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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung, eine Batterie mit wenigstens einer solchen Batteriezellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Batterien werden in unterschiedlichen Formen bereits seit langer Zeit in verschiedensten technischen Bereichen und für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Dabei werden jedoch stetig steigende Anforderungen an die Batterien gestellt, beispielsweise hinsichtlich einer Kapazität, einer Lade- und Entladegeschwindigkeit, einer Ausgangsleistung, Herstellungskosten und der Breite von für einen Betrieb zulässigen Umgebungsbedingungen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist bei vielen Batterien bzw. bei vielen Anwendungen ein Temperatur- oder Wärmemanagement notwendig. Insbesondere bei Batterien, die aus einer Vielzahl einzelner Batteriezellen zusammengesetzt sind, wie beispielsweise Traktionsbatterien für Fahrzeuge, ist vor allem eine ausreichende Wärmeabfuhr oder Kühlung notwendig, um ein Überhitzen der Batterie im Betrieb zu verhindern.
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Beispielsweise ist in der US 2012 / 0 082 887 A1 eine elektrische Speichereinheit beschrieben. Diese umfasst eine Vielzahl von miteinander verbundenen zylindrischen elektrischen Speicherelementen und einen metallischen Halter mit einer konkaven Oberfläche zum Aufnehmen eines Teils einer peripheren Oberfläche eines Speicherelements. Weiter sind eine mit dem Halter verbundene Platte zum Halten der Speicherelemente und ein Verbindungsmaterial vorgesehen. Letzteres ist zwischen der peripheren Oberfläche des Speicherelements und der konkaven Oberfläche des Halters angeordnet, um das Speicherelement und den Halter miteinander zu verbinden.
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Als weiterer Anwendungsfall ist in der
DE 10 2014 209 444 A1 ein Handwerkzeugmaschinenakkupack mit einer Mehrzahl von Akkuzellen, die an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol aufweisen, beschrieben. Die Akkuzellen weisen jeweils einen integrierten Zellverbinder auf, der dazu vorgesehen ist, einen Zellpole der Akkuzelle am Ende des anderen Zellpols elektrisch kontaktierbar zur Verfügung zu stellen. Weiter sind die Akkuzellen mit Verbindungsleitern elektrisch verbunden. Diese Verbindungsleiter sind dabei ausschließlich auf einer Verbindungsseite angeordnet.
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In der US 2012 / 0 021 260 A1 ist ein Batteriemodul beschrieben, das eine Vielzahl von Zellen und einen Temperaturregulator aufweist. Letzterer umfasst ein wärmeübertragendes Element zum Temperieren der Zellen und ein wärmedissipierendes Element, an welchem das wärmeübertragende Element befestigt ist. Das wärmeübertragende Element umfasst eine Vielzahl von Einfügeteilen, die in einen von Seitenwänden der Zellen umgebenen Raum eingefügt sind, und einen Basisteil, der unteren Oberflächen der Zellen zugewandt ist. Ein Teil den Zellen zugewandter Teil des wärmeübertragenden Elements ist aus einer elektrisch isolierenden Substanz gemacht. In Serie miteinander verbundene Zellen sind an ihren Seitenflächen und unteren Oberflächen durch das wärmeübertragende Element flüssigkeitsdicht voneinander isoliert.
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Aus der
DE 10 2009 035 487 A1 ist eine Batterie bekannt, bei der mehrere parallel angeordnete Einzelzellen wärmeleitend auf einer Wärmeleitplatte stehen. Dabei ist weiter vorgesehen, dass die Einzelzellen an einem der Wärmeleitplatte abgewandten Ende in Aussparungen durch eine Halteplatte hindurchragend angeordnet sind. In einem zwischen einer jeweiligen Einzelzelle und der Aussparung gebildeten Zwischenraum ist dabei zumindest partiell ein aus einem aushärtenden Material gebildetes Stützelement eingebracht. Nachteilig an einer solchen Anordnung kann je nach Leistung oder Belastung der Batterie beispielsweise sein, dass Wärme aus den Einzelzellen nur über eine relativ geringe Fläche abgeführt werden kann und im Betrieb zwischen den gegenüberliegenden Enden der Einzelzellen ein Temperaturgradient entstehen kann.
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Aus der
CN 101 606 210 A ist eine Energiespeichereinheit bekannt, bei der eine Vielzahl von einzelnen Speicherelementen durch ein Gehäuse aus einem thermisch leitfähigen Harz aufgenommen sind. Das Gehäuse ist dabei zweiteilig ausgebildet und schließt ein unteres Ende sowie ein oberes Ende der einzelnen Speicherelemente ein.
