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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlendes Toleranzausgleichselement, welches in einem baulich bedingten Leerraum in einer Batterie angeordnet wird. Es wird das Toleranzausgleichselement sowie ein Verfahren zu dessen Anordnung in einer Batterie beansprucht.
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Bei einer Fertigung einer Batterie, bspw. einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, kommt es baulich oder fertigungstechnisch bedingt zu Zwischen- bzw. Leerräumen. Im Innenraum einer solchen Batterie kann bspw. ein Abstand zwischen einer Energiezelle und einer Innenwand eines Batteriegehäuses auftreten. Umfasst eine Batterie bspw. mehrere Module mit Energiezellen, so können Zwischen- bzw. Leerräume auch zwischen diesen Modulen vorliegen.
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Bei einem Entlade- oder einem Aufladevorgang kann sich eine solche Batterie so stark erhitzen, dass eine Wärmeabfuhr notwendig ist. Hierzu sind aus dem Stand der Technik mehrere Kühlungsmethoden bekannt.
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Die deutsche Druckschrift
DE 10 2012 021 990 A1 schlägt eine Anordnung mit mehreren parallel zueinander angeordneten Zellen eines elektrischen Energiespeichers und mit mehreren mit Kühlmittel durchströmten Kühlelementen vor, wobei sich zwischen zwei Zellen jeweils ein Kühlelement befindet. Hierzu befinden sich sowohl die Zellen als auch die Kühlelemente in einer gemeinsamen Haltestruktur, welche zusätzlich für die Kühlelemente Anschlüsse zur Kühlmittelversorgung bereitstellt.
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In der US-amerikanischen Druckschrift
US 2005/0089750 A1 wird ein jeweiliger von einem Kühlmittel durchströmter Kühlbalg an mindestens einer Oberfläche einer jeweiligen Energiezelle angeordnet. Der Kühlbalg ist aus einem biegsamen und wärmedurchlässigen Material gefertigt.
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Die Druckschrift
US 2016/0254577 A1 offenbart ein Kühlkreislauf für eine Lithium-Ionen-Batterie, welche eine Mehrzahl an Energiezellen aufweist, deren jeweilige Umwandung von einem jeweiligen Kühlbeutel formschlüssig umgeben wird. Der jeweilige Kühlbeutel ist aus einem elektrisch isolierenden und biegsamen Material gefertigt.
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Bei all diesen vorgenannten Druckschriften erfolgt eine direkte oder indirekte Kühlung ausschließlich zwischen meist parallel zueinander angeordneten Energiezellen. Falls eine jeweilige Kühlvorrichtung flexibel bzw. biegsam gestaltet ist, so geschieht dies, um einer Wärmeausdehnung der jeweiligen Energiezellen zulassen zu können. Auf eine Nutzung sonstiger Zwischenräume wird jedoch nicht eingegangen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement vorzustellen, welches mindestens einen baulich bedingten Leerraum einer Batterie ausfüllt, um Bauteile innerhalb der Batterie zu stabilisieren. Zusätzlich soll von einem hierzu in die Batterie eingebrachten Bauelement eine kühlende Wirkung ausgehen. Ferner soll ein Verfahren zur Anordnung eines solchen Bauelementes vorgestellt werden.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Toleranzausgleichselement zur Anordnung innerhalb einer Batterie vorgeschlagen, welches als ein Beutel bzw. als ein Balg mit vorrangig flächiger Ausdehnung gebildet ist. Der Beutel weist ein biegsames bzw. elastisches und elektrisch isolierendes Material auf und umfasst mindestens eine von einem Kühlmittel durchströmbare Kammer. Das Toleranzausgleichselement weist mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung und mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung auf und ist dazu konfiguriert, in einem Leerraum, der durch eine Fertigungstoleranz bei einer Anordnung mindestens eines Batteriemoduls innerhalb der Batterie bedingt ist, angeordnet zu werden und mit mindestens einer äußeren Gehäusewand des mindestens einen Batteriemoduls in unmittelbaren Kontakt zu stehen. Dadurch übt das Toleranzausgleichselement eine stabilisierende Wirkung auf das mindestens eine Batteriemodul aus. Es ist denkbar, dass das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement vorteilhaft auch weitere mit ihm in Kontakt stehende Bauteile, welche innerhalb eines Gehäuses der Batterie angeordnet sind, stabilisiert und zudem auch als zusätzliche Funktion eine kühlende Wirkung auf diese aufweist. Insgesamt ist das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement aber auch nachgiebig gegenüber sich bei Wärme ausdehnenden Bauteilen, so dass Spannungen in diesen jeweiligen Bauteilen vermieden werden bzw. ein durch die Wärmeausdehnung entstehender Druck auf die sich kontaktierenden Materialien verteilt wird.
