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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines solchen Batteriemoduls.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind.
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Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
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Insbesondere für leichte elektrisch angetriebene Fahrzeuge, zu Englisch auch als light electric vehicle (LEV) bekannt, sind vergleichbar leichte und bevorzugt skalierbare Batteriesysteme auszubilden. Dabei kann eine Vielzahl an vergleichbar kleinen und üblicherweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen zu dem Batteriemodul bzw. auch zu der Batterie zusammengeschaltet werden.
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Batteriezellen erzeugen während eines Betriebes aufgrund ihres elektrischen Innerwiderstandes bei einem Stromfluss Wärme, welche abzuführen ist, um Schädigungen der Batteriezellen zu verhindern und auch um eine optimale Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen zu können. Lithium-Ionen-Batteriezellen dürfen beispielsweise nur in bestimmten, begrenzten Temperaturfenstern betrieben werden, da ansonsten sicherheitskritische Ausfälle der Batteriezellen drohen.
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Typischerweise sind Batteriemodule in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen passiv gekühlt, da eine aktive Kühlung oft aus Platz- und Kostengründen nicht darstellbar ist. Besonders in vergleichbar warmen Ländern mit Umgebungstemperaturen, die häufig über 30 °C liegen können, kann hierdurch die Verfügbarkeit der Batteriemodule und somit auch des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges massiv eingeschränkt sein. Insbesondere das Wiederaufladen der einzelnen Batteriezellen der Batteriemodule im Anschluss an eine Fahrt gestaltet sich unter Umständen vergleichbar schwierig und längere Wartezeiten könnten nötig sein, bevor der Ladeprozess gestartet werden darf.
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Beispielsweise die Druckschriften
US 2011/159340 und
EP 1274137 A1 offenbaren jeweils ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine zuverlässige Wärmeabfuhr von der Mehrzahl an Batteriezellen möglich ist.
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Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet.
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Weiterhin sind die Batteriezellen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Eine Batteriezelle weist dabei jeweils ein Gehäuse auf, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezellen aufgenommen sind.
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Zwischen größten Seitenflächen der Gehäuse der Mehrzahl an Batteriezellen ist dabei ein Wärmeleitelement angeordnet. Das Wärmeleitelement umfasst dabei zumindest Aluminium, Kupfer und/oder Graphit. Insbesondere kann das Wärmeleitelement dabei als Folie umfassend Aluminium, Kupfer und/oder Graphit ausgebildet sein. Eine Folie verformt sich insbesondere unter Einwirkung des Schwerefeldes bei einer Rotation in diesem. Das Wärmeleitelement passt sich bevorzugt der Kontur der jeweiligen Batteriezelle an.
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Das Wärmeleitelement ist wärmeleitend mit den größten Seitenflächen der Gehäuse der Mehrzahl an Batteriezellen verbunden und ist dazu ausgebildet, Wärme an eine Umgebung des Batteriemoduls abzuführen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Zweckmäßigerweise sind die Batteriezellen jeweils als zylindrische Batteriezellen ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass zylindrische Batteriezellen auch als Rundzellen bezeichnet sein können. Zylindrische Batteriezellen weisen im Wesentlichen eine zylindrische Mantelfläche mit einer kreisrunden Querschnittsfläche auf, welche an ihren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer kreisrunden Boden- bzw. Deckelfläche abgeschlossen ist. Besonders bevorzugt sind die zylindrischen Batteriezellen jeweils Rundzellen vom Typ 18650, welche einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 65 mm aufweisen. Das Gehäuse der zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ist dabei üblicherweise negativ geladen und bildet den negativen Spannungsabgriff der jeweiligen Batteriezelle aus. Weiterhin ist an einer Deckelfläche der positive Spannungsabgriff der Batteriezelle angeordnet, welcher gegen das Gehäuse und damit den negativen Spannungsabgriff elektrisch isoliert ist.
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Dabei ist das Wärmeleitelement wärmeleitend zumindest teilweise mit der zylindrischen Mantelfläche der zylindrischen Batteriezelle verbunden. Insbesondere ist das Wärmeleitelement dabei nur mit der zylindrischen Mantelfläche der zylindrischen Batteriezelle verbunden. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das Wärmeleitelement bevorzugt nicht an der Boden- bzw. Deckelfläche angeordnet ist.
