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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie ein Batteriegehäuse aufweist, welches einen ersten Aufnahmebereich umfasst, einen Gehäuseboden, der den Aufnahmebereich bezüglich einer ersten Richtung begrenzt, und mindestens eine am Gehäuseboden angeordnete erste Seitenwand, die den Aufnahmebereich bezüglich einer zweiten Richtung begrenzt. Des Weiteren betrifft die Batterie mindestens einen ersten Zellstapel mit mindestens einer ersten Batteriezelle, die auf einer Oberseite zumindest einen ersten Zellpolanschluss aufweist, wobei der mindestens eine Zellstapel im ersten Aufnahmebereich angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hochvoltbatterien, bekannt. Diese umfassen in der Regel vielzählige Batteriezellen, die in einem Batteriegehäuse aufgenommen sind. Die Batteriezellen können dabei auch als Zellstapel gruppiert sein und/oder als Zellmodule bereitgestellt sein. Die Batteriezellen sind dabei im Gehäuse typischerweise so angeordnet, dass ihre Zellpole dem Gehäuseboden abgewandt sind. Das Batteriegehäuse wird weiterhin am Boden durch entsprechende Kühlwasserführungen gekühlt. Eine Kühlung an anderer Stelle, zum Beispiel oberseitig an den Zellpolen, gestaltet sich oftmals schwierig, da die Zellen oberseitig verschaltet sind, wobei sogenannte Busbars, die im Folgenden auch als Stromschienen bezeichnet sind, zum Einsatz kommen, die die Zellpole benachbart angeordneter Batteriezellen elektrisch leitend miteinander verbinden können. Somit findet die Kühlung oftmals nur am Zellboden statt. Die Wärme, die aus der Zelle in die Busbars übertragen wird, kann so nicht wirkungsvoll abgeführt werden. Wärme durch elektrische Verluste bei hohen Dauerleistungen in den Busbars kann ebenfalls nicht abgeführt werden. Kommt es zudem im Falle eines Defekts zu einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, im Zuge dessen sich die Batteriezelle extrem stark erwärmt, so kann sich diese Temperatur leicht über die elektrisch leitenden Busbars zur nächsten Batteriezelle ausbreiten, was zu einer thermischen Propagation aller Batteriezellen führen kann.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch Möglichkeiten zur gezielten Kühlung der Busbars bekannt. Hierzu können beispielsweise Kühlkanäle direkt in die Busbars integriert werden, die von einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit durchströmt werden, wie beispielsweise in der
DE 10 2020 002 959 A1 und in der
DE 10 2020 006 274 A1 beschrieben, oder die Busbars können über eine Luftkühlung gekühlt werden, wobei mittels eines Ventilators ein entsprechender die Busbars umströmender Luftstrom erzeugt werden kann, wie zum Beispiel in der
DE 10 2013 218 668 A1 oder in der
US 9,692,091 B2 beschrieben.
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Dabei gestaltet sich die Integration von Kühlkanälen in die Busbars direkt extrem aufwendig, während eine Luftkühlung eine verhältnismäßig geringe Kühleffizienz bereitstellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Kühlung mindestens einer Batteriezelle auf möglichst einfache Weise ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist ein Batteriegehäuse mit einem ersten Aufnahmebereich, einem Gehäuseboden, der den Aufnahmebereich bezüglich einer ersten Richtung begrenzt, und mindestens einer am Gehäuseboden angeordneten ersten Seitenwand auf, die den Aufnahmebereich bezüglich einer zweiten Richtung begrenzt. Weiterhin umfasst die Batterie mindestens einen ersten Zellstapel mit mindestens einer ersten Batteriezelle, die auf einer Oberseite einen ersten Zellpolanschluss aufweist, wobei der mindestens eine erste Zellstapel im ersten Aufnahmebereich angeordnet ist. Darüber hinaus ist die erste Seitenwand als eine erste Kühlwand ausgebildet, und die Batterie weist zudem ein Wärmeleitelement und eine Kopplungseinrichtung auf, die eine elektrische Isolierung umfasst, wobei das Wärmeleitelement einen ersten Anbindungsbereich, der über die Kopplungseinrichtung mit dem ersten Zellpolanschluss der mindestens einen ersten Batteriezelle verbunden ist, und einen zweiten Anbindungsbereich aufweist, der an der ersten Kühlwand angeordnet ist.
