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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Batteriezellen mit einem elektrochemischen Energiespeicher bekannt. Im elektrochemischen Energiespeicher wird Energie elektrochemisch gespeichert. Der Energiespeicher kann aufgeladen werden, indem er elektrisch mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden wird. Elektrische Energie kann aus dem Energiespeicher über eine elektrische Verbindung mit einem elektrischen Verbraucher entnommen werden.
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Insbesondere im Automobilbau werden Batteriezellen immer bedeutsamer für elektrische Antriebe. Die
CN 207 038 662 U offenbart eine Batteriezelle mit einem Wickeldorn, um den der elektrochemische Energiespeicher gewickelt ist. Durch den Wickeldorn kann im Betrieb ein Kühlmittel fließen, um Wärme vom elektrochemischen Energiespeicher weg zu transportieren.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähigere Batteriezelle zu schaffen. Außerdem sollen ein System mit mehreren solchen Batteriezellen, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen System und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1, ein System gemäß Anspruch 7, ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Batteriezelle umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher und einen Kühlkanal. Der Kühlkanal weist einen inneren Abschnitt auf, um den der Energiespeicher aufgewickelt ist. Außerdem weist der Kühlkanal einen äußeren Abschnitt auf, der den Energiespeicher umgibt. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass der Energiespeicher in radialer Richtung vom äußeren Abschnitt umgeben ist. An seinen axialen Enden kann der Energiespeicher frei vom äußeren Abschnitt sein.
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Der Kühlkanal umfasst einen Verbindungsabschnitt, über den der innere Abschnitt mit dem äußeren Abschnitt fluidisch verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt verläuft dabei, insbesondere radial, durch den Energiespeicher. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da der Verbindungsabschnitt für einen noch besseren Wärmetransport weg vom Energiespeicher genutzt wird.
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Beim Betrieb der Batteriezelle kann im Kühlkanal ein Fluid, beispielsweise ein Kältemittel, strömen und die im Energiespeicher erzeugte Wärme abführen. Dies kann sowohl im inneren Abschnitt als auch im äußeren Abschnitt erfolgen. So kann besonders viel Wärme effizient abgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers steigt daher, da er bei zu hohen Temperaturen weniger leistungsfähig ist.
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Der äußere Abschnitt und der innere Abschnitt sind fluidisch miteinander verbunden. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass ein Fluid vom äußeren Abschnitt zum inneren Abschnitt und/oder umgekehrt strömen kann. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Kältemittel handeln.
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Durch die fluidische Verbindung des inneren Abschnitts mit dem äußeren Abschnitt kann das Kältemittel vom inneren Abschnitt zum äußeren Abschnitt oder umgekehrt strömen. Somit kann das Kältemittel durch einen einzigen Einlass in den Kühlkanal einströmen und sowohl den inneren als auch den äußeren Abschnitt erreichen. Es kann außerdem durch einen einzigen Auslass aus dem Kühlkanal austreten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der äußere Abschnitt um den Energiespeicher gewickelt sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlkanal einen Einlass und einen Auslass aufweisen. Der Einlass kann dazu ausgebildet sein, dass ein Fluid in den inneren Abschnitt hineinströmt. Der Auslass kann dazu ausgebildet sein, dass das Fluid aus dem Kühlkanal austritt. Der Einlass und/oder der Auslass können/kann an einem axialen Ende der Batteriezelle angeordnet sein. Beispielsweise können an einem ersten axialen Ende der Batteriezelle elektrische Kontakte angeordnet sein. An einem zweiten axialen Ende der Batteriezelle, das dem ersten Ende gegenüber angeordnet ist, können dann der Einlass und der Auslass angeordnet sein.