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Insbesondere weist das Wärmeleitelement eine Längsrichtung auf, welche insbesondere in Richtung der größten Ausdehnung des Wärmeleitelements weist. Weiterhin weist das Wärmeleitelement eine senkrecht zu der Längsrichtung angeordnete Querschnittsfläche auf. Dabei ist das Wärmeleitelement in der Art an dem Gehäuse einer Batteriezelle und bevorzugt der zylindrischen Mantelfläche einer zylindrischen Batteriezelle angeordnet, dass die größte Seitenfläche einer solchen Querschnittsfläche an dem Gehäuse bzw. der zylindrischen Mantelfläche angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Möglichkeit der wärmeleitenden Kontaktierung der Batteriezelle zur Verfügung gestellt werden.
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Von Vorteil ist es, wenn die Mehrzahl an Batteriezellen in einem Batteriemodulgehäuse aufgenommen ist. Dabei ist das Wärmeleitelement dazu ausgebildet, Wärme an das Batteriemodulgehäuse abzuführen. Bspw. kann das Wärmeleitelement durch das Batteriemodulgehäuse hindurch verlaufend ausgebildet sein.
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Besonders von Vorteil ist es dabei, wenn das Wärmeleitelement mit dem Batteriemodulgehäuse verbunden ist. Dabei ist zwischen dem Wärmeleitelement und dem Batteriemodulgehäuse ein thermisch leitfähig ausgebildetes Ausgleichselement angeordnet ist. Das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichselement könnte dabei als eine Wärmeleitpaste oder als ein sogenanntes Gappad bzw. ein so genannter Gapfiller ausgebildet sein. Weiterhin könnte das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichselement auch als thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff ausgebildet sein.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Batteriemodulgehäuse aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet ist. Beispielsweise kann der polymere Werkstoff ausgewählt sein als ein Polyamid (PA), wie beispielsweise PA 66. Dadurch ist es möglich, das Gewicht des Batteriemoduls zu minimieren und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Weiterhin könnte das Batteriemodulgehäuse Glasfasern umfassen, welche beispielsweise in den polymeren Werkstoff eingebettet sein können. Somit kann das Gewicht des Batteriemoduls bei einer gleichzeitig ausreichenden mechanischen Festigkeit reduziert werden, wobei weiterhin auch eine zuverlässige Temperierung der Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ausgebildet ist.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn das Batteriemodulgehäuse eine Temperierplatte und/oder Temperiervorsprünge umfasst.
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Insbesondere ist die Temperierplatte aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer und/oder Nickel, ausgebildet. Die Temperierplatte kann dabei bevorzugt in das Batteriemodulgehäuse integriert sein. Beispielsweise könnte die Temperierplatte in das Batteriemodulgehäuse eingespritzt sein. Bevorzugt ist das Wärmeleitelement dabei mit der Temperierplatte verbunden oder unmittelbar benachbart zu der Temperierplatte mit dem Batteriemodulgehäuse verbunden.
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Temperiervorsprünge könnten beispielsweise als Finne oder Rippe ausgebildet sein. Die Temperiervorsprünge können dabei bevorzugt in das Batteriemodulgehäuse integriert sein. Beispielsweise könnten die Temperiervorsprünge in das Batteriemodulgehäuse eingespritzt sein. Bevorzugt ist das Wärmeleitelement dabei mit den Temperiervorsprüngen verbunden oder unmittelbar benachbart zu den Temperiervorsprüngen mit dem Batteriemodulgehäuse verbunden.
