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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Modul für einen Hochvoltspeicher, einen Hochvoltspeicher und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Ein Modul für einen Hochvoltspeicher umfasst heutzutage mehrere elementare Energiespeichereinheiten. Diese Energiespeichereinheiten sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Zwischen den Energiespeichereinheiten sind Kühlplatten angeordnet durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um die Betriebstemperatur der Energiespeichereinheiten zu gewährleisten. Da die Kühlplatten jeweils einen Zulauf und einen Ablauf haben, weisen derartige Module einen insgesamt komplexen Aufbau mit einer großen Anzahl an Dichtstellen und ebenso eine große Anzahl einzelner Wärmeübergänge auf, die sich nachteilig auf die Wärmeableitung auswirken.
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Die Energiespeichereinheiten verändern ihre Außenabmessungen in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsparameter. Deshalb sind zusätzliche Kunststofffolien (genannt Spacer) zwischen den Energiespeichereinheiten angeordnet, die Veränderungen der Außenabmessungen der Energiespeichereinheiten ausgleichen können. Dadurch steigt die Anzahl der Wärmeübergänge nochmals, was sich ebenfalls nachteilig auf die Wärmeableitung und die Komplexität des Moduls auswirkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile von bekannten Energiespeichermodulen auszuräumen oder zumindest zu verringern.
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Es wird unter anderem ein Modul für einen Hochvoltspeicher bereitgestellt. Das Modul kann eine Mehrzahl an Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Eine Batteriezelle kann jeweils eine erste Seitenfläche und eine der ersten gegenüberliegende zweite Seitenfläche umfassen. Reversibel verformbare Distanzelemente können zwischen der ersten Seitenfläche einer ersten Batteriezelle und der zweiten Seitenfläche einer benachbarten zweiten Batteriezelle derart angeordnet sein, dass ein von dem Gehäuse umfasstes Kühlmittel zur Kühlung in unmittelbaren Kontakt mit jeweils der ersten Seitenfläche der ersten Batteriezelle und der zweiten Seitenfläche der benachbarten zweiten Batteriezelle treten kann. Das bedeutet, dass die Distanzelemente zwar an bestimmten Seitenflächen angeordnet sein können, aber so eingerichtet sein können, dass sie auf diesen Seitenflächen keine großen Auflageflächen einnehmen. Dadurch können im Wesentlichen die gesamten jeweiligen Seitenflächen mit dem Kühlmittel in direkten Kontakt treten. Das Modul kann also eine Immersionskühlung umfassen, also eine direkte Kühlung der Batteriezellen durch das Kühlmittel. Das so eingerichtete Modul ermöglicht vorteilhafterweise die Anzahl der Wärmeübergänge zu reduzieren, so dass die Effizienz der Kühlung der Batteriezellen verbessert wird. Zudem ermöglicht das Modul die verbesserte Ausnutzung des Bauraums, so dass eine verbesserte Energiedichte innerhalb des Hochvoltspeichers erreichbar ist.
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Unter einem Modul ist vorliegend eine abgrenzbare Teileinheit eines Energiespeichers (Hochvoltspeichers) zu verstehen. Insbesondere kann ein Modul austauschbar sein. Zum Austausch des Moduls kann allerdings der Auseinanderbau des Energiespeichers notwendig sein.
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Unter einer Batteriezelle ist eine elektrochemische Batteriezelle zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie zu verstehen, welche wiederaufladbar ist. Die Batteriezellen können seriell und/oder parallel verschaltet sein. Die Batteriezelle kann auch eine Pouchzelle sein. Die Batteriezelle kann von prismatischer Form und/oder im Wesentlichen rechteckig sein.
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Ein Distanzelement kann ein Elastomer umfassen. Das Distanzelement kann eingerichtet sein, um seine Abmessungen zumindest entlang einer (kartesischen) Richtung zumindest vorübergehend bis zu einem unteren/oberen Grenzwert verändern zu können und anschließend dennoch zu den ursprünglichen Abmessungen zurückkehren zu können ohne dass das Distanzelement irreversibel verändert wäre.