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Die mindestens eine Kammer ist an einer Stelle mit der mindestens einen Kühlmitteleinlassöffnung und an einer weiteren Stelle mit der mindestens einen Kühlmittelauslassöffnung versehen. Die mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung und die mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung bilden Anschlüsse an eine Kühlm ittelversorgung.
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Das mindestens eine Batteriemodul umfasst mindestens eine Energiespeichereinheit, welche sich innerhalb eines Batteriemodulgehäuses befindet. Für eine Verbauung des mindestens einen Batteriemoduls innerhalb der Batterie, genauer innerhalb des Gehäuses der Batterie, muss in der Regel ein größerer Platz vorgesehen werden, als letztlich nach der Verbauung durch das mindestens eine Batteriemodul eingenommen wird. Außerdem ist denkbar, dass für eine mögliche Wärmeausdehnung des mindestens einen Batteriemoduls ein Leerraum als Toleranz verbleiben soll. Das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement wird innerhalb dieses nach der Verbauung des mindestens einen Batteriemoduls verbliebenen Leerraums angeordnet. Bei gegeneinander abgestuften Batteriemodulen wird so eine Kühlung in zwei Richtungen ermöglicht. Das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement ist auf Grund seiner Flexibilität nicht auf einen rein ebenen bzw. planaren Kontakt beschränkt, sondern kann innerhalb eines jeweilig zur Verfügung stehenden Leerraums auch einer Biegung oder einer Ecke eines jeweiligen Batteriemoduls folgen. Generell kann vorteilhaft durch eine abschließende Anordnung des erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselement, die Verbauung von Batteriemodulen innerhalb des Batteriegehäuses einfacher bzw. weniger komplex gestaltet werden, da bislang knapp bemessene Fertigungstoleranzen vergrößert werden können und damit mehr Platz bzw. Bewegungsspielraum für die Verbauung geschaffen werden kann. Auch bislang im Stand der Technik bekannte Pufferelemente, die jedoch im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselement keine aktive Kühlfunktion aufweisen, wie bspw. Witol™-Elemente oder sogenannte Gap-Filler, können vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement ersetzt werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselementes ist die mindestens eine Kammer durch einen serpentinenartig verlaufenden Schlauch gebildet. Entsprechend befinden sich die mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung an einem ersten Ende der schlauch- bzw. serpentinenartigen Kammer und die mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung an einem zweiten Ende der schlauch- bzw. serpentinenartigen Kammer, wobei der serpentinenartige Verlauf vorteilhaft so gestaltet sein kann, dass die mindestens zwei Öffnungen sich zueinander benachbart an einem Ort des Toleranzausgleichselementes befinden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselementes ist das Toleranzausgleichselement mit der äußeren Gehäusewand des mindestens einen Batteriemoduls fest verbunden. Somit kann das mindestens eine Batteriemodul eine direkte Kühlung durch das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement erfahren.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselementes ist das Toleranzausgleichselement dazu ausgebildet, auf einem für eine zusätzliche Überbrückung der Fertigungstoleranz innerhalb der Batterie angeordneten Toleranzausgleichsunterstützungselement angeordnet zu werden.. Das Toleranzausgleichsunterstützungselement füllt einen einer Fertigungstoleranz geschuldeten Leerraum zusätzlich zum erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselement aus, so dass auch ein schmäleres Toleranzausgleichselement, welches auf Grund seiner Größe den der Fertigungstoleranz geschuldeten Leerraum nicht vollständig ausfüllen kann, einen nach Anordnung des Toleranzausgleichsunterstützungselementes verbliebenen Leerraum zwischen dem Toleranzausgleichsunterstützungselement und einer Seite des mindestens einen Batteriemoduls formschlüssig ausfüllt.