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Somit lässt sich auf besonders einfache und effiziente Weise eine Kühlung an die Zellpole der mindestens einen ersten Batteriezelle anbinden. Dies ermöglicht nicht nur eine Kühlung der Zellpole, sondern beispielsweise auch einer am ersten Zellpolanschluss angeordneten Busbar beziehungsweise Stromschiene, die auch als Zellverbinder bezeichnet werden kann. Durch das Vorsehen der elektrischen Isolierung, über welche das Wärmeleitelement mit dem ersten Zellpolanschluss gekoppelt ist, ist es zudem vorteilhafterweise möglich, das Wärmeleitelement elektrisch leitend und damit auch besonders gut thermisch leitend auszuführen. Um ein einfaches Beispiel zu nennen, kann das Wärmeleitelement einfach als Metallschiene oder geformtes Metallblech ausgebildet sein, das einerseits an der ersten Kühlwand angeordnet ist, insbesondere auf einer dem Gehäuseboden abgewandten Seite der ersten Kühlwand, und andererseits über die elektrische Isolierung auf einer Stromschiene angeordnet ist, die wiederum mit dem ersten Zellpolanschluss gekoppelt ist. Auf diese Weise müssen keine aufwendigen Kühlkanäle in Busbars integriert werden und zudem lässt sich hierdurch eine Kühlung von Zellpolanschlüssen bereitstellen, die deutlich effizienter ist als beispielsweise eine Luftkühlung. Gerade wenn der erste Zellstapel beispielsweise mehrere erste Batteriezellen umfasst, die, wie eingangs beschrieben, über Busbars miteinander verschaltet sein können, lässt sich durch die Anbindung der Zellpolanschlüsse an die Kühlwand über das Wärmeleitelement zudem eine deutlich bessere thermische Entkopplung der einzelnen Batteriezellen, die elektrisch leitend über Stromschienen miteinander verbunden sind, bereitstellen, da so die in einer Batteriezellen entstehende Wärme nicht über die Stromschiene zur nächsten Batteriezelle geleitet, sondern stattdessen zumindest zum Großteil über das Wärmeleitelement an die erste Kühlwand abgeführt wird. Dadurch kann es auch erreicht werden, dass im Falle eines thermischen Events einer Batteriezelle eine thermische Propagation über alle Zellen hinweg deutlich hinausgezögert werden kann. Somit ermöglicht es die Erfindung auf besonders einfache und effiziente Weise, Zellen, Terminals, das heißt deren Zellpolanschlüsse, und Busbars zu kühlen. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle werden außerdem benachbarte Zellen nicht erwärmt und dadurch deren thermisches Durchgehen verhindert beziehungsweise hinausgezögert. Zudem lässt sich die Erfindung auch so umsetzen, dass sich keine kühlmittelführenden Teile im Inneren der Batterie, das heißt innerhalb des Aufnahmebereichs, befinden, sodass eine Leckage über Lebensdauer somit nicht möglich ist.
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Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Darüber hinaus kann die Batterie nicht nur eine Batteriezelle, sondern vorzugsweise mehrere Batteriezellen aufweisen, wie dies später noch näher erläutert ist. Die Batteriezellen sind dabei vorzugweise als prismatische Zellen ausgebildet. Beispielsweise können die Batteriezellen zudem als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein.
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Der erste Zellstapel ist dabei vorzugsweise derart im ersten Aufnahmebereich angeordnet, dass der erste Zellpolanschluss dem Gehäuseboden nicht zugewandt ist. Besonders bevorzugt ist der erste Zellstapeldabei vorzugsweise derart im ersten Aufnahmebereich angeordnet, dass der erste Zellpolanschluss dem Gehäuseboden abgewandt ist. Der Zellpolanschluss kann zum Beispiel einem Gehäusedeckel zugewandt sein. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und effiziente Gesamtanordnung. Theoretisch ist es aber auch denkbar, dass die mindestens eine erste Batteriezelle derart im Aufnahmebereich angeordnet ist, dass der erste Zellpolanschluss einer anderen Seite als der dem Gehäuseboden gegenüberliegenden Oberseite der Batterie zugewandt ist.
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Der erste Aufnahmebereich kann dabei zudem nicht nur durch eine einzelne erste Seitenwand begrenzt sein, sondern durch mehrere Seitenwände. Beispielsweise kann eine zweite Seitenwand vorgesehen sein, die der ersten gegenüberliegt, und die den ersten Aufnahmebereich ebenfalls bezüglich der zweiten Richtung begrenzt. Auch können zwei weitere Seitenwände zur Begrenzung des Aufnahmebereichs in einer dritten Richtung vorgesehen sein. Dabei stehen die erste, die zweite und die dritte Richtung, wie sie insbesondere auch später näher definiert wird, vorzugsweise senkrecht aufeinander. Die erste Richtung kann bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Batterie in einem Kraftfahrzeug zum Beispiel zu einer Fahrzeughochrichtung korrespondieren. Die zweite Richtung und die dritte Richtung können zu einer Fahrzeuglängsrichtung und zu einer Fahrzeugquerrichtung oder umgekehrt korrespondieren. Zusätzlich kann auch der Gehäuseboden des Batteriegehäuses als Kühlboden ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann dieser zum Beispiel mit Kühlkanälen ausgebildet sein, die von einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, durchströmbar sind. Beim ersten Zellpolanschluss kann es sich darüber hinaus um einen Pluspol oder einen Minuspol der ersten Batteriezelle handeln. Vorzugweise weist die erste Batteriezelle auf ihrer Oberseite zwei Zellpolanschlüsse, nämlich den ersten Zellpolanschluss sowie einen zweiten Zellpolanschluss auf. Diese Zellpolanschlüsse werden darüber hinaus auch als Terminals bezeichnet.