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Eine Dicke der Batteriezellen kann entlang einer Richtung veränderlich sein, in der die Distanzelemente angeordnet sind. Das so eingerichtete Modul ermöglicht einerseits, dass die Batteriezellen entlang der Richtung der Distanzelemente variable Außenabmessungen aufweisen können. Gleichzeitig gewährleistet das Modul aber, dass die entsprechenden Seitenflächen der Batteriezellen mit dem Kühlmittel in direkten Kontakt treten können. In anderen Worten, wird die Variabilität der Batteriezellen bei gleichzeitiger Erhöhung der Effizienz der Wärmeableitung gewährleistet. Dadurch kann auch gewährleistet werden, dass die auf die Batteriezellen einwirkenden äußeren Kräfte im Wesentlichen konstant sind, wodurch die Funktionalität der Batteriezellen gewährleistet wird.
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Die Dicke einer Batteriezelle kann sich abhängig von zumindest einem Betriebsparameter des Moduls und/oder abhängig von zumindest einem Betriebsparameter von zumindest einer Batteriezelle verändern. Der Betriebsparameter kann eine Temperatur und/oder einen Ladestrom und/oder einen Entladestrom umfassen. Die Temperatur kann die Temperatur des Moduls und/oder die Temperatur zumindest einer Batteriezelle sein. Das so eingerichtete Modul gewährleistet die Funktionalität der Batteriezellen auch für derartig bedingte Änderungen der Außenabmessungen der Batteriezellen.
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Jede Batteriezelle umfasst zumindest zwei Elektroden und einen Elektrolyten. Die Dicke der Batteriezelle kann sich derart verändern, dass ein Vorhandensein des Elektrolyten zwischen den Elektroden gewährleistet werden kann. Die Dicke der Batteriezelle kann sich auch derart verändern, dass ein Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle verhindert werden kann. Für die Funktionalität der Batteriezellen ist es erforderlich, dass in jedem Betriebszustand ein Mindestabstand zwischen den Elektroden durch den Elektrolyten gewährleistet wird, da es anderenfalls zum Kurzschluss kommen kann. Die Variabilität der Dicke der Batteriezelle kann dann anhand geeigneter Distanzelemente gewährleistet werden. Die Distanzelemente können dazu ein geeignetes Elastizitätsmodul derart aufweisen, dass die Funktionalität der Batteriezelle gewährleistet wird, also die Möglichkeit der Änderung der Dicke. Durch die Verformbarkeit der Distanzelemente kann gewährleistet sein, dass nicht zu große externe Kräfte auf eine Batteriezelle einwirken, die eine ausreichende Elektrolytmasse zwischen den Elektroden generell gefährden könnten.
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Die Batteriezellen können zwischen zwei Stirnflächen des Gehäuses des Moduls eingespannt sein. Dann können die Distanzelemente eingerichtet sein, um eine Änderung der Dicke der Batteriezellen zwischen diesen Stirnflächen ausgleichen zu können. Das so eingerichtete Modul kann verhindern, dass sich die Batteriezellen derart ausdehnen und an das Gehäuse stoßen, dass zu große externe Kräfte auf die einzelnen Batteriezellen einwirken. Solche Kräfte könnten die Funktionalität der Batteriezelle gefährden. Die Distanzelemente verringern in diesem Fall ihre Ausdehnung, so dass genügend Elektrolyt zwischen den Elektroden der Batteriezellen vorhanden ist und ihre Funktionalität gewährleistet wird.
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Die Batteriezellen können in dem Gehäuse in Paaren von einer ersten und einer zweiten Batteriezelle angeordnet sein. Eine erste Seitenfläche der ersten Batteriezelle kann in nicht lösbarer Weise mit einer zweiten Seitenfläche der zweiten Batteriezelle verbunden sein. Die Distanzelemente können derart eingerichtet und angeordnet sein, dass das Kühlmittel mit im Wesentlichen den gesamten restlichen Außenflächen der ersten und zweiten Batteriezelle (mit Ausnahme der direkt verbundenen) zur Kühlung in direkten Kontakt treten kann. Die Distanzelemente können punktförmig zwischen Seitenwänden benachbarter Batteriezellen angeordnet sein. Die Batteriezellen können auch entsprechend einem punktförmigen Raster zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet sein, so dass die auf die Batteriezellen einwirkende und durch die Distanzelemente übertragene Kraft homogen über die entsprechenden Seitenflächen der Batteriezellen verteilt sein kann. Unter nicht lösbarer Weise ist hier eine Verklebung o.ä. zu verstehen. Insofern können die in genannter Weise verbundenen Seitenflächen nur unter unverhältnismäßigem Aufwand voneinander lösbar sein. Da die Batteriezellen paarweise verbaut werden, wird der vorhandene Bauraum effizienter genutzt. Somit ermöglicht das Modul eine verbesserte Herstellungseffizienz. Die Batteriezellen können also derart angeordnet sein, dass sie außer an einer einzelnen Seitenfläche ansonsten an allen Seitenflächen in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten können. Dadurch ist das Modul auch derart eingerichtet, dass die Batteriezellen homogener gekühlt werden können, so dass die Effizienz der Wärmeableitung verbessert wird.
