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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung, insbesondere für eine Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Batterien für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuges dienen unter anderem der Stromversorgung des Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs, um dieses zum Fahren antreiben zu können. Solche Batterien bestehen dabei aus einer Anzahl von Batteriezellen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei ist die Batterie mit ihren Batteriezellen einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, so dass die Batterie typischerweise gekühlt wird, wenn die Wärmeentwicklung beim Laden oder Entladen der Batteriezellen zu hoch ist. Auch kann die Batterie bedarfsweise gegebenenfalls auch erwärmt werden, wenn die Batterietemperatur zu niedrig ist.
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Die Temperierung bzw. die Kühlung erfolgt dabei dadurch, dass die Batteriezellen als eher flache und etwa quaderförmige Elemente ausgebildet sind und als Stapel benachbart zueinander angeordnet werden und zwischen jeweils benachbarte Batteriezellen ein Kühlelement angeordnet wird, welche entweder nur wärmeleitend zu einer Kühlplatte führen, die außerhalb des Stapels der Batteriezellen angeordnet ist oder durch die als Rohrleitungen ausgebildeten Kühlelemente ein Kühlfluid strömt. Dabei ist die Wärmeleitung bei rein wärmeleitenden Kühlelementen aus Blechstreifen relativ gering, so dass die Kühlwirkung auch relativ schwach ist. Solche Kühlelemente können zwar sehr schmal ausgebildet werden, was Bauraum spart, ihre thermische Effektivität ist jedoch gering. Bei Kühlelementen, die von einem Kühlfluid durchströmbar sind, ist die Wärmeabfuhr verbessert, wobei der Druckabfall des Kühlfluids jedoch zu einem unerwünschten Druckabfall führt, wobei der benötigte Bauraum jedoch erhöht ist.
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Weiterhin ist es bei den Stapeln von Batteriezellen so, dass die Anpressung der Batteriezellen an die Kühlelemente eine entscheidende Rolle für die Wärmeübertragung spielt. Ist die Anpressung nicht sehr gut, wird auch die Wärmeübertragung nicht die geforderten Werte erreichen, so dass die Kühlung bzw. Heizung der Batteriezellen unzureichend ausfällt. Um die Anpressung ausreichend zu erreichen, sind an den Enden der Stapel der Batteriezellen so genannte Kompressionselemente vorgesehen, welche sich einerseits an einem Gehäuse abstützen und andererseits an den jeweils äußeren Batteriezellen des Stapels, um die Batteriezellen des Stapels und die dazwischen angeordneten Kühlelemente aufeinander zu zu beaufschlagen, um die Anpressung zu verbessern.
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Die
DE 11 2016 002 457 T5 offenbart einen Wärmetauscher mit regionaler Strömungsverteilung zum gleichmäßigen Kühlen von Batteriezellen mit einer Wärmetauscherplatte, die eine Wärmeübertragungsfläche mit einer ersten Wärmeübertragungszone und einer zweiten Wärmeübertragungszone mit unterschiedlicher Kühlkapazität besitzt.
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In der
AT 511 887 A1 ist eine wiederaufladbare Batterie offenbart, bei der zumindest zwischen zwei benachbarten Batteriezellen ein Kühlkanalträger mit zumindest einem Kühlkanal angeordnet ist.