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Zumindest eine dieser den Aufnahmebereich umgebenden Seitenwände kann nun vorteilhafterweise als Kühlwand verwendet werden. Um die erste Seitenwand als erste Kühlwand auszubilden, kann diese zum Beispiel einfach durch eine Metallwand bereitgestellt sein, die an eine Kühleinrichtung angebunden ist. Diese Kühleinrichtung kann zum Beispiel durch den als Kühlboden ausgebildeten Gehäuseboden bereitgestellt sein. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine Wärmeabfuhr vom ersten Zellpolanschluss über die Kopplungseinrichtung zum Wärmeleitelement über die Kühlwand zur Kühleinrichtung möglich.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Kühlwand mindestens einen integrierten, von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal auf. Dadurch lässt sich eine noch effizientere Kühlung bereitstellen. Dabei kann die erste Kühlwand auch mehrere durchströmbare voneinander zumindest zum Teil räumlich separierte Kühlkanäle umfassen. Dieser mindestens eine in der Kühlwand integrierte Kühlkanal kann dabei auch unabhängig vom Gehäuseboden mit einem Kühlmedium durchströmbar sein. Mit anderen Worten können die Gehäusebodenkühlung und die Seitenwandkühlung voneinander unabhängig ausgebildet sein oder aber auch gekoppelt sein. Nichtsdestoweniger können der mindestens eine Kühlkanal in der Kühlwand und die Kühlkanäle im Gehäuseboden insbesondere auch fluidisch miteinander gekoppelt sein. Als Kühlmedium eignet sich auch hier wieder vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch. Der mindestens eine Kühlkanal kann zum Beispiel als Durchgangsöffnung oder Bohrung in der dritten Richtung verlaufend ausgebildet sein. Dabei können auch mehrere solcher Durchgangsöffnungen, die zueinander parallel in der dritten Richtung verlaufen, vorgesehen sein. Alternativ kann die Seitenwand auch als Hohlkammerprofil ausgebildet sein, welches vom Kühlmedium durchströmbar ist. Durch eine Flüssigkühlung lässt sich ein besonders hohes Maß an Effizienz der Wärmeabfuhr bereitstellen.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeleitelement aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Legierung, vorzugsweise aus Aluminium, gebildet. Gerade Metalle oder Legierungen weisen eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit auf, sodass hierdurch eine besonders effiziente Wärmeabfuhr über das Wärmeleitelement bereitgestellt werden kann. Wie oben bereits erwähnt, kann dieses zum Beispiel einfach als entsprechend gebogene oder geformte Metallschiene ausgebildet sein. Besonders gut eignet sich hierfür vor allem Aluminium, da es sich einerseits durch seine sehr hohe thermische Leitfähigkeit auszeichnet, andererseits auch durch sein geringes Gewicht und seine geringen Kosten.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kopplungseinrichtung eine mit dem ersten Zellpolanschluss elektrisch leitend verbundene Stromschiene auf, wobei die elektrische Isolierung zwischen der Stromschiene und dem Wärmeleitelement angeordnet ist, insbesondere wobei ein Teil der elektrischen Isolierung zusätzlich zwischen einem Bereich der Oberseite der mindestens einen ersten Batteriezelle, der durch einen Teil eines Zellgehäuses der mindestens einen erste Batteriezelle bereitgestellt ist, und dem Wärmeleitelement angeordnet ist. Somit ist also das Wärmeleitelement beziehungsweise die elektrische Isolierung nicht direkt auf dem ersten Zellpolanschluss angeordnet, sondern es ist zunächst eine Stromschiene, die vorliegend auch als Busbar oder Zellverbinder bezeichnet wird, elektrisch leitend auf bzw. an dem ersten Zellpolanschluss angeordnet, auf dieser Stromschiene wiederum die elektrische Isolierung und anschließend auf dieser elektrischen Isolierung der erste Anbindungsbereich des Wärmeleitelements. Somit kann also das Wärmeleitelement über die elektrische Isolierung direkt an die Stromschiene angebunden werden. Dies erlaubt eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von der Stromschiene. Die elektrische Isolierung kann dabei als dünne Schicht ausgebildet sein, die maximal zum Beispiel nur wenige Millimeter dick ist. Zudem muss die elektrische Isolierung dabei nicht notwendigerweise auf den Bereich der Stromschiene beschränkt sein, sondern kann sich darüber hinaus, wie bereits erwähnt, auch auf weitere Teile der Oberseite der Batteriezelle erstrecken, die durch das Zellgehäuse bereitgestellt sind. Vorteilhaft sind hierbei vor allem die Zellgehäusebereiche, die in der zweiten Richtung zwischen dem Zellpolanschluss und der ersten Seitenwand liegen. Auch in der dritten Richtung kann sich die elektrische Isolierung über die