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Als weiteres Beispiel ist aus der WO 2016 / 139 038 A1 eine Batterie mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen bekannt. Ein jeweiliges Modul weist dabei einen Aufnahmebehälter auf, in dem mit mindestens einem, einen Zwischenraum schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum mit elektrisch isolierenden Kugeln gefüllt ist. Aufgrund der Form der Kugeln und je nach Füllungsgrad ist auch hier keine optimale Wärmeabfuhr von den einzelnen Batteriezellen zuverlässig sichergestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmemanagement einer Batterie mit einem besonders einfachen Aufbau zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung umfasst ein Gerüst und mehrere Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen jeweils zwei einander in einer Hochrichtung der Batteriezellen gegenüberliegende und durch mindestens eine in der Hochrichtung erstreckte Mantelfläche verbundene Stirnseiten auf. Die Mantelfläche kann also beispielsweise wenigstens eine Seitenwand der Batteriezellen sein oder bilden. Die einzelnen Batteriezellen sind mit zumindest im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Hochrichtungen in zellindividuellen Ausnehmungen des Gerüstes gehalten. Das Gerüst kann also dementsprechend auch als Zellhalter oder Zellenhalterung bezeichnet werden. Zwischen den Mantelflächen und diesen zugewandten Innenseiten der Ausnehmungen ist jeweils ein Lückenfüller angeordnet, der die Batteriezellen und das Gerüst miteinander verbindet. Der Lückenfüller umgibt hier die einzelnen Batteriezellen also zumindest teilweise und füllt bei jeder der Batteriezellen einen Abstand zwischen deren Mantelfläche und der umgebenden Innenwand der Ausnehmung zumindest teilweise aus. Der Lückenfüller stellt also insbesondere senkrecht zu der Hochrichtung eine durchgehende mechanische Verbindung oder Materialverbindung zwischen der jeweiligen Batteriezelle und dem Gerüst dar oder her.
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Erfindungsgemäß ist das Gerüst aus einem festen, formstabilen und wärmeleitfähigen Material zum Temperieren der Batteriezellen, also situationsabhängig zum Zuführen oder Abführen von Wärme zu den Batteriezellen bzw. von den Batteriezellen, gebildet. Das Gerüst ist also starr bzw. steif und zumindest unter Normalbedingungen nicht verformbar. Damit stellt das Gerüst eine mechanische Stabilität und Struktur der Batteriezellenanordnung bereit. Das Gerüst kann dabei insbesondere einteilig, also als monolithisches Bauteil ausgebildet sein, in dem die Ausnehmungen verteilt und voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Weiter ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die Innenseiten der Ausnehmungen in der Hochrichtung zumindest im Wesentlichen über eine gesamte Länge der Mantelflächen der Batteriezellen erstrecken. Mit anderen Worten umgibt das Gerüst die Batteriezellen zumindest in deren Hochrichtung, also durchgängig und zumindest nahezu vollständig. Bevorzugt kann eine Höhe oder Ausdehnung des Gerüstes in der Hochrichtung zumindest im Wesentlichen der Länge der Mantelflächen in der Hochrichtung oder einer in dieser Richtung gemessenen Höhe der Batteriezellen insgesamt entsprechen. Die Ausnehmungen können dabei in der Hochrichtung das Gerüst vollständig oder nur teilweise durchgreifen. Die Ausnehmungen können also an den Stirnseiten der darin aufgenommenen Batteriezellen offen oder an einer oder beiden Seiten geschlossen oder abgedeckt sein.