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Dabei ist es vorteilhaft, dass das Fluid über den Einlass in den inneren Abschnitt strömt, weil dort eine Wärmeabfuhr eine besonders große Wirkung hat, da die Wärme ansonsten im inneren Abschnitt besonders gestaut wird. Es wird somit eine bessere Kühlwirkung erreicht, als wenn das Fluid zunächst in den äußeren Abschnitt und erst danach in den inneren Abschnitt strömt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Auslass dazu ausgebildet sein, dass das Fluid aus dem inneren Abschnitt austritt. Dabei kann der Einlass insbesondere über den inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt mit dem Auslass fluidisch verbunden sein. Beispielsweise kann ein Fluid durch den Einlass in den inneren Abschnitt eintreten, diesen durchströmen, danach in den äußeren Abschnitt und dann in einen ersten Endbereich des inneren Abschnitts strömen, an dem der Auslass angeordnet ist. Alternativ kann das Fluid durch den Einlass in einen zweiten Endbereich des inneren Abschnitts eintreten, an dem der Einlass angeordnet ist. Ein erster Teil des Fluids kann dann durch den inneren Abschnitt zum Auslass strömen. Ein zweiter Teil des Fluids kann vom zweiten Endbereich zum äußeren Abschnitt strömen, durch den äußeren Abschnitt und dann in den ersten Endbereich des inneren Abschnitts strömen, an dem der Auslass angeordnet ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Verbindungsabschnitt entlang eines axialen Endes des Energiespeichers verlaufen. Hierbei kann es sich um das axiale Ende handeln, an dem der Einlass und der Auslass angeordnet sind. Alternativ kann es sich um das axiale Ende handeln, an dem die elektrischen Anschlüsse angeordnet sind.
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Die Anordnung des Verbindungsabschnitts entlang des axialen Endes des Energiespeichers ist insbesondere vorteilhaft für eine besonders einfache Herstellung der Batteriezelle.
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Das System gemäß Anspruch 6 umfasst mehrere Batteriezellen nach einer Ausführungsform der Erfindung. Ein solches System kann beispielsweise als Zellmodul oder als Batteriesystem bezeichnet werden.
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Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7 umfasst ein System nach einer Ausführungsform der Erfindung und einen elektrischen Antrieb. Das System ist dazu ausgebildet, dem Antrieb elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Der Antrieb kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, das Kraftfahrzeug mit der elektrischen Energie anzutreiben.
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Beim Verfahren gemäß Anspruch 8 wird der Energiespeicher auf den inneren Abschnitt aufgewickelt. Der Energiespeicher wird außerdem mit dem äußeren Abschnitt umwickelt. Ferner wird der äußere Abschnitt mit dem inneren Abschnitt fluidisch verbunden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Merkmale sowie für Merkmale mit gleichen oder ähnlichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle nach dem Stand der Technik mit einem Verbindungsabschnitt entlang eines axialen Endes des Energiespeichers, an dem auch ein Einlass und ein Auslass des Kühlkanals angeordnet sind;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung der Batteriezelle aus 1;
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle nach dem Stand der Technik mit einem Verbindungsabschnitt entlang eines axialen Endes des Energiespeichers, das frei vom Einlass und vom Auslass des Kühlkanals ist;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung der Batteriezelle aus 3;
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle nach der Erfindung mit einem Verbindungsabschnitt, der radial durch den Energiespeicher verläuft;
- 6 eine schematische Schnittdarstellung der Batteriezelle aus 5; und
- 7 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle nach einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen Batteriesubzellen.
