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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, insbesondere für einen Hochvoltspeicher in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Batteriezellen und wenigstens einer Spezialzelle, die eine im Wesentlichen starre Hülle mit im Wesentlichen den gleichen geometrischen Abmessungen wie eine der Batteriezellen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einem solchen Batteriemodul.
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In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden geeignet dimensionierte Batteriesysteme als Hochvoltspeicher für den alleinigen oder unterstützenden elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs eingesetzt. In solchen Hochvoltspeichern befinden sich mehrere Batteriemodule, in denen jeweils mehrere Batteriezellen zusammengefasst sind. Dabei können die einzelnen Batteriezellen in Serie und/oder parallelgeschaltet sein. Als Batteriezellen werden üblicherweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren bzw.-Batterien eingesetzt.
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Um ein möglichst symmetrisches Zellkontaktiersystem für das Batteriemodul verwenden zu können, werden oftmals zwischen den Batteriezellen in regelmäßigen Abständen Leerstellen vorgesehen. Da sich dies jedoch negativ auf die Modulstabilität auswirken kann, werden alternativ Spezialzellen in Form sogenannter Dummyzellen verbaut, die im Wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen wie eine Batteriezelle haben, jedoch keinen Energiespeicher aufweisen.
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Zur Befestigung der einzelnen Batteriezellen kommen in sogenannten Rundzellenmodulen, bei denen die Batteriezellen eine kreiszylindrische Form aufweisen, häufig zwei plattenförmige Zellhalterungen zum Einsatz, die an den jeweiligen Stirnseiten der Batteriezellen angeordnet sind. Diese auch als Trays bezeichneten Zellhalterungen müssen mit den Batteriezellen verbunden bzw. an diesen befestigt werden.
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Häufig ist zudem im Batteriemodul zwischen den Batteriezellen ein Füllmaterial mit bestimmten thermischen und/oder isolierenden Eigenschaften vorgesehen, das bei der Montage des Moduls als Schaum eingebracht wird.
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Auch ist üblicherweise ein Kühlsystem für die Batteriezellen vorhanden, das von einem meist außerhalb des Batteriemoduls angeordneten Kühlmittelspeicher versorgt wird.
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Dabei muss im Batteriemodul Platz für die Befestigung der Zellhalterungen, für eine Zufuhrmöglichkeit von Füllmaterial bei der Montage sowie für Kühlmittelanschlüsse vorgesehen werden. Da im Batteriemodul der Bauraum (etwa aufgrund des zur Verfügung stehenden Platzes im Fahrzeug) grundsätzlich begrenzt ist, führt ein Bauraumvorhalt für die genannten Punkte zu einem Verlust von Energiedichte beim Batteriemodul, da entsprechend weniger Batteriezellen verbaut werden können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein bezüglich seiner Energiedichte optimiertes Batteriemodul bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein Batteriemodul der eingangs genannten Art, bei dem die Spezialzelle zudem wenigstens ein Schraubloch oder eine Klebefläche aufweist, über das bzw. die die Spezialzelle mit einer Zellhalterung des Batteriemoduls verschraubt bzw. verklebt ist, eine Einlassöffnung und wenigstens eine Auslassöffnung aufweist, über die bei der Montage des Batteriemoduls ein Füllmaterial zwischen die Batteriezellen eingebracht ist, und/oder einen Kühlmittelanschluss aufweist, über den ein Kühlsystem des Batteriemoduls mit einem Kühlmittelspeicher verbindbar ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, der bzw. den Spezialzelle(n) in einem Batteriemodul, die die Verwendung eines symmetrischen Zellkontaktiersytems bei gleichzeitiger Sicherstellung der mechanischen Stabilität des Moduls ermöglichen, zusätzlich eine oder mehrere weitere Funktionen zuzuordnen, indem sie zur Befestigung einer Zellhalterung, zum Einbringen von Füllmaterial während der Montage des Moduls und/oder zur Kühlmittelversorgung eines Kühlsystems genutzt werden. Auf diese Weise entsteht eine multifunktionale Spezialzelle, durch die wertvoller Bauraum eingespart bzw. der begrenzt vorhandene Bauraum optimal genutzt werden kann.
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Da die Spezialzelle(n) mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllt bzw. erfüllen, ist im Batteriemodul mehr Platz für reguläre Batteriezellen vorhanden, so dass das erfindungsgemäße Batteriemodul eine besonders hohe Energiedichte aufweist.
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Insbesondere vereint die Spezialzelle sogar zwei oder alle drei der genannten Zusatzfunktionen. Dabei ist keine der drei genannten Zusatzfunktionen zwingend, jedoch weist die Spezialzelle wenigstens eine dieser Funktionen auf.