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Die
DE 10 2008 061 755 A1 offenbart eine Halte- und Kühlungsvorrichtung für zumindest eine Energiespeichereinheit, die zumindest ein Federelement umfasst, das ausgebildet ist, um durch eine Federkraft eine Energiespeichereinheit kraftschlüssig mit zumindest einem Halteelement thermisch zu kontaktieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezellenanordnung zu schaffen, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und einen geringeren Druckabfall des verwendeten Kühlmittels erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit einer Vielzahl von im Wesentlichen flachen, quaderförmigen Batteriezellen, welche zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende flächige erste Kontaktflächen aufweisen, wobei die Vielzahl von Batteriezellen als ein Stapel angeordnet sind, bei welchem die Batteriezellen mit ihrer flächigen ersten Kontaktfläche aufeinander zu weisen, wobei Batteriezellen paarweise angeordnet sind und zwischen jeder Batteriezelle eines Paares von Batteriezellen ein kanalartiges Kühlelement angeordnet ist zur Durchströmung eines Fluids zur Temperierung der an dem Kühlelement anliegenden Batteriezellen. Dabei ist das kanalartige Kühlelement insbesondere nur zwischen den Batteriezellen eines Paares angeordnet, wobei zwischen Batteriezellen benachbarter Paare insbesondere kein kanalartiges Kühlelement angeordnet ist. So wird erreicht, dass die Batteriezellen und die Kühlelemente nicht abwechselnd angeordnet sind, sondern ein Kühlelement jeweils nur zwischen zwei Batterieelementen angeordnet ist, wobei zwischen den nächsten zwei Batterieelementen kein Kühlelement angeordnet ist. Es wird also immer eine Anordnung eines Kühlelements von einer Fehlstelle einer Nichtanordnung eines Kühlelements gefolgt. Dies bedeutet, dass das kanalartige Kühlelement insbesondere nur die benachbart zu ihm angeordneten Batteriezellen direkt kühlt, so dass zwischen den Paaren kein Kühlelement angeordnet ist und dadurch Bauraum eingespart werden kann. Dadurch wird eine bauraumsparende Gestaltung bei ausreichender Kühlkapazität erreicht. Zudem liegt das kanalartige Kühlelement vollflächig an den beiden sich gegenüberliegenden flächigen ersten Kontaktflächen der benachbarten Batteriezellen an, und zwischen Batteriezellen zweier Paare von Batteriezellen ist ein Kompressionselement angeordnet, welches eine Kraftbeaufschlagung auf die beiden benachbart zu dem Kompressionselement angeordneten Batteriezellen bewirkt. Dadurch kann der thermische Kontakt des kanalartigen Kühlelements mit den beiden benachbart angeordneten Batterieelementen erreicht werden, um eine gute thermische Anbindung und Kühlung sowie optional Erwärmung zu erreichen. Durch die Anordnung zumindest eines Kompressionselements im Stapel oder von mehreren Kompressionselementen im Stapel kann die Verspannung verbessert werden, weil die Beaufschlagung verteilt erfolgt.
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Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn alle Batteriezellen paarweise angeordnet sind oder alle bis auf eine Batteriezelle paarweise angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass bei einer geraden Anzahl von Batteriezellen diese paarweise mit jeweils einem kanalartigen Kühlelement versehen werden können. Dadurch wird alternativ erreicht, dass bei einer ungeraden Anzahl von Batteriezellen eine gerade Anzahl von Batterieelementen paarweise mit jeweils einem kanalartigen Kühlelement versehen werden kann, wobei ein einzelnes Batterieelement verbleibt, das entweder indirekt kühlbar ist oder welchem ebenso ein kanalartiges Kühlelement zugeordnet ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das kanalartige Kühlelement zwei gegenüberliegende zweite Kontaktflächen aufweist, welche in ihrer Ausdehnung im Wesentlichen so groß sind, wie die ersten Kontaktflächen der Batteriezellen. Damit wird eine im Wesentlichen vollflächige Anlage des Kühlelements an der benachbarten Batteriezelle bzw. an den benachbarten Batteriezellen erreicht.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das kanalartige Kühlelement eine lichte Breite aufweist zwischen den beiden zweiten Kontaktflächen, welche einen reduzierten Druckabfall des Kühlfluids verursacht, so dass der Druckabfall im kanalartigen Kühlelement geringer als 10% des eingangsseitigen Drucks des Kühlfluids ist, insbesondere geringer als 5% des eingangsseitigen Drucks des Kühlfluids ist. Dabei ist die lichte Breite die Innenbreite des kanalartigen Elements, also die Breite des Kanals in dem kanalartigen Kühlelement, welche der Durchströmung zur Verfügung steht. Durch die gewählte lichte Breite wird ein kühlmittelseitiger Druckabfall erzeugt, welcher deutlich geringer ist als im Stand der Technik, so dass niedrigere Energieverluste auf der hydraulischen Seite verursacht werden, obgleich die Kühlleistung nicht oder nur geringfügig sinken würde. Die Platzverhältnisse sind dadurch jedoch optimiert. Durch die Definition der lichten Breite bei gegebener Fläche des Kanals in dem Kühlelement wird ein hydraulischer Durchmesser definiert, der so groß gewählt ist, dass der Druckabfall gemäß den obigen Ausführungen reduziert ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das kanalartige Kühlelement eine lichte Breite aufweist zwischen den beiden zweiten Kontaktflächen, welche im Bereich zwischen 20% und 50% der Breite einer Batteriezelle liegt. Damit wird der erwünschte niedrige Druckabfall erreicht.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn zwischen jeweiligen aneinander angrenzenden Batteriezellen zweier Paare von Batteriezellen ein Kompressionselement angeordnet ist, welches eine Kraftbeaufschlagung auf die beiden benachbart zu dem Kompressionselement angeordneten Batteriezellen bewirkt. Auch dadurch wird die Verspannung verbessert.