Stromschienen hinaus erstrecken. Umfasst der Zellstapel mehrere nebeneinander angeordnete erste Batteriezellen, so kann sich die elektrische Isolierung zudem über mehrere erste Batteriezellen hinweg erstrecken. Mit anderen Worten muss nicht jeweils ein Isolierabschnitt pro Batteriezelle bereitgestellt werden oder pro Stromschiene, sondern die elektrische Isolierung kann sich über alle ersten Batteriezellen des ersten Stellstapels hinweg erstrecken. Dies erlaubt eine besonders einfache und effiziente Ausbildung und Anbringung der elektrischen Isolierung. Weiterhin ist die elektrische Isolierung vorzugsweise so angeordnet und ausgebildet, dass sie einerseits formschlüssig am ersten Anbindungsbereich des Wärmeleitelements anliegt und andererseits formschlüssig an der darunterliegenden Anordnung aus Batteriezelle, Zellpolanschluss und Stromschiene. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Isolierung den Zwischenraum zwischen dem Wärmeleitelement und der Anordnung aus der mindestens einen Batteriezelle, dem ersten Zellpolanschluss und der Stromschiene in der ersten Richtung vollständig ausfüllt. Damit kann einerseits eine sichere elektrische Trennung zwischen elektrisch leitfähigen Teilen, insbesondere dem Wärmeleitelement und dem Zellpolanschluss beziehungsweise Zellgehäuse beziehungsweise Stromschiene bereitgestellt werden, und andererseits können hierdurch Lufteinschlüsse oder Luftspalte vermieden werden, die die Effizienz der Wärmeübertragung mindern. Mit anderen Worten erlaubt diese Ausbildung der elektrischen Isolierung eine besonders effiziente thermische Ankopplung an das Wärmeleitelement. Als elektrische Isolierung wird dabei vorzugsweise ein möglichst gut thermisch leitendes Material verwendet, wie zum Beispiel eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad oder ähnliches. Die elektrische Isolierung kann auch als Silikoneinleger bereitgestellt sein, der an eine Geometrie des Wärmeleitelements und der Zellenanordnung als Negativform angepasst wurde.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeleitelement gleichzeitig als ein Niederhalter ausgebildet, der dazu ausgelegt ist, eine Bewegung der mindestens einen ersten Batteriezelle in der ersten Richtung weg vom Gehäuseboden zu verhindern, und insbesondere eine Gegenkraft in Richtung des Gehäusebodens auf die mindestens eine erste Batteriezelle aufzubringen. Mit anderen Worten kann die mindestens eine erste Batteriezelle mittels des Wärmeleitelements bezüglich einer Bewegung in der ersten Richtung in Position gehalten werden. Auf zusätzlich vorgesehene Niederhalter kann somit vorteilhafterweise verzichtet werden. Damit kann das Wärmeleitelement gleichzeitig eine Doppelfunktion übernehmen. Dabei kann das Wärmeleitelement so ausgestaltet sein, dass es erst dann die Gegenkraft in Richtung des Gehäusebodens auf die mindestens eine Batteriezelle aufbringt, wenn diese sich zum Beispiel relativ zur Seitenwand aktiv nach oben bewegt. Bevorzugt ist es jedoch, dass eine solche Gegenkraft in Form einer permanenten Anpresskraft in Richtung des Gehäusebodens auf die mindestens eine Batteriezelle durch das Wärmeleitelement bereitgestellt wird. Dadurch wird einerseits die thermische Anbindung an das Wärmeleitelement und andererseits die thermische Anbindung an den kühlenden Gehäuseboden verbessert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Zellstapel mehrere der mindestens einen ersten Batteriezelle auf, wobei die mehreren ersten Batteriezellen in einer dritten Richtung, die eine Stapellängsrichtung definiert, nebeneinander angeordnet sind, und wobei die ersten Zellpolanschlüsse von mindestens zwei der ersten Batteriezellen, die in der dritten Richtung nebeneinander angeordnet sind, über die Stromschiene elektrisch leitend verbunden sind. Je nach Anzahl der Batteriezellen können dabei auch mehrere Stromschienen vorgesehen sein. Über eine Stromschiene können je nach Ausgestaltung der elektrischen Verschaltung beispielsweise nur zwei benachbart angeordnete Batteriezellen beziehungsweise deren Terminals miteinander elektrisch leitend verbunden sein, oder beispielsweise auch vier oder mehr. Wenn die mehreren ersten Batteriezellen in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, so lässt es sich auch einfach bewerkstelligen, dass deren erste Zellpolanschlüsse beispielsweise entlang einer Linie in dieser dritten Richtung angeordnet sind. Entsprechend liegen auch die korrespondierenden Stromschienen entlang einer solchen gedachten Linie. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anbindung an die ebenfalls in Stapelrichtung verlaufende erste Seitenwand über das Wärmeleitelement.