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Insgesamt ist es dadurch also möglich, das Wärmeleitelement an eine Wärmesenke anzubinden.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Wärmeleitelement von einer ersten Seitenfläche zu einer zweiten Seitenfläche verlaufend angeordnet ist. Die erste Seitenfläche ist dabei der zweiten Seitenfläche gegenüberliegend angeordnet. Die erste Seitenfläche ist dabei durch die Mehrzahl an Batteriezellen gemeinsam ausgebildet. Die zweite Seitenfläche ist dabei durch die Mehrzahl an Batteriezellen gemeinsam ausgebildet. Die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche sind dabei insbesondere unmittelbar benachbart zu dem Batteriemodulgehäuse angeordnet. Beispielsweise könnte das Wärmeleitelement von einer Vorderseite zu einer Rückseite des Batteriemoduls verlaufend angeordnet sein. Weiterhin könnte das Wärmeleitelement beispielsweise von einer Seitenfläche zu einer gegenüberliegenden Seitenfläche verlaufend angeordnet sein. Insbesondere ist das Wärmeleitelement durch die Mehrzahl an Batteriezellen hindurch verlaufend angeordnet. Bspw. ist das Wärmeleitelement zwischen einer ersten Mehrzahl an Batteriezellen, welche nebeneinander angeordnet ist, und einer zweiten Mehrzahl an Batteriezellen, welche nebeneinander angeordnet ist, angeordnet. Bspw. weist das Batteriemodul eine Mehrzahl an Wärmeleitelementen auf. Insbesondere können zwei Wärmeleitelemente auch sich überschneidend und bevorzugt im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise weist das Batteriemodul Zellverbinder auf, welche zu einer elektrischen Verschaltung der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet sind. Die Zellverbinder sind dabei an einer senkrecht zu den größten Seitenflächen der Gehäuse angeordneten Seitenfläche angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Zellverbinder bevorzugt an einer Oberseite der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise weist das Wärmeleitelement weiterhin eine Beschichtung aus einem thermisch isolierend ausgebildeten Material auf. Dabei könnte das Wärmeleitelement beispielsweise in der Art ausgebildet sein, dass das Wärmeleitelement eine Schicht aus Aluminium, Kupfer und/oder Graphit, welche das Gehäuse einer Batteriezelle thermisch kontaktiert, und eine thermisch isolierend ausgebildete Schicht, welche an der dem Gehäuse der Batteriezellen abgewandten Seite angeordnet ist, aufweist. Die Schicht aus Aluminium, Kupfer und/oder Graphit ist dabei dazu ausgebildet, Wärme von dem Gehäuse der Batteriezellen abzuführen. Die Schicht aus dem thermisch isolierend ausgebildeten Material ist dabei dazu ausgebildet, eine Propagation, also eine Übertragung von Wärme von Batteriezelle zu Batteriezelle, zu reduzieren bzw. zu verhindern. Dadurch kann also ein zuverlässiger Propagationsschutz innerhalb des Batteriemoduls zur Verfügung gestellt werden. Das thermisch isolierende Material könnte bspw. ausgewählt sein aus Aramid oder Polyamid, wie bspw. Polyamidpapier. Weiterhin könnte das thermisch isolierende Material als PCM ausgebildet sein. Bevorzugt ist jeder Batteriezelle zumindest ein Wärmeleitelement zugeordnet.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines eben beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem leicht elektrisch angetriebenen Fahrzeug (light electric vehicle; LEV). Damit kann ein thermisch optimiertes Batteriemodul für ein leicht elektrisch angetriebenes Fahrzeug (LEV) zur Verfügung gestellt werden.
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Insbesondere sei an dieser Stelle bemerkt, dass mittels einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an Batteriezellen eine zuverlässige thermische Entwärmung der Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt werden kann. Dadurch ist das Batteriemodul weltweit in nahezu allen Märkten bzw. bei nahezu allen Umgebungsbedingungen einsetzbar. Insbesondere können dabei alle Batteriezellen zuverlässig entwärmt werden, da insbesondere auch Bereiche mit einer verstärkten Erwärmung zuverlässig kontaktiert werden können. An dieser Stelle sei angemerkt, dass neben einer Abfuhr von Wärme durch das Wärmeleitelement zu einer Kühlung der Mehrzahl an Batteriezellen, das Wärmeleitelement auch aktiv gekühlt oder geheizt werden kann, um die Batteriezellen aktiv zu temperieren, also aktiv zu kühlen oder zu erwärmen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls 1.
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Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 2, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildet sind. Bei dem in der 1 gezeigten Batteriemodul 1 sind die Batteriezellen 2 jeweils als zylindrische Batteriezellen 200 ausgebildet.
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Weiterhin umfassen die Batteriezellen 2 jeweils ein Gehäuse 3, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle 2 aufgenommen sind.