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Weiter ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Lückenfüller aus einem dauerhaft verformbaren wärmeleitfähigen Material gebildet ist. Das Material des Lückenfüllers kann also insbesondere unter Normalbedingungen dauerhaft weich oder elastisch oder flexibel sein, also insbesondere nicht aushärtend sein. Dies kann also zumindest bei Zimmertemperatur und einem Druck von 1 bar der Fall sein. Der Lückenfüller kann also beispielsweise ein wärmeleitfähiges Elastomer oder Gel oder eine Wärmeleitpaste oder dergleichen sein. Der Abstand zwischen einer der Mantelflächen und der diese umgebenden Innenseite der jeweiligen Ausnehmung kann dabei so gering und eine Viskosität oder Fließfähigkeit des Materials des Lückenfüllers so gering sein, dass der Lückenfüller auch bei beidseitig offenen Ausnehmungen nicht ohne Weiteres aus der Ausnehmung herausläuft. Bevorzugt kann der Abstand zwischen einer der Mantelflächen und der jeweiligen, dieser zugewandten Innenseite der jeweiligen Ausnehmung beispielsweise weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2 mm betragen. Je nach konkret als Lückenfüller verwendetem Material, können die Ausnehmungen aber, wie beschrieben, beispielsweise einseitig oder beidseitig verschlossen oder abgedeckt sein, um ein Herauslaufen des Lückenfüllers zu verhindern. Um einen besonders zuverlässigen Halt oder Sitz des Lückenfüllers und eine besonders zuverlässige Verbindung des Lückenfüllers zu dem Gerüst und zu der jeweiligen Batteriezelle zu erreichen, kann der Lückenfüller bevorzugt ein wärmeleitfähiger Kleber sein. In einer andere Variante kann der Lückenfüller beispielsweise ein Harz, etwa ein Epoxidharz oder dergleichen sein. Dadurch kann bei Bedarf eine steifere Verbindung zu dem Gerüst herzustellen. Allgemein kann der Lückenfüller ein Gapfiller-Material sein.
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Weiter ist in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ist ein jeweiliger erster elektrischer Pol der Batteriezellen an einer der Stirnseiten angeordnet ist. Weiter sind dann der Lückenfüller und das Gerüst aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet und ein jeweiliger zweiter elektrischer Pol jeder Batteriezelle ist durch den Lückenfüller elektrisch kontaktiert. Der zweite elektrische Pol der Batterie kann also mit der Mantelfläche verbunden oder durch diese gebildet sein. Dies ermöglicht vorteilhaft einen besonders guten elektrischen Kontakt, wobei zudem vorteilhaft ein zusätzliches Kontaktelement zum Kontaktieren des zweiten elektrischen Pols jeder Batteriezelle eingespart werden kann. Vielmehr kann beispielsweise eine elektrische Versorgung oder Kontaktierung der zweiten Pole der Batteriezellen über das Gerüst und damit an einer flexibel wählbaren Stelle realisiert werden. Dies kann vorteilhaft nicht nur den Fertigungsaufwand der Batteriezellenanordnung verringern, sondern vorteilhaft auch zusätzlichen Gestaltungsfreiraum hinsichtlich einer Form bzw. hinsichtlich Bauraumanforderungen der Batteriezellenanordnung schaffen. Die Stirnseite, an der der erste elektrische Pol der jeweiligen Batteriezelle angeordnet ist, kann hier selbstverständlich frei von dem Lückenfüller sein, um einen Kurzschluss zu verhindern. In der hier beschriebenen Art und Weise kann der zweite elektrische Pol bzw. ein entsprechender elektrischer Kontakt besonders großflächig ausgestaltet werden, wodurch vorteilhaft eine lokale Stromdichte verringert und somit eine punktuelle Erwärmung ebenso wie ein elektrischer Widerstand der elektrischen Kontaktierung der zweiten Pole der Batteriezellen verringert werden kann.
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In jedem Fall können durch die dauerhafte Verformbarkeit des Lückenfüllers vorteilhaft Unebenheiten oder Fertigungstoleranzen sowohl der Ausnehmungen als auch der Batteriezellen ausgeglichen und damit stets ein zuverlässiger Kontakt zwischen den Batteriezellen und dem Gerüst sichergestellt werden. Damit kann vorteilhaft ein besonders guter und besonders zuverlässiger und gleichmäßiger Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen und dem Gerüst ermöglicht werden. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung wird zudem eine vorteilhaft besonders große Wärmeübergangsfläche für jede Batteriezelle bereitgestellt. Damit kann nicht nur besonders viel Wärme von den Batteriezellen abgeführt oder den Batteriezellen zugeführt werden, sondern zudem ein Entstehen eines Temperaturgradienten über die Länge, also entlang der Hochrichtung der Batteriezellen, vermieden werden. Dies wird hier vorteilhaft mit einem besonders einfachen Aufbau erreicht, da das Gerüst eine Doppelfunktionalität übernimmt, nämlich sowohl das Bereitstellen einer mechanischen Struktur und Stabilisierung als auch die Wärmeleitung zu oder von den Batteriezellen bzw. dem die Batteriezellen umgebenden Lückenfüller. Letzter kann dabei aufgrund seiner dauerhaften Verformbarkeit vorteilhaft die Fertigungs- oder Genauigkeitsanforderungen der übrigen Bauteile oder Komponenten der Batteriezellenanordnung reduzieren und so einen Fertigungsaufwand der Batteriezellenanordnung weiter reduzieren.