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Insbesondere stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Wärmeleitelement sich in der dritten Richtung durchgehend über alle ersten Zellpole der ersten Zellen des ersten Zellstapels hinweg erstreckt, und sich insbesondere auch in der zweiten Richtung durchgehend zumindest bis zur ersten Seitenwand erstreckt. Dabei erstreckt sich das Wärmeleitelement insbesondere nicht nur über alle ersten Zellpolanschlüsse, sondern auch über alle die Zellpolanschlüsse elektrisch miteinander verschaltenden Stromschienen. Dies hat den großen Vorteil, dass zum Anbinden aller Stromschienen, und damit aller Zellpolanschlüsse, an die Kühlwand lediglich ein einzelnes Wärmeleitelement erforderlich ist. Dieses lässt sich durch seine durchgehende und einstückige Ausbildung zudem sehr einfach fertigen. Außerdem kann hierdurch ein besonders großer Leitungsquerschnitt bereitgestellt werden, der eine sehr effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht. Auch die elektrische Isolierung kann sich beispielsweise durchgehend über alle Zellpolanschlüsse in der zweiten Richtung erstrecken, und insbesondere auch über alle diese Zellpolanschlüsse verschaltenden Stromschienen hinweg. Die elektrische Isolierung erstreckt sich in der zweiten Richtung dabei aber maximal bis zur Kühlwand, wobei es bevorzugt ist, dass die elektrische Isolierung die Kühlwand nicht kontaktiert. Zumindest ist die elektrische Isolierung nicht zwischen dem Wärmeleitelement, insbesondere dem zweiten Anbindungsbereich, und deren Kühlwand angeordnet. Das Wärmeleitelement kontaktiert also die Kühlwand direkt im zweiten Anbindungsbereich, wodurch der thermische Widerstand zwischen dem Wärmeleitelement und der Kühlwand minimiert werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jede der ersten Batteriezellen auf der Oberseite einen zweiten Zellpolanschluss aufweist, wobei der erste Zellstapel derart im Aufnahmebereich angeordnet ist, dass die jeweiligen Zellpolanschlüsse näher an der ersten Kühlwand angeordnet sind als die zweiten Zellpolanschlüsse, und die ersten Zellpolanschlüsse in der dritten Richtung entlang einer gedachten Linie angeordnet sind, die sich parallel zur ersten Seitenwand erstreckt. Wie oben bereits erwähnt, wird hierdurch eine besonders einfache und kostengünstige Anbindung der Zellpolanschlüsse an die Kühlwand ermöglicht. Das Wärmeleitelement kann so durchgehend an besonders einfacher geometrischer Ausgestaltung in der dritten Richtung ausgebildet werden, sodass sich das Wärmeleitelement über alle ersten Zellpole und Stromschienen hinweg erstreckt. Die Zellpolanschlüsse können in dieser Anordnung zudem sehr nahe an der Kühlwand angeordnet werden, wodurch auch das Wärmeleitelement in seiner Abmessung in der zweiten Richtung minimiert werden kann. Auch die zweiten Zellpolanschlüsse können ganz analog an eine Kühlwand über ein entsprechendes Wärmeleitelement angebunden werden, wobei sich in diesem Fall vorzugsweise die Kühlwand auf einer der ersten Kühlwand gegenüberliegenden Seite befindet, wie dies später näher erläutert wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriegehäuse einen zweiten Aufnahmebereich mit einem darin aufgenommenen zweiten Zellstapel auf, der mindestens eine zweite Batteriezelle umfasst, die auf einer Oberseite zumindest einen dritten Zellpolanschluss aufweist, wobei die erste Seitenwand den ersten und zweiten Aufnahmebereich voneinander bezüglich der zweiten Richtung separiert, wobei die Batterie eine zweite Kopplungseinrichtung aufweist, und wobei das Wärmeleitelement einen dritten Anwendungsbereich aufweist, der über die zweite Kopplungseinrichtung mit dem zumindest einen dritten Zellpolanschluss der mindestens einen zweiten Batteriezelle verbunden ist. Da also die Kühlwand gleichzeitig auch eine Trennwand zwischen dem ersten und zweiten Aufnahmebereich darstellt, kann die Kühlwand gleichzeitig zur Kühlung