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Das Kühlmittel kann ein im Wesentlichen elektrisch nicht-leitendes Material umfassen. Das Kühlmittel kann ein dielektrisches Material umfassen. Dadurch können die Auswirkungen eines Fehlerfalls einer Batteriezelle vermindert werden. Eine ungewollte Stromleitung mittels des Kühlmittels kann verhindert werden.
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Das Kühlmittel kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels kann zwischen 0,1 W/m·K und 15 W/m·K betragen.
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Das Modul kann einen einzelnen Einlass und einen einzelnen Auslass für das Kühlmittel umfassen. Der Einlass/Auslass kann mit dem Auslass/Einlass eines weiteren Moduls verbindbar sein. Vorliegend ermöglicht das Modul den direkten Kontakt des Kühlmittels mit den Batteriezellen, also eine Immersionskühlung. Deshalb sind einzelne Kühlplatten mit jeweiligen Zuleitungen nicht notwendig. Dadurch kann die Anzahl an Dichtstellen drastisch reduziert werden. Deshalb weist das Modul eine verbesserte Herstellungseffizienz und eine verbesserte Systemintegrität sowie eine verminderte Anzahl an potentiellen Fehlerstellen auf.
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Ein Modul kann eine Vielzahl an Batteriezellen umfassen, beispielsweise zwischen 30 und 500. Die Anzahl der Batteriezellen kann durch die von dem Modul zur Verfügung gestellte Maximalspannung abhängen.
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Es wird auch ein Hochvoltspeicher bereitgestellt, der eine Mehrzahl an Modulen der hierin beschriebenen Art umfassen kann. Der Hochvoltspeicher kann als Energiequelle für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug dienen.
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Es wird auch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt, das einen Hochvoltspeicher und/oder ein Modul der hierin beschriebenen Arten umfassen kann. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können elektrisch antreibbare Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst sein.
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Figurenliste
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- - 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Moduls,
- - 2 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung des Moduls entsprechend der Schnittfläche A-A,
- - 3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung des Moduls entsprechend der Schnittfläche B-B.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Seitenansicht des Moduls 100. Das Modul 100 umfasst ein Gehäuse 102, elektrische Durchführungen 104, einen Einlass 106 für das Kühlmittel und einen Auslass 107 für das Kühlmittel. Die elektrischen Durchführungen 104 sind gegenüber dem Gehäuse 102 elektrisch isoliert. In der Seitenansicht sind auch die Schnittebenen A-A und B-B entsprechend der 2 und 3 kenntlich gemacht.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung des Moduls 100 in einer Draufsicht von oben entsprechend der Schnittebene A-A. Durch das Gehäuse 102 wird ein Innenvolumen 125 des Moduls 100 aufgespannt. Innerhalb des Innenvolumens 125 umfasst das Modul 100 mehrere Batteriezellen 110. Die Batteriezellen 110 sind in dem Modul 100 in Paaren von einer ersten Batteriezelle 110a und einer zweiten Batteriezelle 110b angeordnet. Jede Batteriezelle 110 umfasst zumindest eine erste Seitenfläche 112a und eine der ersten gegenüberliegende zweite Seitenfläche 112b. Für die in Paaren angeordneten Batteriezellen 110 ist die zweite Seitenfläche 112b der ersten Batteriezelle 110a mit der ersten Seitenfläche 112a der zweiten Batteriezelle 110b in nicht lösbarer Weise verbunden. Zumindest ist die Verbindung derart, dass die Seitenflächen 112a, 112b der ersten und zweiten Batteriezelle 110a, 110b nur mit unverhältnismäßigem Aufwand voneinander lösbar sind. Beispielsweise können die Seitenflächen verklebt sein.