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Weiterhin ist es bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch vorteilhaft, wenn an zumindest einem Rand des Stapels von Batteriezellen ein Kompressionselement angeordnet ist oder dass an beiden Rändern des Stapels von Batteriezellen jeweils ein Kompressionselement angeordnet ist, welches eine Kraftbeaufschlagung auf die benachbart zu dem Kompressionselement angeordnete Batteriezelle bewirkt. Dadurch wird eine Beaufschlagung von einem Rand oder von den Rändern des Stapels aus bewirkt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn der Stapel von Batteriezellen von einem Rahmen oder von einem Gehäuse umgeben ist. Dadurch kann die Verspannung der Batteriezellen nach außen abgefangen werden und die Batteriezellen können sicher angeordnet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung, und
- 2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung.
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Die 1 zeigt eine schematische Anordnung einer Batterie 1 mit zumindest einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 2.
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Die Batteriezellenanordnung 2 kann daher eine Batterie 1 ausbilden, indem sie eine Vielzahl von Batteriezellen 3 aufweist. Eine Batterie 1 kann dabei eine Batteriezellenanordnung 2 oder auch mehrere Batteriezellenanordnungen 2 aufweisen.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Batterie 1 zwei in einem Gehäuse 4 oder in einem Rahmen angeordnete Batteriezellenanordnungen 2 auf. Dabei bildet das Gehäuse 4 bzw. der Rahmen zwei Gehäusebereiche 5 auf, in welchen jeweils eine Batteriezellenanordnung 2 angeordnet ist. Es können jedoch auch andere Konfigurationen mit nur einer Batteriezellenanordnung 2 oder mit mehr als zwei Batteriezellenanordnungen 2 vorgesehen sein. Die Anzahl der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnungen 2 bei einer Batterie kann entsprechend bedarfsorientiert gewählt werden.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung 2 weist eine Vielzahl von im Wesentlichen flachen, quaderförmigen Batteriezellen 3 auf, die in 1 im Schnitt dargestellt sind.
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Dabei ist die Batteriezelle 3 beispielsweise als Coffebag-Zelle oder anderweitig ausgebildet und kann eine flexible oder starre Umhüllung aufweisen.
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Eine Batteriezelle 3 weist zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende flächige erste Kontaktflächen 6 auf. Die Batteriezelle ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass die ersten Kontaktflächen 6 die großen Flächen eines Quaders ausbilden, welche die größten Flächen bilden, wobei die anderen Flächen des Quaders demgegenüber geringer in der Fläche ausfallen.
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Aus 1 ist zu erkennen, dass die Batteriezellen 3 als ein Stapel 7 angeordnet sind. Der Stapel 7 ist dabei beispielsweise derart ausgebildet, dass die Batteriezellen 3 des Stapels 7 mit ihrer flächigen ersten Kontaktfläche 6 aufeinander zu weisen. Der Stapel 7 von Batteriezellen 3 ist von einem Rahmen oder von einem Gehäuse 4 umgeben.