der dritten Zellpolanschlüsse und der daran angeordneten Stromschienen eines zweiten Zellstapels verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, dass die dritten Zellpolanschlüsse über das gleiche Wärmeleitelement an die gemeinsame Kühlwand, nämlich die erste Kühlwand, angebunden werden können. Die Anbindung kann dabei ganz analog wie zum ersten Zellstapel beschrieben erfolgen. Insbesondere kann auch hier wiederum die zweite Kopplungseinrichtung eine elektrische Isolierung bereitstellen, die insbesondere zwischen dem Wärmeleitelement, insbesondere zwischen dessen dritten Anbindungsbereich und einer Stromschiene angeordnet ist, die wiederum an zumindest einem der dritten Zellpolanschlüsse angeordnet ist. Mit anderen Worten können auch hier wiederum die dritten Zellpolanschlüsse über Stromschienen miteinander verschaltet sein. Eine solche Stromschiene verbindet also zumindest zwei der dritten Zellpolanschlüsse zweier in der dritten Richtung benachbart angeordneten zweiten Batteriezellen. Auf einer solchen Stromschiene ist wiederum eine elektrische Isolierung angeordnet, und auf dieser der dritte Anbindungsbereich des Wärmeleitelements. Somit ist also der zweite Anbindungsbereich des Wärmeleitelements bezüglich der zweiten Richtung zwischen dem ersten und dritten Anbindungsbereich angeordnet. Auch hier können sich sowohl die elektrische Isolierung als auch das Wärmeleitelement in der dritten Richtung wieder durchgehend über alle dritten Zellpolanschlüsse hinweg und die diese miteinander verschalteten Stromschienen erstrecken.
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Zudem ist es beispielsweise auch vorteilhaft, wenn das Batteriegehäuse eine zweite Seitenwand aufweist, die der ersten Seitenwand gegenüberliegt, die den ersten Aufnahmebereich bezüglich der zweiten Richtung begrenzt, und die als zweite Kühlwand ausgebildet ist, wobei die Batterie ein zweites Wärmeleitelement und eine dritte Kopplungseinrichtung aufweist, wobei das zweite Wärmeleitelement über die dritte Kopplungseinrichtung mit dem zumindest einen Zellpolanschluss der mindestens einen ersten Batteriezelle verbunden ist, und an der zweiten Kühlwand angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die der ersten Kühlwand gegenübergelegene Seitenwand ebenfalls als zweite Kühlwand ausgebildet sein und zur Kühlung der zweiten Zellpolanschlüsse über deren kontaktierte Stromschienen verwendet werden. Die Anbindung an die zweite Kühlwand erfolgt wiederum über ein zweites Wärmeleitelement, welches ganz analog wie zum bisher beschriebenen Wärmeleitelement ausgebildet sein kann, welches somit auch als erstes Wärmeleitelement bezeichnet werden kann. Stellt die zweite Seitenwand beispielsweise keine Trennwand zwischen zwei Aufnahmebereichen dar, sondern beispielsweise eine Außenwand des Batteriegehäuses, so hat das zweite Wärmeleitelement im Gegensatz zum ersten Wärmeleitelement keinen dritten Anbindungsbereich, sondern verfügt lediglich über einen ersten Anbindungsbereich, über welchen dieses mit der Kopplungseinrichtung, hier der dritten Kopplungseinrichtung, verbunden ist, und einen zweiten Anbindungsbereich, über welchen das zweite Wärmeleitelement direkt mit der zweiten Kühlwand verbunden ist, insbesondere auf einer dem Gehäuseboden gegenüberliegenden Seite der zweiten Kühlwand. Auch die zweite Kühlwand kann ganz analog wie zur ersten Kühlwand beschrieben ausgebildet sein und zum Beispiel über integrierte Kühlkanäle verfügen, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind. Somit lässt sich insgesamt eine besonders effiziente Anbindung der jeweiligen Zellpole und elektrisch mit diesen kontaktierten Stromschiene an eine Kühlwand bereitstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterie und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Batteriegehäuse mit integrierter Busbarkühlung in einer Querschnittsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 umfasst dabei