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Zwischen jeweiligen Paaren von Batteriezellen 110 sind Distanzelemente 120 im Kontakt mit der ersten Seitenfläche 112a der ersten Batteriezelle 110a und der zweiten Seitenfläche 112b der zweiten Batteriezelle 110b angeordnet. Die Distanzelemente 120 sind elastisch reversibel verformbar, soweit nicht Grenzwerte für eine plastische Verformung überschritten werden. Die Distanzelemente 120 sind zumindest entlang der Richtung x elastisch verformbar, die in der Figur durch einen Pfeil gekennzeichnet ist. Die Distanzelemente 120 können ein Elastomer umfassen.
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Eine Batteriezelle 110 umfasst als Fähnchen ausgebildete Elektroden 114. Das Modul 100 umfasst Zuleitungen 105a, 105b, 105c, mittels denen die Elektroden 114 der Batteriezellen 110 elektrisch kontaktiert werden. Die Batteriezellen 110 eines Moduls 100 sind derart angeordnet und gekoppelt, dass ihre Einzelkapazitäten zusammenwirken, so dass durch die Gesamtheit der Batteriezellen 110 eine Gesamtkapazität des Moduls 100 bereitgestellt wird. Die Zuleitungen 105a, 105b, 105c werden mittels der Durchführungen 104a, 104b in einen Außenraum außerhalb des Gehäuses 102 geführt. Die Durchführungen 104a, 104b sind derart eingerichtet, dass sind mit den Durchführungen 104 von zusätzlichen Modulen 100 unter Zuhilfenahme geeigneter Verbindungsmittel verbindbar sind.
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Die Batteriezellen 100 sind in dem Modul 100 zwischen einer ersten Stirnfläche 102a und einer der ersten Stirnfläche 102a gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 102b des Gehäuses 102 angeordnet. Angrenzend an die Stirnflächen 102a, 102b kann auch eine einzelne nicht als Paar angeordnete Batteriezelle 110 angeordnet sein. Durch das Gehäuse 102 bzw. die Stirnflächen 102a, 102b wird auf die Batteriezellen 110 eine externe Kraft (von den Batteriezellen aus gesehen) ausgeübt, die auch von den Eigenschaften der Distanzelemente 120 abhängt. Während des Betriebs kann die Dicke Dx einer Batteriezelle 110 entlang der Richtung x generell variieren. Die Variation der Dicke Dx ist auf eine Änderung der Betriebsparameter des Moduls 100 und/oder der Batteriezelle 110 zurückzuführen. Der Betriebsparameter kann beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Ladestrom und/oder ein Entladestrom sein. Die Temperatur der Batteriezelle 110 beeinflusst die Dicke Dx. Während eines Lade- oder Entladevorgangs kann zudem eine Temperatur der Batteriezelle 110 zumindest lokal stark variieren. Diese Variation ist umso stärker je höher der jeweilige Lade- oder Entladestrom ist, der an der Batteriezelle 110 anliegt. Die Änderungen der Abmessungen der Batteriezellen 110 summieren sich generell entlang der Richtung x auf. In der Regel werden natürlich alle Batteriezellen gleichzeitig auf- oder entladen, so dass sich die Änderung der Dicke Dx einer einzelnen Batteriezelle über ihre Gesamtanzahl vervielfacht. Die elastisch verformbaren Distanzelemente 120 sind dann eingerichtet, um zu verhindern, dass die durch die Stirnflächen 102a, 102b erzeugten Gegenkräfte zu groß werden und die Funktionalität der Batteriezellen gefährden. Wirken zu große äußere Kräfte auf eine Batteriezelle 110 ein, so kann dies dazu führen, dass die Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Batteriezelle 110 zwischen den Elektroden der Batteriezelle 110 beeinflusst wird. Im Extremfall kann ein Fehlerfall eintreten, in dem zumindest punktweise nicht ausreichend Elektrolyt zwischen den Elektroden vorhanden ist, so dass es zum Kurzschluss und Ausfall der Batteriezelle 110 kommen kann. Aufgrund der hohen Lade- und Entladeströme und aufgrund der großen gespeicherten Ladungsmengen ist ein Kurzschluss einer Batteriezelle jedoch zu vermeiden. Sollte die Dicke Dx der Batteriezellen 110 nun beispielsweise zunehmen, so können die Distanzelemente 120 gestaucht werden, so dass ein Grenzwert für die von außen auf die Batteriezellen 110 einwirkende Kraft nicht überschritten wird. Die Distanzelemente 120 können zudem ein Elastizitätsmodul derart aufweisen, dass die Batteriezellen 110 zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche 102a, 102b in Position gehalten werden können.