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Die Spezialzelle kann somit als Dummyzelle angesehen werden, die neben der Stabilisierung des Moduls eine Zusatzfunktion aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Batteriezellen eine zylindrische, insbesondere kreiszylindrische Form und die Hülle der Spezialzelle ist als Hohlzylinder ausgebildet. Derartige Zellen werden auch als Rundzellen bezeichnet.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen und die Spezialzelle derart angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind und ihre Stirnseiten jeweils in einer Ebene liegen.
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Eine besonders einfache und damit kostengünstige Montage des Batteriemoduls lässt sich erreichen, wenn das Batteriemodul zwei Zellhalterungen aufweist, die im wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind, wobei eine erste Zellhalterung an einer ersten Stirnseite der Batteriezellen und der Spezialzelle und eine zweite Zellhalterung an einer zweiten Stirnseite der Batteriezellen und der Spezialzelle angeordnet ist.
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Insbesondere ist dabei, bezogen auf eine Einbaurichtung bzw. auf die Ausrichtung bei der Montage, eine der Zellhalterungen oben und eine unten am Modul angeordnet. Zumindest die obere der beiden Zellhalterungen ist bevorzugt mit den Spezialzellen verschraubt bzw. verklebt, während die untere Zellhalterung alternativ auch mit den Zellen verklebt sein kann. Zusätzlich kann zwischen den Zellen und der unteren Zellhalterung eine Bodenkühlung in Form einer Kühlplatte vorgesehen sein, wobei dann die Zellen an ihrer unteren Stirnseite mit der Kühlplatte verklebt sind.
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Vorzugsweise ist die Einlassöffnung für das Füllmaterial und/oder das Schraubloch an einer Stirnseite der Spezialzelle angeordnet. Dies ermöglicht eine leichte Zugänglichkeit bei der Montage des Batteriemoduls.
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Vorteilhaft weist die Spezialzelle eine Verschlusskappe auf, die insbesondere in die Einlassöffnung eingesetzt ist. Bei der Montage des Batteriemoduls wird zunächst das Füllmaterial über die Einlassöffnung eingebracht und diese anschließend durch die Verschlusskappe verschlossen.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass das Schraubloch in der Verschlusskappe der Spezialzelle vorgesehen ist.
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Vorzugsweise weist die Spezialzelle mehrere Auslassöffnungen auf, die insbesondere symmetrisch in den benachbarten Batteriezellen zugewandten Bereichen der Hülle angeordnet sind. Auf diese Weise wird das bei der Montage eingebrachte Füllmaterial gleichmäßig im Batteriemodul verteilt.
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Im Fall eines Rundzellenmoduls sind die Auslassöffnungen gleichmäßig an der Mantelfläche der hohlzylindrischen Hülle der Spezialzelle angeordnet.
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Das Füllmaterial hat vorzugsweise thermische und/oder isolierende Eigenschaften und wurde insbesondere bei der Montage als Schaum in das Batteriemodul eingebracht.
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Das Kühlsystem kann, bezogen auf eine Einbaurichtung des Batteriemoduls, als Bodenkühlung und/oder Seitenkühlung ausgebildet sein. In beiden Fällen erfolgt eine Versorgung mit Kühlmittel vorteilhaft über einen Kühlmittelanschluss in oder an der Spezialzelle.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Batteriesystem mit einem Batteriemodul, wie es bisher beschrieben wurde, und einem Kühlmittelspeicher, der mit dem Kühlmittelanschluss der wenigstens einen Spezialzelle verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
- - die 2a bis 2c perspektivische Ansichten einer Spezialzelle, wie sie beim Batteriemodul der 1 verwendet wird;
- - 3 eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht; und
- - 4 eine perspektivische Ansicht einer Spezialzelle des Batteriemoduls aus 3.
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1 zeigt ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 10, das in einem Hochvoltspeicher eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Das Batteriemodul 10 weist mehrere Batteriezellen 12 auf, die eine zylindrische, hier kreiszylindrische Form haben und auch als Rundzellen bezeichnet werden.
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Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 eine oder mehrere Spezialzellen 14, von denen in der 1 eine gezeigt ist. Die in den 2a bis 2c einzeln dargestellte Spezialzelle 14 hat eine im Wesentlichen starre Hülle 16 mit den gleichen geometrischen Abmessungen wie eine der Batteriezellen 12, im Unterschied zu den Batteriezellen 12 jedoch keinen Energiespeicher 17. Die Hülle 16 der Spezialzelle 14 ist hier im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet.