ein Batteriegehäuse 12. Dieses Batteriegehäuse 12 stellt in diesem Beispiel einen ersten Aufnahmebereich 14 bereit, in welchem ein erster Zellstapel 16 mit mehreren ersten Batteriezellen 18 angeordnet ist, und einen zweiten Aufnahmebereich 20, in welchem ein zweiter Zellstapel 22 mit mehreren zweiten Batteriezellen 24 angeordnet ist. Ein jeweiliger Zellstapel 16, 22 umfasst dabei also mehrere Batteriezellen 18, 24, die in der hier dargestellten y-Richtung nebeneinander angeordnet sind. In der Darstellung in 1 ist also entsprechend pro Zellstapel 16, 22 nur jeweils eine Batteriezelle 18, 24 zu sehen. Eine jeweilige Batteriezelle 18, 24 weist dabei eine Oberseite 18a, 24a auf, an welcher jeweils zwei Zellpolanschlüsse 26a, 26b und 28a, 28b angeordnet sind. Eine der beiden Zellpolanschlüsse 26a, 26b, 28a, 28b ist dabei als Pluspol, der andere als Minuspol ausgestaltet. Die Zellpolanschlüsse 26a, 26b, 28a, 28b sind darüber hinaus über Stromschienen 30 miteinander verschaltet. Über solche Stromschienen 30 sind insbesondere diejenigen Zellpolanschlüsse 26a, 26b, 28a, 28b miteinander verschaltet, die einem gleichen Zellstapel 16, 22 angehören, und zudem unmittelbar benachbarten Batteriezellen 18, 24 in y-Richtung angehören. Die jeweiligen Aufnahmebereiche 14, 20 sind hierbei zum einen durch das Batteriegehäuse 12 nach unten hin durch einen Gehäuseboden 32 des Batteriegehäuses 12 begrenzt, und bezüglich einer zweiten Richtung, nämlich der hier dargestellten x-Richtung, durch jeweilige Seitenwände 34, 36, 38. Die beiden äußersten Seitenwände 34, 38 können zum Beispiel Außenwände des Batteriegehäuses 12 bereitstellen, während die mittlere Seitenwand 36 eine gemeinsame Seitenwand bezüglich der beiden Aufnahmebereiche 14, 20 bereitstellt beziehungsweise eine Trennwand dieser beiden Aufnahmebereiche 14, 20 darstellt. Der Gehäuseboden 32 ist als Kühlboden ausgebildet und weist hierzu beispielsweise von einem Kühlmittel 40 durchströmbare Kühlkanäle 42 auf. Zudem ist nun vorteilhafterweise in dieses Batteriegehäuse 12 auch eine Busbarkühlung integriert. Diese wird zum einen dadurch bereitgestellt, dass die Seitenwände 34, 36, 38, welche die Aufnahmebereiche in x-Richtung begrenzen, als Kühlwände ausgestaltet sind. Dies ist in 1 exemplarisch für die mittlere Trennwand 36 illustriert. Auch diese Seitenwände 34, 36, 38 können entsprechend mit Kühlkanälen 44 ausgebildet sein, die von einem Kühlmittel 40 durchströmbar sind. Diese Kühlkanäle 44 können beispielsweise als Durchgangsbohrungen in y-Richtung bereitgestellt sein, von welchen hier exemplarisch eine Durchgangsbohrung 46 in der mittleren Seitenwand 36 dargestellt ist. Über diese Kanäle 44 ist also eine Kühlmittelführung bereitgestellt. Weiterhin umfasst die Batterie 10 vorteilhafterweise ein Wärmeleitelement 48, welches als Wärmebrücke fungiert. Dieses Wärmeleitelement 48 ist einerseits an die Zellpolanschlüsse 26a, 28a im vorliegenden Beispiel angebunden, und andererseits an die Kühlwand 36. Zwischen der Stromschiene 30 und diesem Wärmeleitelement 48, welches vorzugsweise aus Aluminium gebildet ist, ist zudem eine elektrische Isolierung 50 angeordnet. Die Kombination aus der Stromschiene 30 und dieser elektrischen Isolierung 50 kann als Kopplungselement beziehungsweise Kopplungseinrichtung 52 angesehen werden, über welche das Wärmeleitelement 48 an den jeweiligen Zellpolanschluss 26a, 28a angebunden ist. Die elektrische Isolierung 50 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet. Weiterhin ist diese vorzugsweise so ausgestaltet, dass diese den kompletten Bereich in z-Richtung zwischen der Stromschiene 30 und dem Wärmeleitelement 48 ausfüllt. Dabei muss die elektrische Isolierung 50 nicht notwendigerweise auf den Bereich der Stromschiene 30 beschränkt sein, sondern kann darüber hinaus sich bis auf andere Bereiche der Oberseite 18a, 24a des Zellgehäuses erstrecken. Wenngleich ein solches Wärmeleitelement 48 nur für einen der beiden Zellpole 26a, 28a einer jeweiligen Batteriezelle 18, 24 eines jeweiligen Zellstapels 16, 22 dargestellt ist, so kann eine Anbindung der anderen Zellpolanschlüsse 26b, 28b über deren Stromschienen 30 ganz analog erfolgen. Mit anderen Worten kann auch auf diesen Stromschienen 30 eine entsprechende Isolierung 50 angeordnet sein, und auf dieser wiederum ein Wärmeleitelement 48, welches andererseits mit den Außenseiten 38, 34 des Batteriegehäuses 12 gekoppelt ist beziehungsweise an diesen angeordnet ist. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache und effiziente Kühlung umsetzen. Besonders vorteilhaft ist es auch, dass benachbart angeordnete Zellstapel 16, 22 eine gemeinsame Trennwand 36 sowie ein gemeinsames Wärmeleitelement 48 zur Kühlung nutzen können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 54 mit einer darin angeordneten Batterie 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Batterie 10 ist vorliegend in einer Draufsicht dargestellt und kann im Allgemeinen wie zu 1 bereits beschrieben ausgebildet sein, insbesondere bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Im vorliegenden Beispiel ist neben den beiden Zellstapeln 16, 22 in den korrespondierenden Aufnahmebereichen 14, 20 noch ein dritter Zellstapel 56 in einem dritten Aufnahmebereich 58 bereitgestellt. Auch dieser dritte Zellstapel 56 kann wiederum mehrere in y-Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen 60 aufweisen. Auch diese sind über jeweilige Stromschienen 30, die vorliegend gestrichelt gezeichnet sind, miteinander verbunden und verschaltet. In diesem Beispiel ist die zu 1 beschriebene Außenwand 34 folglich keine Außenwand des Batteriegehäuses 12, sondern ebenfalls eine Trennwand, die die beiden Aufnahmebereiche 20, 58 voneinander separiert, insbesondere in x-Richtung. Der dritte Aufnahmebereich 58 ist in x-Richtung gegen eine weitere Seitenwand 62 begrenzt. Im vorliegenden Beispiel können also die Seitenwände 38, 36, 34, 62 als Kühlwände ausgebildet sein. Zudem sind hier auch schematisch die jeweiligen Wärmeleitelemente 48 dargestellt. Diese sind von den jeweiligen Stromschienen 30 wiederum durch eine elektrische Isolierung 50 separiert, die jedoch vorliegend nicht explizit dargestellt ist. Wie hier zu sehen ist, erstreckt sich ein jeweiliges Wärmeleitelement 48 in y-Richtung durchgehend über alle Zellpolanschlüsse und die mit diesen elektrisch kontaktierten Stromschienen 30. Die Wärmeleitelemente können sozusagen als dreidimensional geformte Platten ausgebildet sein. Zudem können die Wärmeleitelemente 48 an den betreffenden Kühlwänden 38, 36, 34, 62, insbesondere auf der dem Kühlboden 32 gegenüberliegenden Seite, befestigt sein, zum Beispiel angeklebt sein, angeschweißt sein, angeschraubt sein oder ähnliches. Die Wärmebrücken, das heißt die Wärmeleitelemente 48, können zudem gleichzeitig auch als Niederhalter für die Zellen 18, 24, 60 verwendet werden. Um die jeweiligen Seitenwände als Kühlwände auszubilden, kann der Abstand zwischen den Zellstacks, das heißt den Zellstapeln 16, 20, 56, erhöht werden und somit einfach in die Gehäusezwischenwand Kühlmittelführungen integriert werden. Gleiches gilt auch für die Außenwände. Von dort können Wärmebrücken also elektrisch isoliert an die Terminals und Busbars angebracht werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Batteriegehäuse mit integrierter Busbarkühlung bereitgestellt werden kann, mittels welcher die Zellen, Terminals und Busbars gekühlt werden können. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle werden außerdem benachbarte Zellen nicht erwärmt und deren thermisches Durchgehen wird verhindert. Weiterhin befinden sich keine kühlmittelführenden Teile im Inneren der Batterie und eine Leckage über Lebensdauer ist somit nicht möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020002959 A1 [0003]
- DE 102020006274 A1 [0003]
- DE 102013218668 A1 [0003]
- US 9692091 B2 [0003]