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Die Batteriezellen können besonders bevorzugt zylindrische Zellen sein, wie beispielsweise die heutzutage gängigen Typen 18650 oder 21700 oder dergleichen. In diesem Fall sind die Mantelflächen also zylindrische Flächen mit einem zumindest im Wesentlichen runden Querschnitt. Dies hat den Vorteil, dass die Ausnehmungen besonderes einfach geformt werden können, beispielsweise als einfache Bohrungen in dem Gerüst. Ebenso kann die vorliegende Erfindung jedoch für andersartige geformte Batteriezellen verwendet werden, beispielsweise für prismatische Zellen oder sogenannte Pouch-Zellen. In diesen Fällen können die Ausnehmungen entsprechend anders, aber weiterhin an die Form und Größe der Batteriezellen angepasst, geformt sein. Gerade bei der Verwendung von Pouch-Zellen ist die Verwendung des dauerhaft verformbaren Lückenfüllers besonders vorteilhaft, da durch diesen eine typische Verformung oder Größenveränderung der Pouch-Zellen im Betrieb der Batteriezellenanordnung aufgefangen oder ausgeglichen werden kann. Bei der Verwendung derartiger nicht-zylindrischer Batteriezellen können die Mantelflächen durch entsprechende Freiformflächen oder beispielsweise durch mehrere Seitenflächen der Batteriezellen gebildet sein.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass im Vergleich zu Batterien mit einer Immersionskühlung der einzelnen Batteriezellen, auf einen dort notwendigen hohen Aufwand für die Abdichtung sowie auf einen entsprechenden Pumpmechanismus für ein flüssiges Immersions- oder Kühlmedium verzichtet werden kann.
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Bevorzugt kann zusätzlich an zumindest einer Seite des Gerüsts eine Wärmeleitplatte vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Batteriezellenanordnung auf einer solchen Wärmeleitplatte stehen oder von mehreren solchen Wärmeleitplatten zumindest teilweise umgeben oder eingeschlossen sein. Wenigstens eine solche Wärmeleitplatte kann ebenso Teil der Batteriezellenanordnung sein. Insbesondere kann eine Haupterstreckungsebene wenigstens einer Wärmeleitplatte zumindest im Wesentlichen senkrecht zur der Hochrichtung, also parallel zu den Stirnflächen angeordnet sein. Die Wärmeleitplatte kann dabei in wärmeleitendem direktem oder indirektem Kontakt mit einer Stirnseite der Batteriezellen und oder mit einer Ober- oder Unterseite des Gerüsts angeordnet sein. Die wenigstens eine Wärmeleitplatte kann beispielsweise von einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium, insbes. einem Kühlmedium durchströmbar sein. Beispielsweise kann die Wärmeleitplatte dazu ausgebildet sein, bei bestimmungsgemäßer Anordnung in einem Fahrzeug an einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen zu werden. Eine solche Wärmeleitplatte bzw. Anordnung kann vorteilhaft die von den Batteriezellen über das Gerüst abgeführte Wärme besonders effektiv an eine Umgebung weiterleiten bzw. abführen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Lückenfüller aus einem Material gebildet, dessen Wärmeleitfähigkeit bei steigender Temperatur abnimmt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende inhärente Materialeigenschaft oder durch einen Phasenübergang des Materials des Lückenfüllers erreicht werden. Eine derartige Materialauswahl kann vorteilhaft einem thermischen Durchgehen (englisch: thermal runaway) entgegenwirken, dieses verlangsamen oder in seinen Auswirkungen beschränken.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Ausnehmungen in der Hochrichtung beidseitig durch Deckelelemente verschlossen, und der Lückenfüller ist aus einem Material mit einer Verdampfungs- oder Siedetemperatur zwischen 80°C und 120°C gebildet. Die Deckelelemente können dabei Teil des Gerüstes, also beispielsweise aus demselben Material wie das Gerüst gefertigt sein. Ebenso können die Deckelelemente separate Bauteile sein. Besonders bevorzugt können die Deckelelemente umlaufende Dichtungen aufweisen. Durch die Deckelelemente kann vorteilhaft ein Austreten des Lückenfüllers aus den Ausnehmungen bei Temperaturen oberhalb der Verdampfungstemperatur des Lückenfüllers vermieden werden. Auf diese Weise kann - zumindest bei einem kurzzeitigen - Überschreiten der Verdampfungstemperatur, eine Wärmeübertragung auf die jeweilige Batteriezelle oder von dieser zu anderen der Batteriezellen verhindert oder verringert werden, wodurch ein thermisches Durchgehen der Batteriezellenanordnung insgesamt verhindert oder verlangsamt werden kann. Bevorzugt kann eine Druckstabilität