Stegs reduziert und eine Strömung mit homogenem Volumenstrom und/oder homogener Geschwindigkeit erzielt werden.
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Vorzugsweise bildet die Stirnseite des Hohlraums des Flüssigkeitsumlenkbereichs mit der vertikalen Achse des Trägerkörpers einen Winkel im Bereich von 0° bis 60°.
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Durch diese Ausgestaltung kann das Hohlraumvolumen entlang der Strömungsrichtung an das zu transportierende Flüssigkeitsvolumen angepasst werden. Dadurch kann die Kühlflüssigkeit mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit durch den Flüssigkeitsumlenkbereich strömen. Dies ist vorteilhaft für eine Verteilung der Kühlflüssigkeitsströmung auf die Kühlkanäle des Flanschs oder Stegs mit einer homogenen Geschwindigkeit und/oder einem homogenen Volumenstrom.
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Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Batteriemodulträger und eine Vielzahl an Batteriezellen, wobei die Batteriezellen auf beiden Seiten des Stegs des Batteriemodulträgers angeordnet sind.
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Dadurch, dass die Batteriezellen auf beiden Seiten des Stegs angeordnet sind, kann die Oberfläche des Stegs effektiv zur Kühlung genutzt werden. Weiterhin sind in dieser Anordnung, alle Batteriezellen in direktem Kontakt mit dem Flansch und dem Steg des Batteriemodulträgers, was eine homogene Abführung thermischer Energie ermöglicht.
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Die Batterie eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen mit elektrischem oder teilelektrischem Antrieb.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemodulträgers.
- 2A zeigt schematisch einen Flüssigkeitsumlenkbereich des Ausführungsbeispiels in der Frontansicht.
- 2B zeigt schematisch einen Flüssigkeitsumlenkbereich des Ausführungsbeispiels in der in der Seitenansicht.
- 2C zeigt schematisch einen Flüssigkeitsumlenkbereich des Ausführungsbeispiels in der Draufsicht.
- 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie in der Frontansicht.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemodulträgers 1, umfassend einen Flansch 2 und einen Steg 3. Der Flansch 2 und der Steg 3 umfassen jeweils acht Kühlkanäle 4. Die Kühlkanäle 4 sind parallel ausgerichtet und haben den gleichen Querschnitt. Der Flansch 2 und der Steg 3 bilden einen T-Trägerkörper. Je vier Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 befinden sich links und rechts des Stegs 3. Durch die Kühlkanäle 4 strömt eine Kühlflüssigkeit 5. Die Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 und des Stegs 3 sind an einer Stirnseite des T-Trägerkörpers miteinander so verbunden, dass die Flüssigkeitsströmung in den Kühlkanälen 4 des Flanschs 2 zu der Flüssigkeitsströmung in den Kühlkanälen 4 des Stegs 3 gegenläufig ist. Dadurch weist der Batteriemodulträger 1 auf seiner gesamten Länge ein gleichmäßiges Wärmeabfuhrvermögen auf.
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Sowohl der Flansch 2 als auch der Steg 3 sind Strangpresserzeugnisse aus Aluminium. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung des Batteriemodulträgers 1. Die Wände des Flanschs 2 und Stegs 3 weisen aufgrund der Materialwahl eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 170 W/m*K und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Die Wände des Batteriemodulträgers 1 sind 5 mm dick. Dadurch besitzt der Batteriemodulträger 1 eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit um als tragendes Element in einer erfindungsgemäßen Batterie 12 (vergleiche 3) eingesetzt werden zu können.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Batteriemodulträger 1 einteilig. Der Flansch 2 und der Steg 3 bilden ein lückenlos zusammenhängendes Bauteil. Die Verbindung ist eine stoffschlüssige Schweißverbindung mit kantenfreiem Übergang, durch die die Kühlflüssigkeit 5 verwirbelungsfrei und mit homogenem Volumenstrom strömen kann.
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Der Flansch 2 und der Steg 3 umfassen jeweils einen Flüssigkeitsumlenkteilbereich. Die Flüssigkeitsumlenkteilbereiche setzen sich zu einem Flüssigkeitsumlenkbereich 9 (siehe 2 A-C) zusammen. Der Flüssigkeitsumlenkbereich 9 verbindet die Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 und des Stegs 3. Die Kühlflüssigkeit 5 kann aus den Kühlkanälen 4 des Stegs 3 in den Flüssigkeitsumlenkbereich 9 strömen. Dort kann sie umgeleitet und mit einem homogenen Volumenstrom auf die Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 verteilt werden. Dadurch kann im Querschnitt des Flanschs 2 quer zur Flussrichtung des Kühlmittels eine gleichmäßige Kühlwirkung erreicht werden.
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Der Flüssigkeitsumlenkbereich 9 ist als Hohlraum ausgebildet, der mit allen Kühlkanälen 4 des Flanschs 2 und des Stegs 3 verbunden ist. In diesen Hohlraum kann die Kühlflüssigkeit 5 aus allen Kühlkanälen 4 des Stegs 3 einströmen und sich vermischen. Dadurch können geringe Temperaturunterschiede der Kühlflüssigkeitsanteile aus den einzelnen Kühlkanälen 4 des Stegs 3 ausgeglichen werden.