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Eine solche Spezialzelle 14, die auch als Dummyzelle bezeichnet wird, ermöglicht die Verwendung eines symmetrischen Zellkontaktiersystems (in der Figur nicht gezeigt) und gewährleistet gleichzeitig die mechanische Stabilität des Batteriemoduls 10.
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Das Batteriemodul 10 umfasst weiterhin zwei Zellhalterungen 18, 20, die im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind und auch als Trays bezeichnet werden. Dabei ist die erste Zellhalterung 18 an einer ersten, in der 1 obenliegenden Stirnseite 22 der Batteriezellen 12 und der Spezialzelle 14 angeordnet, während die zweite Zellhalterung 20 an einer zweiten, in der 1 unteren Stirnseite 24 der Batteriezellen 12 und der Spezialzelle 14 vorgesehen ist.
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Um die Batteriezellen 12 bzw. die Spezialzelle 14 in ihrer Position im Batteriemodul 10 festzulegen, können die Zellhalterungen 18, 20 zahlreiche kreisförmige Vertiefungen aufweisen, deren Größe in etwa dem Querschnitt der Zellen entspricht und in die die Stirnseiten 22, 24 der Batteriezellen 12 und der Spezialzelle 14 jeweils hineinragen.
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Die Batteriezellen 12 und die Spezialzelle 14 sind derart angeordnet, dass ihre Längsachsen L parallel zueinander ausgerichtet sind und ihre Stirnseiten 22 bzw. 24 jeweils in einer Ebene liegen, die im Wesentlichen der Haupterstreckungsrichtung der plattenförmigen Zellhalterungen 18 bzw. 20 entspricht.
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Die Spezialzelle 14 weist in ihrer ersten Stirnseite 22 ein Schraubloch 26 auf (siehe auch 2c), über das die Spezialzelle 14 bei der Montage des Batteriemoduls 10 mithilfe einer passenden Schraube 28 mit der oberen ersten Zellhalterung 18 verschraubt wird.
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Im Bereich der unteren Stirnseiten 24 kann die zweite, untere Zellhalterung 20 ebenfalls mit der Spezialzelle 14 verschraubt sein; alternativ werden die Batteriezellen 12 und die Spezialzelle 14 bei der Montage mit der unteren Zellhalterung 20 verklebt.
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Wie aus 2a ersichtlich ist, weist die Spezialzelle 14 in ihrer oberen ersten Stirnseite 22 eine Einlassöffnung 30 auf. Zudem sind in der Mantelfläche der hohlzylindrischen Hülle 16 mehrere symmetrisch angeordnete Auslassöffnungen 32 vorgesehen, also in den Bereichen der Hülle 16, die im Einbauzustand den benachbarten Batteriezellen 14 zugewandt sind.
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Über die Einlassöffnung 30 und die Auslassöffnungen 32 wird bei der Montage des Batteriemoduls 10 ein Füllmaterial, insbesondere in Schaumform, zwischen die Batteriezellen 12 eingebracht, das thermische und/oder isolierende Eigenschaften hat. Dies ist in 2a durch die Pfeile F angedeutet.
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Nach dem Einbringen des Füllmaterials in das Batteriemodul 10 wird in die vergleichsweise große Einlassöffnung 30 eine Verschlusskappe 34 eingesetzt (2b), in der das Schraubloch 26 vorgesehen ist. Anschließend kann dann die obere Zellhalterung 18 aufgelegt und über die Schraube 28 mit der Spezialzelle 14 verschraubt werden (1 bzw. 2c).
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Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 10, wobei im Folgenden gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und lediglich auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Ausgestaltung eingegangen wird.
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Beim Batteriemodul 10 gemäß 3 weist die Spezialzelle 14 an ihrer ersten Stirnseite 22 einen Kühlmittelanschluss 36 auf, über den ein Kühlsystem 38 des Batteriemoduls 10 mit einem außerhalb des Batteriemoduls 10 vorgesehenen, hier lediglich angedeuteten Kühlmittelspeicher 40 verbindbar ist. Dabei bilden das Batteriemodul 10 und der Kühlmittelspeicher 40 Teil eines Batteriesystems.
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Das Kühlsystem 38 ist bei der gezeigten Ausführung, bezogen auf eine Einbaurichtung des Batteriemoduls 10, als Bodenkühlung mit einer zwischen der unteren Zellhalterung 20 und den Stirnseiten 24 der Batteriezellen 12 bzw. der Spezialzelle 14 angeordneten Kühlplatte ausgebildet. Alternativ kann das Batteriemodul 10 auch eine Seitenkühlung aufweisen. In beiden Fällen wird das Kühlmittel durch das Innere der Spezialzelle 14 dem Kühlsystem zugeführt.