der Decke geringer als eine Druckstabilität des Gerüstes oder eines restlichen Teils des Gerüstes sein. Dadurch kann bei einem Überschreiten der Verdampfungstemperatur des Lückenfüllers gezielt wenigstens eines der Deckelelemente durch den in der jeweiligen Ausnehmung herrschenden Druck abgehoben oder zerstört und damit eine unvorhersehbare Zerstörung des Gerüstes oder eines restlichen Teils des Gerüstes vermieden werden. Ebenso können die Deckelelemente beispielsweise aus einer teilweise gasdurchlässigen Membran gebildet sein, um einen Aufbau eines Überdrucks in den Ausnehmungen zu verhindern oder zu begrenzen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Batteriezellenanordnung einen ersten Zellblock und zweiten Zellblock aus jeweils mehreren Batteriezellen auf. Die ersten elektrischen Pole jedes Zellblocks sind dabei mittels eines jeweiligen Zellverbinders elektrisch miteinander verbunden. Jeder Zellblock weist zudem ein jeweiliges eigenes Gerüst auf, in dem die Batteriezellen dieses Zellblocks aufgenommen sind. Die Gerüste der Zellblöcke sind dabei durch einen elektrischen Isolator voneinander beabstandet. Der Zellverbinder des ersten Zellblocks ist über eine Verbindungleitung elektrisch mit dem Gerüst des zweiten Zellblocks verbunden, sodass die Zellblöcke elektrisch seriell miteinander verschaltet, also in Reihe angeordnet sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Batteriezellenanordnung mit einer Gesamtspannung oder Ausgangsspannung realisiert werden, die höher ist als eine Spannung oder Ausgangsspannung jeder einzelnen Batteriezelle. Dies kann dabei vorliegend auf besonders einfache Weise, also beispielsweise mit besonderes geringem Fertigungsaufwand und zugleich besonders großer gestalterischer Flexibilität realisiert werden, da je nach verfügbarem Bauraum und Gegebenheiten die Verbindungsleitung an verschiedenen Stellen des Gerüstes des zweiten Zellblocks angeschlossen sein oder angeschlossen werden kann. Ebenso kann die Batteriezellenanordnung weitere Zellblöcke aufweisen, wobei die Zellblöcke sämtlich rein seriell oder zumindest teilweise parallel miteinander verbunden oder verschaltet sein können. Eine konkrete Ausgestaltung kann hier beispielsweise abhängig von einer jeweiligen Anwendung oder jeweiligen Anforderung sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung einer anderen Batteriezellenanordnung ist der Lückenfüller aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Dabei kann ein jeweiliger erster elektrischer Pol der Batteriezellen an einer der Stirnseiten angeordnet sein. Ein jeweiliger zweiter elektrischer Pol der Batteriezellen kann an der jeweils gegenüberliegenden Stirnseite angeordnet und/oder mittels einer durch den jeweiligen Lückenfüller geführten Kontaktierungseinrichtung elektrisch angeschlossen sein. Die Batteriezellen können hier also durch den Lückenfüller elektrisch von dem Gerüst isoliert sein. Dies schafft vorteilhaft zusätzlichen gestalterischen Freiraum für die Wahl eines Materials des Gerüstes. Beispielsweise kann dann das Gerüst aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt werden, wodurch vorteilhaft typischerweise eine besonders gute thermische Leitfähigkeit und damit eine entsprechend besonders gute und zuverlässige Temperierung der Batteriezellen erreichbar ist.
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Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine alternative Ausgestaltung einer Batteriezellenanordnung. Diese Batteriezellenanordnung umfasst ebenfalls ein Gerüst und mehrere Batteriezellen. Auch hier weisen die Batteriezellen jeweils zwei einander in einer Hochrichtung der Batteriezellen gegenüberliegende und durch mindestens eine in der Hochrichtung erstreckte Mantelfläche verbundene Stirnseiten auf, wobei die einzelnen Batteriezellen mit zumindest im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Hochrichtungen in zellindividuellen Ausnehmungen des Gerüsts gehalten sind. Auch hier ist zwischen den Mantelflächen und diesen zugewandten Innenseiten der Ausnehmungen jeweils ein Lückenfüller angeordnet, der die Batteriezellen und das Gerüst miteinander verbindet. Auch hier ist vorgesehen, dass das Gerüst aus einem festen, formstabilen und wärmeleitfähigen Material zum Temperieren der Batteriezellen gebildet ist, sich die Innenseiten der Ausnehmungen in der Hochrichtung zumindest im Wesentlichen über eine gesamte Länge der Mantelflächen der Batteriezellen erstrecken und der Lückenfüller aus einem dauerhaft verformbaren wärmeleitfähigen Material gebildet ist.