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In dem durch das Gehäuse 102 aufgespannten Innenvolumen 125 ist auch ein Kühlmittel 130 angeordnet. Das Kühlmittel 130 kann in direkten Kontakt mit allen Batteriezellen 110 treten um Wärme abzuführen. Das Modul 100 weist insofern eine Immersionskühlung auf. Die Distanzelemente 120 ermöglichen es auch, dass das Kühlmittel 130 trotz der paarweisen Anordnung der Batteriezellen 110 mit zumindest einer Seitenfläche 112a, 112b von jeder Batteriezelle in direkten Kontakt treten kann. Die Distanzelemente 120 sind zwischen den Seitenflächen 112a, 112b im Wesentlichen punktförmig angeordnet. Die Distanzelemente 120 sind vorliegend entsprechend einem punktförmigen Raster angeordnet, wodurch die auf die benachbarten Batteriezellen 110 einwirkende Kraft homogener über die Seitenflächen 112a, 112b verteilt wird. Das bedeutet, dass im Wesentlichen die gesamte jeweilige Seitenfläche 112a, 112b für das Kühlmittel 130 kontaktierbar ist. Die Distanzelemente 120 können z.B. auch einen offenporigen Schaum umfassen. Dadurch werden zusätzliche Wärmeübergänge durch das Vorsehen von Kühlplatten vermieden, so dass die Kühleffizienz gesteigert wird. Durch die paarweise Anordnung der Batteriezellen 110 kann zudem die Bauraumausnutzung bei gleichzeitiger Erhöhung der Kühleffizienz verbessert werden.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung des Moduls 100 in einer Draufsicht von oben entsprechend der Schnittebene B-B. Da ist der Einlass 106 für das Kühlmittel 130. Das Modul 100 umfasst zudem eine Lochplatte 140, die eine Mehrzahl von Durchlässen 142 aufweist. Wird das Kühlmittel 130 anhand des Einlasses 106 in das Modul eingelassen, so bewirkt die Lochplatte 140 eine Verteilung des Kühlmittels 130 über die gesamte Querschnittsfläche des Innenvolumens 125. Dadurch kann eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels 130 innerhalb des Moduls 100 vermieden werden, so dass eine homogenere Kühlung und damit eine verbesserte Kühleffizienz bereitgestellt werden. Unterhalb der Lochplatte 140 sind die Batteriezellen 110 angeordnet, mit denen das Kühlmittel 130 nach Durchtritt durch die Durchlässe 142 in direkten Kontakt tritt.
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Das Modul 100 kann unterhalb der Batteriezellen 110 eine zweite Lochplatte 140 umfassen, die ebenfalls der homogeneren Verteilung des Kühlmittel 130 innerhalb des Moduls 100 dient. Die Menge des Kühlmittels 130 kann derart sein, dass die Batteriezellen 110 im Betrieb zumindest zum Teil von dem Kühlmittel 130 umgeben sind. In anderen Worten stehen die Batteriezellen 110 in dem Kühlmittel 130.
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Da das Modul 100 lediglich einen einzelnen Einlass 106 und einen einzelnen Auslass 107 für das Kühlmittel 130 umfasst und da das Kühlmittel geeignet ist, mit den Batteriezellen 110 in direkten Kontakt zu treten, werden separat ausgeführte Kühlmittelleitungen innerhalb des Moduls 100 vermieden. Somit wird die Anzahl an vorhanden Dichtstellen des Kühlmittelkreislaufs drastisch reduziert, wodurch die Herstellungseffizienz des Moduls 100 verbessert ist. Der Einlass 106 und der Auslass 107 sind mit Auslässen 107 und Einlässen 106 weiterer Module 100 koppelbar. Das Kühlmittel 130 umfasst ein im Wesentlichen elektrisch nicht-leitendes Material (dielektrisches Material), das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, z.B. eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,1 W/m·K und 15 W/m·K. Somit können einerseits eine gute Wärmeableitung gewährleistet und andererseits ein unerwünschter Stromfluss basierend auf dem Kühlmittel 130 im Fehlerfall einer Batteriezelle 110 vermieden werden.