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Der Hohlraum weist am Übergang zwischen Flansch 2 und Steg 3 einen Innenwinkel 11 von 270° mit einem Winkelradius von 5 mm auf (vergleiche 2 B). Durch diese Vermeidung scharfer Kanten werden Turbulenzen in der Strömung reduziert. Dadurch kann die umgelenkte Kühlflüssigkeit 5 laminar auf die parallelen Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 zuströmen und sich mit homogenem Volumenstrom auf diese verteilen.
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Die Hohlraumstimseite 16 des Flüssigkeitsumlenkbereichs 9 schließt mit der vertikalen Achse des T-Trägerkörpers einen Winkel von 25° ein (vergleiche 2 A). Dadurch vergrößert sich im Anwendungsbeispiel der Hohlraumquerschnitt entlang der vertikalen Achse in Richtung der Strömung. Diese Querschnittsvergrößerung geht linear mit dem zunehmenden Volumenstrom der Kühlflüssigkeit 5 im Flüssigkeitsumlenkbereich 9 einher. Dadurch, dass der Hohlraumquerschnitt und der Volumenstrom aneinander angepasst sind, kann die Kühlflüssigkeit 5 im Flüssigkeitsumlenkbereich 9 mit einer konstanten Geschwindigkeit fließen. Dadurch, dass die Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 alle denselben Querschnitt haben, begünstigt die konstante Strömungsgeschwindigkeit im Flüssigkeitsumlenkbereich 9 eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit 5 auf die parallelen Kühlkanäle 4 des Flanschs 2. Dies ermöglicht der Kühlflüssigkeit 5 die Kühlkanäle 4 des Flanschs 2 mit einem homogenem Volumenstrom zu durchströmen.
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Der Batteriemodulträger 1 umfasst einen mit den Kühlkanälen 4 verbundenen Einlass 6 und Auslass 7. Diese sind an derselben Stirnseite des T-Trägerkörpers ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie 12 ermöglicht dies die Verbindung mit einem Kühlaggregat 15 durch ein kurzes Schlauchstücken 14 (vergleiche 3). Auf diese Weise kann eine platzsparende Anordnung geschaffen werden, welche insbesondere für den Einsatz in elektrischen oder teilelektrischen Fahrzeugen vorteilhaft ist.
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Der Steg 3 des Batteriemodulträgers 1 umfasst einen Flüssigkeitsverteilungsbereich 8. Dieser befindet sich zwischen dem Einlass 6 und den Kühlkanälen 4. Der Flüssigkeitsverteilungsbereich 8 besitzt eine gebogene Stirnfläche, an welcher die Kühlflüssigkeit 5 entlangströmen kann. Dabei kann die Kühlflüssigkeit 5 die in der vertikalen Achse angeordneten Eingänge der Kühlkanäle 4 des Stegs 3 passieren. Durch den gleichen Durchmesser der Kühlkanäle 4 und deren gleichmäßige Verteilung kann sich die Kühlflüssigkeit 5 dabei mit einem homogenen Volumenstrom verteilen.
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Der Flansch 2 umfasst einen Flüssigkeitssammelbereich 10. Dieser ist zwischen den Kühlkanälen 4 und dem Auslass 7 angeordnet. Im Flüssigkeitssammelbereich 10 wird die Kühlflüssigkeit 5 aus den Kühlkanälen 4 des Flanschs 2 gesammelt dem Auslass 7 zugeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie 12 (vergleiche 3) umfasst einen Batteriemodulträger 1 und 168 quaderförmige Batteriezellen 13. Die Batteriezellen 13 sind auf beiden Seiten des Stegs 3 aneinandergereiht angeordnet. Alle Batteriezellen 13 berühren sowohl den Flansch 2 als auch den Steg 3 des Trägerkörpers. Dadurch können sie von zwei Seiten gekühlt werden. Durch die entgegengesetzte Strömungsrichtung in Flansch 2 und Steg 3 erlaubt dies eine effektive und gleichmäßige Kühlung aller Batteriezellen 13 entlang des gesamten Batteriemodulträgers 1.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 13 in Serie verschaltet, wodurch sich deren Spannung summiert. Die beschriebene Ausführungsvariante der Batterie 12 eignet sich insbesondre für den Einsatz in elektrischen oder teilelektrischen Fahrzeugen.
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Weiterhin kann der Batteriemodulträger 1 auch aus anderen als den oben genannten Materialien bestehen. Bevorzugt handelt es sich dabei um Metalle, Polymermaterialien, Polymerverbundwerkstoffe, keramische Verbundwerkstoffe oder metallische Verbundwerkstoffe.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Batteriemodulträger 1 so ausgestaltet, dass die Kühlkanäle 4 des Stegs 3 oder Flanschs 2 unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Dies ermöglicht verschiedene Volumenströme oder Geschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit 5 in den verschiedenen Kühlkanälen 4. Somit kann eine inhomogene Wärmeabfuhr realisiert werden. Dies ist vorteilhaft, wenn mehrere Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturen vorliegen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Teil, welches vom Batteriemodulträger 1 umfasst wird, ein Gussteil.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde zumindest ein Teil, welches vom Batteriemodulträger 1 umfasst wird, durch ein Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing Verfahren hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107668 A1 [0002]