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Ferner wird ein Verfahren zu einer Anordnung eines Toleranzausgleichselementes innerhalb einer Batterie beansprucht, wobei das Toleranzausgleichselement als ein Beutel in vorrangig flächiger Ausdehnung gebildet wird. Der Beutel weist ein biegsames und elektrisch isolierendes Material auf und wird mit mindestens einer Kammer gebildet. Die mindestens eine Kammer wird von einem Kühlmittel durchströmt oder wird von einem Kühlmittel durchströmbar gestaltet. Das Toleranzausgleichselement weist mindestens eine Kühlmitteleinlassöffnung und mindestens eine Kühlmittelauslassöffnung auf. Es wird in einem Leerraum, der durch eine Fertigungstoleranz bei einer Anordnung mindestens eines Batteriemoduls innerhalb der Batterie bedingt ist, angeordnet und mit mindestens einer äußeren Gehäusewand des mindestens einen Batteriemoduls in unmittelbaren Kontakt gebracht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung übt das Toleranzausgleichselement eine stabilisierende Wirkung auf das mindestens eine Batteriemodul aus. Damit werden auch weitere Bauteile, die durch die erfindungsgemäße Anordnung des Toleranzausgleichelementes in einem jeweiligen Leerraum im Innenraum der Batterie mit dem Toleranzausgleichelement in Kontakt stehen, in Schwingungsfreiheitsgraden und/oder Scherungsfreiheitsgraden begrenzt und vorteilhaft stabilisiert.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine Kammer des Toleranzausgleichelementes durch einen serpentinenartig verlaufenden Schlauch gebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Toleranzausgleichselement mit dem mindestens einen Batteriemodul oder einem innerhalb des Batteriegehäuses befindlichen Bauteil fest verbunden. Die feste Verbindung kann baulich erreicht werden, in dem das Toleranzausgleichselement den vorhandenen Leerraum ausfüllt. Es ist aber auch denkbar, dass das Toleranzausgleichselement mit dem mindestens einen Batteriemodul oder einem diesem benachbarten Bauteil verklebt wird.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Toleranzausgleichselement innerhalb der Batterie in einem unterhalb einer Oberseite des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum angeordnet. Da die in einer jeweiligen Energiespeichereinheit des Batteriemoduls beim Entlade- oder Aufladevorgang entstehende Wärme auch durch Luftzirkulation nach „oben“ abgeführt wird, ist es vorteilhaft, das kühlende Toleranzausgleichselement für eine Anordnung in dem möglichst zuoberst bzw. der Oberseite des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum vorzusehen. Ebenso wird die durch das Toleranzausgleichselement bereitgestellte Kühlenergie nach „unten“ fallen, so dass auch möglicherweise weiter „unten“ in der Batterie befindliche weitere Batteriemodule eine in diesem Fall indirekte Kühlung erfahren. Des Weiteren dient das zuoberst angeordnete Toleranzausgleichselement vorteilhaft als weitere Sicherheitsmaßnahme, einen Kontakt des zuoberst befindlichen Batteriemoduls mit einer Unterseite des Deckels des Batteriegehäuses zu verhindern.
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In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Toleranzausgleichselement zwischen zwei in der Batterie zueinander parallel befindlichen Batteriemodulen angeordnet. Eine solche Anordnung kann bspw. sandwichartig erfolgen. Das Toleranzausgleichselement dient auf diese Weise vorteilhaft als Sicherheitsmaßnahme, um zwei jeweilig benachbarte Batteriemodule vor einem Kontakt bei starker Beschädigung oder Verscherung bzw. Verwindung des Batteriegehäuses zu bewahren.