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Die Batteriezelle 100 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 101 und einen Kühlkanal. Der Kühlkanal umfasst einen inneren Abschnitt 102 und einen äußeren Abschnitt 103. Der innere Abschnitt 102 ist mit dem äußeren Abschnitt 103 über einen ersten Verbindungsabschnitt 204 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 205 fluidisch verbunden, sodass ein Kühlmittel durch den Kühlkanal strömen kann. Außerdem umfasst der Kühlkanal einen Einlass 200 und einen Auslass 201. Über den Einlass 200 ist ein Fluid in den inneren Abschnitt 102 einfüllbar. Die Batteriezelle 100 umfasst außerdem elektrische Kontakte 202 und 203, die an einem ersten axialen Ende der Batteriezelle 100 angeordnet sind. Der Einlass 200 und der Auslass 201 sind an einem zweiten axialen Ende der Batteriezelle angeordnet, das dem ersten axialen Ende gegenüber angeordnet ist. Wenn die Batteriezelle 100 über die elektrischen Kontakte 202 und 203 elektrisch mit einem Verbraucher, wie beispielsweise einem elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, verbunden wird, stellt der elektrochemische Energiespeicher 101 dem Verbraucher elektrische Energie zur Verfügung.
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Beim Betrieb der Batteriezelle 100 entsteht Wärme. Die Wärme soll besonders gut abgeführt werden, damit die Batteriezelle 100 bei einer Betriebstemperatur betrieben werden kann, bei der sie besonders effizient funktioniert. Zu diesem Zweck strömt das Kältemittel über den Einlass 200 in den inneren Abschnitt 102. Die Stromrichtung des Kältemittels im Betrieb der Batteriezelle 100 ist dabei in den Figuren mit Pfeilen dargestellt.
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Bei dem Beispiel in den 1 und 2 gemäß Stand der Technik umfasst der innere Abschnitt 102 zwei Teilbereiche. Durch einen inneren Teilbereich des inneren Abschnitts 102 strömt das Kältemittel in einer axialen Richtung vom zweiten Ende zum ersten Ende. Im inneren Teilbereich wird noch relativ wenig Wärme durch das Kältemittel aufgenommen, da der innere Teilbereich frei von einem direkten Kontakt mit dem Energiespeicher 101 ist. Der innere Teilbereich ist in radialer Richtung vom äußeren Teilbereich des inneren Abschnitts 102 umgeben und grenzt direkt an den äußeren Teilbereich an. Der innere Teilbereich bildet außerdem das Zentrum der Batteriezelle 100 in radialer Richtung. Am ersten axialen Ende strömt das Kältemittel vom inneren Teilbereich in den äußeren Teilbereich, der vom Energiespeicher 101 umgeben ist und direkt an den Energiespeicher 101 angrenzt. Im äußeren Teilberiech nimmt das Kältemittel daher mehr Wärme auf als im inneren Teilbereich. Durch den äußeren Teilbereich strömt das Kältemittel immer wärmer werdend zurück zum zweiten axialen Ende. Hier strömt es durch den Auslass 201 aus der Batteriezelle 100 aus.
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Parallel zum oben beschriebenen Weg des Fluids durch den inneren Abschnitt 102 strömt das Fluid auch vom Einlass 200, ohne dass es Wärme vom Energiespeicher 101 aufgenommen hat, durch den zweiten Verbindungsabschnitt 205 in radialer Richtung zum äußeren Abschnitt 103. Der äußere Abschnitt 103 weist einen inneren Teilbereich und einen äußeren Teilbereich auf. Ausgehend vom zweiten Verbindungsabschnitt 205 strömt das Kältemittel in axialer Richtung vom zweiten axialen Ende zum ersten axialen Ende durch den äußeren Teilbereich. Hier nimmt das Kältemittel weniger Wärme vom Energiespeicher 101 auf, da der äußere Abschnitt frei von einem direkten Kontakt mit dem Energiespeicher 101 ist. Von hier gelangt es am ersten axialen Ende in den inneren Teilbereich, der zwischen dem Energiespeicher 101 und dem äußeren Teilbereich angeordnet ist. Durch den inneren Teilbereich, der direkt an den Energiespeicher 101 angrenzt, strömt das Kältemittel in axialer Richtung vom ersten axialen Ende zum zweiten axialen Ende und nimmt Wärme vom Energiespeicher 101 auf. Am zweiten axialen Ende strömt das vom Energiespeicher 101 erwärmte Kältemittel durch den ersten Verbindungsabschnitt 204 in radialer Richtung zum inneren Abschnitt 102 und gelangt von dort dann gemeinsam mit dem Fluid, das den äußeren Teilbereich des inneren Abschnitts 102 durchströmt hat, zum Auslass 201, durch en es die Batteriezelle 101 verlässt.