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Erfindungsgemäß sind bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung zwischen jeder der Batteriezellen und der dieser umgebenden Innenwand der jeweiligen Ausnehmung mehrere formstabile, bevorzugt wärmeleitfähige, Abstandshalter, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind und einen elektrischen Pol der jeweiligen Batteriezelle kontaktieren, angeordnet. Die Abstandshalter sind dabei in Umfangsrichtung der jeweiligen Batteriezelle verteilt angeordnet und durch mit dem Lückenfüller ausgefüllte Bereiche voneinander beabstandet. Bei Verwendung zylindrischer Batteriezellen können die Abstandshalter also entlang des Umfanges jeder Batteriezelle verteilt an deren Mantelfläche angeordnet sein. Bei Verwendung anderer oder anders geformter Batteriezellen können die Abstandshalter beispielsweise an unterschiedlichen Seiten der Batteriezelle angeordnet sein. Bei Verwendung zylindrischer Batteriezellen können wenigstens drei, bevorzugt wenigstens vier, Abstandshalter vorgesehen sein, wobei zwei beliebige benachbarte Abstandshalter in Umfangsrichtung weniger als 180°C voneinander beabstandet sein sollen.
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Bei Verwendung nicht-zylindrischer Batteriezellen kann bevorzugt auf jeder Seite der Batteriezelle wenigstens ein Abstandshalter angeordnet sein. Dadurch, ebenso wie durch die Steifigkeit oder Verformungssteifigkeit der Abstandshalter, kann vorteilhaft besonders zuverlässig eine zentrierte Ausrichtung der Batteriezellen in den Ausnehmungen erreicht bzw. die Batteriezellen trotz der Verformbarkeit des Lückenfüllers in den Ausnehmungen fixiert werden. Insbesondere kann durch die Abstandshalter also eine Relativbewegung zwischen den Batteriezellen und dem Gerüst bzw. ein Unterschreiten eines Minimalabstandes zwischen den Batteriezellen und dem Gerüst vermieden werden.
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Zudem kann durch die Abstandshalter vorteilhaft ein Verschieben oder Fließen des Lückenfüllers in Umfangsrichtung verhindert oder verringert werden. Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung eine Ausdehnung der Abstandshalter insgesamt klein im Vergleich zu einem Gesamtumfang der jeweiligen Batteriezelle oder Ausnehmung ist, beispielsweise höchstens 25 %, bevorzugt höchstens 15 % beträgt. Dadurch kann vorteilhaft ein möglichst großflächiger Kontakt des Lückenfüllers mit den Batteriezellen und dadurch eine besonders homogene Temperatur der Batteriezellen sichergestellt werden. Die Abstandshalter können vorteilhaft in der Hochrichtung über zumindest im Wesentlichen die gesamte Länge der Ausnehmungen bzw. der Mantelflächen erstreckt sein. Die Abstandshalter können also zumindest im Wesentlichen stabförmig ausgebildet sein. Dies kann vorteilhaft eine Fertigung der Batteriezellenanordnung vereinfachen. Ebenso können die Abstandshalter aber in der Hochrichtung kürzer oder beispielsweise mehrteilig oder unterbrochen ausgebildet sein. Dadurch kann vorteilhaft ein Anteil der Mantelfläche, der durch den Lückenfüller kontaktiert ist, vergrößert werden.
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Der hier durch die Abstandshalter kontaktierte elektrische Pol der jeweiligen Batteriezelle kann insbesondere der beschriebene zweite elektrische Pol sein. Die Abstandshalter können beispielsweise die beschriebene Kontaktierungseinrichtung oder Teil dieser Kontaktierungseinrichtung sein. Beispielsweise können die Abstandshalter oder beispielsweise ein Abstandshalter pro Batteriezelle in der Hochrichtung über die Batteriezelle bzw. über die jeweilige Ausnehmung hinaus verlängert sein. Dies kann vorteilhaft ein besonders einfaches elektrisches Kontaktieren der Abstandshalter bzw. der Batteriezellen ermöglichen. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der Abstandshalter können diese vorteilhaft eine Doppelfunktionalität, nämlich zum einen als mechanische Abstandshalter und zum anderen als elektrische Kontaktelemente zum Kontaktieren der Batteriezellen, erfüllen. Dadurch können ein Bauteilaufwand bzw. eine Komplexität der Batteriezellenanordnung vorteilhaft reduziert werden. Je nach Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Gerüst aus einem elektrisch isolierenden oder nicht leitfähigen Material gebildet ist und/oder die Innenseiten oder Innenwände der Ausnehmungen mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Dadurch kann vorteilhaft eine individuelle Kontaktierung und somit eine besonders flexible Verschaltung der Batteriezellen miteinander realisiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Batterie, die ein Gehäuse sowie wenigstens eine darin angeordnete erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung umfasst.