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In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Toleranzausgleichselement zwischen dem mindestens einen Batteriemodul und einem für eine zusätzliche Überbrückung der Fertigungstoleranz innerhalb der Batterie angeordneten Toleranzausgleichsunterstützungselement angeordnet.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Gesamtansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselementes mit angeschlossenem Kühlmittelversorgungschlauch.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Schnittbild durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes zwischen zwei Batteriemodulen gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Schnittbild durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes in einem unterhalb einer Oberseite des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung ein Schnittbild durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes und eines Toleranzausgleichsunterstützungselementes in einem oberhalb einer Unterseite des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 wird in perspektivischer Darstellung eine Gesamtansicht 10 einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Toleranzausgleichselementes 11 mit Kühlmittelversorgungsschlauch 12 gezeigt. Das Toleranzausgleichselement 11 ist als ein serpentinenartig verlaufender Schlauch gestaltet, an dessen erstem Ende sich eine Kühlmitteleinlassöffnung 13 und an dessen zweitem Ende sich eine Kühlmittelauslassöffnung 14 befindet. An die jeweiligen Öffnungen 13, 14 ist ein Kühlmittelversorgungsschlauch 12 angeschlossen, wobei die Kühlmitteleinlassöffnung 13 mit einer Kühlmittelzuleitung 15 und die Kühlmittelauslassöffnung 14 mit einer Kühlmittelableitung 16 verbunden ist.
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In 2 wird in schematischer Darstellung ein Schnittbild 20 durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes 11 zwischen zwei Batteriemodulen 24, 25 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im Schnittbild 20 zu sehen ist das aufgeschnittene Batteriegehäuse, welches eine Oberseite 21, eine Unterseite 22 und einen Seitenanschluss mit innen- und außenliegenden Ports 23 für elektrische Anschlüsse aufweist. Daran an innenliegende Ports angeschlossen befindet sich ein oberes Batteriemodul 24 und ein unteres Batteriemodul 25. Erfindungsgemäß ist zwischen den beiden Batteriemodulen 24, 25 das Toleranzausgleichselement 11 angeordnet, welches einerseits die beiden Batteriemodule 24, 25 gegeneinander stabilisiert, andererseits eine kühlende Wirkung ausübt.
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In 3 wird in schematischer Darstellung ein Schnittbild 30 durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes 11 in einem unterhalb einer Oberseite 21 des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum auf einem einzelnen Batteriemodul 31 gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Während das einzelne Batteriemodul 31 an einen innenliegenden Port des Seitenanschlusses 23 angeschlossen ist, wird in einem Leerraum unterhalb der Oberseite 21 des Batteriegehäuses auf dem einzelnen Batteriemodul 31 das erfindungsgemäße Toleranzausgleichelement 11 angeordnet. Neben der kühlenden Wirkung des an einen Kühlkreislauf angeschlossenen Toleranzausgleichelementes 11 dient es auch als eine Sicherungsmaßnahme zur Kontaktvermeidung von einzelnem Batteriemodul 31 und Oberseite 21 des Batteriegehäuses.
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In 4 wird in schematischer Darstellung ein Schnittbild 40 durch eine Batterie mit Anordnung des Toleranzausgleichelementes 41 und eines Toleranzausgleichsunterstützungselementes 42 in einem oberhalb einer Unterseite 22 des Batteriegehäuses zunächst befindlichen Leerraum unter einem einzelnen Batteriemodul 31 gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Während das einzelne Batteriemodul 31 an einen innenliegenden Port des Seitenanschlusses 23 angeschlossen ist, wird in einem Leerraum oberhalb der Unterseite 22 des Batteriegehäuses unter dem einzelnen Batteriemodul 31 zunächst das Toleranzausgleichsunterstützungselement 42 angeordnet. Hierzu wird das Toleranzausgleichsunterstützungselement 42 mit der Unterseite 22 des Batteriegehäuses fest verbunden. Weiter wird dann zwischen dem Batteriemodul 31 und dem Toleranzausgleichsunterstützungselement 42 das erfindungsgemäße Toleranzausgleichelement 41 angeordnet. Die Anordnung des Toleranzausgleichselementes 41 unterhalb eines der Unterseite 22 des Batteriegehäuses zunächst gelegenen Batteriemoduls 31 ist besonders vorteilhaft, da durch die flexible Eigenschaft des Toleranzausgleichselementes 41 auf eine sonst übliche Anordnung zusätzlicher Pufferelemente, bspw. Witol™-Elemente, verzichtet werden kann. Insbesondere kann ein sogenannter Gap-Filler, der üblicherweise dazu eingesetzt wird, das mindestens eine Batteriemodul mit einer Kühlplatte zu verbinden, der aber mit hohen Kosten verbunden ist, vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Toleranzausgleichselement 41 ersetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012021990 A1 [0004]
- US 2005/0089750 A1 [0005]
- US 2016/0254577 A1 [0006]