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Die Wärme wird bei dem Beispiel aus den 1 und 2 gemäß Stand der Technik also besonders effizient abgeführt, da das Kältemittel sowohl im inneren Abschnitt 102 als auch im äußeren Abschnitt 103 Wärme vom Energiespeicher 101 aufnimmt und abtransportiert.
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Bei der Herstellung wird der Energiespeicher 101 um den inneren Abschnitt 102 gewickelt. Außerdem wir der äußere Abschnitt 103 um den Energiespeicher 101 gewickelt und fluidisch über den ersten Verbindungsabschnitt 204 und den zweiten Verbindungsabschnitt 205 mit dem inneren Abschnitt 102 fluidisch verbunden.
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Die Batteriezelle 300 aus den 3 und 4 unterscheidet sich insbesondere dadurch von den 1 und 2, dass der zweite Verbindungsabschnitt 400 am ersten axialen Ende angeordnet ist. Außerdem weist der äußere Abschnitt 103 keinen äußeren Teilbereich auf. Im Betrieb strömt das Kältemittel dann - ähnlich wie bei den 1 und 2 - durch den Einlass 200 in den inneren Teilbereich des inneren Abschnitts 102. Wenn es diesen - ähnlich wie bei den 1 und 2 - in axialer Richtung zum ersten axialen Ende durchströmt hat, gelangt es von dort in den äußeren Teilbereich des inneren Abschnitts 102. Außerdem strömt das Fluid durch den zweiten Verbindungsabschnitt 400 in radialer Richtung in den äußeren Abschnitt 103, der direkt an den Energiespeicher 101 angrenzt. Das Kältemittel strömt durch den äußeren Abschnitt 103 in axialer Richtung zum zweiten axialen Ende und nimmt dabei Wärme vom Energiespeicher 101 auf. Am zweiten axialen Ende strömt das vom Energiespeicher 101 gewärmte Kältemittel dann in radialer Richtung durch den ersten Verbindungsabschnitt 401 zum inneren Abschnitt 102.
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Auch bei diesem Beispiel gemäß Stand der Technik ergibt sich eine besonders große Effizienz, da die Kühlung auch hier sowohl mit dem inneren Abschnitt 102 als auch mit dem äußeren Abschnitt 103 erfolgt.
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Die in den 5 und 6 dargestellte Erfindung unterscheidet sich von den 1 und 2 insbesondere dadurch, dass zwei dritte Verbindungsabschnitte 500 vorgesehen sind, die in radialer Richtung durch den Energiespeicher 101 verlaufen. Im Betrieb strömt das Kältemittel in ähnlicher Weise, wie oben in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben, durch den inneren Abschnitt 102, den zweiten Verbindungsabschnitt 205, den äußeren Abschnitt 103 und den ersten Verbindungsabschnitt 204. Zusätzlich dazu strömt das Kältemittel noch in radialer Richtung durch die dritten Verbindungsabschnitte 500 vom äußeren Teilbereich des inneren Abschnitts 102 zum inneren Teilbereich des äußeren Abschnitts 103. Hierdurch wird die Kühlwirkung weiter verbessert.
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Die in den 5 und 6 dargestellte Erfindung ist insbesondere vorteilhaft mit einem Aufbau des Energiespeichers, wie er in 7 dargestellt ist.
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In 7 umfasst die Batteriezelle 800 mehrere Subbatteriezellen 801, die elektrisch miteinander verbunden sind. Die Subbatteriezellen 801 stellen dabei den elektrochemischen Energiespeicher dar.