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Die erfindungsgemäße Batterie kann insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug sein. Die erfindungsgemäße Batterie kann darüber hinaus weitere Komponenten oder Bauteile aufweisen, beispielsweise eine Elektronik, eine Steuerung, eine Sicherung und/oder dergleichen mehr.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie aufweist. Die Batterie kann hier bevorzugt eine Traktionsbatterie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische, ausschnittweise Draufsicht auf eine Batteri ezellenanord nu ng;
- 2 eine schematische, teilgeschnittene Perspektivansicht der Batteriezellenanordnung; und
- 3 eine schematische ausschnittweise Draufsicht auf eine Batteriezellenanordnung mit mehreren Zellblöcken.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es ist bekannt, dass Batterie- oder Akkuzellen bei Beanspruchung Wärme erzeugen und daher oftmals eine Kühlung notwendig ist, um einen stabilen und sicheren Betrieb zu erreichen. Bei herkömmlichen Konzepten von Batterien oder Akkus mit mehreren Einzelzellen ist ein Zellzwischenraum oftmals größtenteils thermisch isolierend und entweder luftgefüllt oder mit einem thermisch isolierenden Material ausgefüllt. Damit steht typischerweise nachteilig nur ein geringer Teil einer Gesamtoberfläche der Einzelzellen zum Abführen von Wärme zur Verfügung. In alternativen Konzepten ist der Zellzwischenraum mit einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Flüssigkeit geflutet, was einen hohen Aufwand zur Abdichtung mit sich bringen kann. Zudem ist ein Angebot geeigneter entsprechender Immersions-Kühlmittel stark begrenzt, da ein solches Kühlmittel nicht brennbar sein sollte, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen muss, elektrisch isolierend sein muss und keine Korrosion der Einzelzellen hervorrufen darf.
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Vor diesem Hintergrund zeigt 1 eine schematische ausschnittweise Draufsicht auf eine Batteriezellenanordnung 10 mit einem verbesserten Wärmemanagement. Die Batteriezellenanordnung 10 weist hier ein als Zellenhalter fungierendes Gerüst 12 mit mehreren Ausnehmungen 14 auf. In den Ausnehmungen 14 ist jeweils eine Batteriezelle 16 der Batteriezellenanordnung 10 aufgenommen. Die Batteriezellen 16 sind hier zylindrische Zellen mit einer zylindrischen Mantelfläche, die eine hier sichtbare Stirnseite 18 mit einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite verbindet. Auf der Stirnseite 18 der Batteriezellen 16 ist vorliegend jeweils ein erster Pol 20 zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen 16 angeordnet.
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Die Ausnehmungen 14 sind vorliegend in radialer Richtung der Batteriezellen 16 größer als diese, weisen also einen größeren Durchmesser als die Batteriezellen 16 auf. Dadurch ist jeweils zwischen einer der Batteriezellen 16 und einer dieser zugewandten Innenseite oder Innenwand der jeweiligen Ausnehmung 14 ein Abstand gegeben. In diesem Abstand sind hier mehrere Abstandshalter 22 angeordnet, durch die die Batteriezellen 16 in der jeweiligen Ausnehmung 14 zentriert und fixiert werden. Ein zwischen den Abstandshaltern 22 verbleibender Rest des Abstandes, also ein weder durch die Abstandshalter 22 noch durch die Batteriezellen 16 ausgefüllter Teil der Ausnehmungen 14, ist hier durch einen Lückenfüller 24 aus einem dauerhaft verformbaren, also nicht-aushärtenden, wärmeleitfähigen Material, beispielsweise einem Kühlgel oder einer Wärmeleitpaste, ausgefüllt.
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Durch den Lückenfüller 24 kann Wärme von den Batteriezellen 16 in das Gerüst 12 geleitet werden. Das Gerüst 12 ist hier ebenfalls aus einem wärmeleitfähigen, aber festen bzw. formstabilen Material gefertigt.