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Das Batteriemodul 1 weist weiterhin Wärmeleitelemente 4 auf. Die Wärmeleitelemente 4 umfassen zumindest Aluminium, Kupfer und/oder Graphit. Die Wärmeleitelemente 4 sind zwischen größten Seitenflächen 30 der Gehäuse 3 der Mehrzahl an Batteriezellen 2 angeordnet. Weiterhin sind die Wärmeleitelemente 4 wärmeleitend mit den größten Seitenflächen 30 der Gehäuse 3 der Mehrzahl an Batteriezellen 2 verbunden. Insbesondere sind die größten Seitenflächen 30 dabei Mantelflächen 300 des Gehäuses 3 einer zylindrischen Batteriezelle 200. Die größten Seitenflächen 30 stehen hierbei senkrecht auf der Zeichenebene.
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Die Batteriezellen 2 sind elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Insbesondere können in der 1 nicht zu erkennende Zellverbinder die Mehrzahl an Batteriezellen 2 seriell und/oder parallel miteinander verschalten. Die Zellverbinder sind dabei an einer senkrecht zu den größten Seitenflächen 30 der Gehäuse 3 angeordneten und in der Figur nicht zu erkennenden Seitenfläche angeordnet. Insbesondere ist diese Seitenfläche parallel zu der Zeichenfläche angeordnet.
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Eine Wärmeleitelement 4 ist dabei dazu ausgebildet, Wärme an eine Umgebung 5 des Batteriemoduls 1 abzuführen.
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Das Batteriemodul 1 weist ein Batteriemodulgehäuse 6 auf, welches aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise einem Polyamid, ausgebildet ist. Dabei ist die Mehrzahl an Batteriezellen 2 in dem Batteriemodulgehäuse 6 aufgenommen. Insbesondere ist das Wärmeleitelement 4 dazu ausgebildet, Wärme an das Batteriemodulgehäuse 6 abzuführen. Dazu ist das Wärmeleitelement 4 bspw. mit dem Batteriemodulgehäuse 6 verbunden. Insbesondere ist diese Verbindung wärmeleitend ausgebildet. Das Batteriemodulgehäuse 6 umfasst eine Temperierplatte 61 und Temperiervorsprünge 62.
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Zwischen dem Wärmeleitelement 4 und dem Batteriemodulgehäuse 6 ist ein thermisch leitfähig ausgebildetes Ausgleichelement 8 angeordnet. Weiterhin kann auch zwischen dem Wärmeleitelement 4 und der Temperierplatte 61 sowie zwischen dem Wärmeleitelement 4 und den Temperiervorsprüngen 62 ein thermisch leitfähig ausgebildetes Ausgleichselement 8 angeordnet sein
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Das Wärmeleitelement 4 ist dabei von einer ersten Seitenfläche 71 zu einer zweiten Seitenfläche 72 angeordnet. Die erste Seitenfläche 71 und die zweite Seitenfläche 72 sind dabei, wie aus der 1 zu erkennen ist, gegenüberliegend angeordnet. Weiterhin werden die erste Seitenfläche 71 und die zweite Seitenfläche 72 jeweils gemeinsam durch die Mehrzahl an Batteriezellen 2 ausgebildet. Die Wärmeleitelemente 4 verlaufen hierbei durch die Mehrzahl an Batteriezellen 2 hindurch.
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Das Wärmeleitelement 4 weist weiterhin eine Beschichtung 9 aus einem thermisch isolierend ausgebildeten Material auf.
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Ferner ist es möglich, freie Enden 40 der Wärmeleitelemente 4 beispielsweise mit einem Temperierfluid, welches aktiv gefördert wird, zu umströmen. Beispielsweise kann das Batteriemodul 1 hierzu ein in der 1 nicht zu erkennendes Ventilatorelement aufweisen. Dadurch kann eine Temperierung der Batteriezellen 2 reguliert werden.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die freien Enden 40 des Wärmeleitelements 4 auch miteinander verbunden werden können.
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Insgesamt kann ein Bereich 11 mit einer verstärkten Wärmerzeugung zuverlässig gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011159340 [0007]
- EP 1274137 A1 [0007]