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Zur besseren Veranschaulichung zeigt 2 eine schematische, teilweise geschnittene, ausschnittweise Perspektivansicht der Batteriezellenanordnung 10. Hier ist erkennbar, dass die Ausnehmungen 14 in einer Hoch- oder Längserstreckungsrichtung der Batteriezellen 16 das Gerüst 12 zumindest im Wesentlichen vollständig durchgreifen.
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Ebenso erstrecken sich die Abstandshalter 22 zumindest im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Ausnehmungen 14 bzw. der Batteriezellen 16.
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Ein Grundprinzip der Batteriezellenanordnung 10 liegt also in der Verwendung eines thermisch leitfähigen und festen bzw. mechanisch stabilen Materials für das Gerüst 12 und einer wabenähnlichen Struktur des Gerüsts 12, in die die Batteriezellen 16 eingebracht sind. Das Gerüst 12 kann dabei elektrisch leitfähig, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer oder dergleichen, oder elektrisch isolierend, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrit oder Aluminium mit einer Isolationsbeschichtung oder dergleichen, ausgestaltet sein. Der Lückenfüller 24 ermöglicht dabei einen besonders guten und großflächigen Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen 16 und dem Gerüst 12. Der Lückenfüller 24 kann ebenfalls je nach Ausgestaltung elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein.
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3 zeigt eine weitere schematische ausschnittweise Draufsicht auf eine Batteriezellenanordnung 10, die hier mehrere Zellblöcke umfasst. Konkret ist hier beispielhaft ein erster Zellblock 26 mit einem ersten Gerüst 28 und darin aufgenommenen Batteriezellen 16, die einen ersten Zellverbund 30 bilden, dargestellt. Die Batteriezellen 16 sind hier durch einen ersten Zellverbinder 32, der die ersten Pole 20 der Batteriezellen 16 des ersten Zellblocks 26 elektrisch miteinander verbindet, zu dem ersten Zellverbund 30 miteinander verbunden. Von dem ersten Zellblock 26 beabstandet ist hier ein zweiter Zellblock 34 dargestellt, der analog zu dem ersten Zellblock 26 aufgebaut ist. Dementsprechend weist der zweite Zellblock 34 ein eigenes zweites Gerüst 36 sowie mehrere Batteriezellen 16 auf, deren ersten Pole 20 durch einen zweiten Zellverbinder 38 zu einem zweiten Zellverbund 40 elektrisch miteinander verbunden sind.
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Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Batteriezellen 16 und der ersten Pole 20 gekennzeichnet.
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Der erste Zellblock 26 und der zweite Zellblock 34 sind hier durch einen elektrischen Isolator 42 voneinander beabstandet.
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Der erste Zellverbinder 32 ist hier über eine Verbindungsleitung 44 mit dem zweiten Gerüst 36 elektrisch verbunden. Die Gerüste 28, 36 sind hier elektrisch leitfähig ausgebildet und stellen über den jeweiligen, hier nicht erkennbaren Lückenfüller 24 den elektrischen Kontakt zu den jeweiligen anderen, also von den ersten Polen verschiedenen zweiten Polen der Batteriezellen 16 des jeweiligen Zellverbundes 30, 40 her. Über die Verbindungsleitung 44 sind hier der erste Zellblock 26 und der zweite Zellblock 34 und damit deren Zellverbunde 30, 40 elektrisch seriell miteinander verbunden. Eine derartige Anordnung elektrisch miteinander verbundener Zellblöcke kann im Wesentlichen beliebig seriell und/oder parallel erweitert werden. Dies ist hier durch eine von dem zweiten Zellverbinder 38 ausgehende weitere Verbindungsleitung 46 angedeutet.
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Jeder Zellblock 26, 34 kann beispielsweise ein Modul einer umfassenderen Batterie bilden. Ebenso können mehrere Zellblöcke 26, 34 zu einem Modul der größeren Batterie oder zu der Batterie selbst zusammengefasst sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezellenanordnung
- 12
- Gerüst
- 14
- Ausnehmungen
- 16
- Batteriezellen
- 18
- Stirnseite
- 20
- erster Pol
- 22
- Abstandshalter
- 24
- Lückenfüller
- 26
- erster Zellblock
- 28
- erstes Gerüst
- 30
- erster Zellverbund
- 32
- erster Zellverbinder
- 34
- zweiter Zellblock
- 36
- zweites Gerüst
- 38
- zweiter Zellverbinder
- 40
- zweiter Zellverbund
- 42
- Isolator
- 44
- Verbindungsleitung
- 46
- weitere Verbindungsleitung