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Vorteilhaft sind die Batteriezellen 3 paarweise angeordnet. Dabei kann es sein, dass alle Batteriezellen 3 paarweise angeordnet sind, wenn die Anzahl der Batteriezellen 3 gerade ist oder alle bis auf eine Batteriezelle 3 paarweise angeordnet sind, wenn die Anzahl der Batteriezellen 3 ungerade ist. Dann würde im Falle der ungeraden Anzahl eine Batteriezelle übrigbleiben, die nicht zu einem Paar gehörig wäre.
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Gemäß der 1 ist zwischen jeder Batteriezelle 3 eines Paares von Batteriezellen 3 ein kanalartiges Kühlelement 8 angeordnet zur Durchströmung eines Fluids zur Temperierung der an dem Kühlelement 8 anliegenden Batteriezellen 3. Die Kühlelemente 8 werden von einem Fluid, auch Kühlfluid genannt, durchströmt, wozu die Kühlelemente 8 mit einem nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf verbunden sind. Dieser Kühlmittelkreislauf kann eine Pumpe, einen Kühler zum Kühlen des Kühlfluids, zumindest ein Ventil und gegebenenfalls eine Steuereinheit etc. aufweisen. Als Kühlfluid kommt beispielsweise ein Kühlöl, ein dielektrisches Kältemittel etc. in Betracht.
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Aus 1 ist auch erkennbar, dass das kanalartige Kühlelement 8 flächig an zwei sich gegenüberliegenden flächigen ersten Kontaktflächen 6 der benachbarten Batteriezellen 3 anliegt. Dabei liegt das kanalartige Kühlelement 8 vorteilhaft im Wesentlichen vollflächig an den beiden sich gegenüberliegenden flächigen ersten Kontaktflächen 6 der benachbarten Batteriezellen 3 an.
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Zur besseren Wärmeübertragung weist das kanalartige Kühlelement 8 zwei gegenüberliegende zweite Kontaktflächen 9 auf, welche in ihrer Ausdehnung im Wesentlichen so groß sind, wie die ersten Kontaktflächen 6 der Batteriezellen 3.
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Damit wird erreicht, dass die flächige Anlage zwischen der Batteriezelle 3 und dem Kühlelement 8 vorteilhaft großflächig ist und sich vorteilhaft über die gesamte Fläche der Batteriezelle 3 erstreckt.
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Das kanalartige Kühlelement 8 weist eine lichte Breite auf zwischen den beiden zweiten Kontaktflächen 9, welche einen reduzierten Druckabfall des Kühlfluids verursacht, so dass der Druckabfall im kanalartigen Kühlelement 8 geringer als der eingangsseitige Druck des Kühlfluids ist, insbesondere geringer ist um einen Faktor aus Druck am Eingang des Batteriemoduls reduziert um den ausgangsseitigen Druck und dann geteilt durch die Anzahl der Kühlelemente 8. Insbesondere weist das kanalartige Kühlelement 8 eine lichte Breite aufweist zwischen den beiden zweiten Kontaktflächen 9, welche im Bereich zwischen 20% und 70% der Breite einer Batteriezelle 3 liegt, wobei die Breite der Batteriezelle 3 zwischen den beiden ersten Kontaktflächen 6 bestimmt wird. Entsprechend ist die Breite der Batteriezelle 3 und die lichte Breite des Kühlelements 8 in die gleiche Richtung ausgerichtet gemessen.
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Die Paare von aneinander angrenzenden Batteriezellen 3 liegen an zwei ersten Kontaktflächen 6 aneinander an.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist an zumindest einem Rand 10 des Stapels 7 von Batteriezellen 3 ein Kompressionselement 11 angeordnet oder vorteilhaft an beiden Rändern 10 des Stapels 7 von Batteriezellen 3 ist jeweils ein Kompressionselement 11 angeordnet. Das jeweilige Kompressionselement 11 stützt sich dabei einerseits an der benachbart angeordneten Batteriezelle 3 und andererseits an dem Gehäuse 4 ab und bewirkt eine Kraftbeaufschlagung auf die benachbart zu dem Kompressionselement 11 angeordnete Batteriezelle 3. Die Kompressionselemente 11 sind vorteilhaft gemäß 1 an den beiden Rändern 10 des Stapels 7 angeordnet und wirken so von beiden Seiten auf den Stapel 7 von Batteriezellen 3.
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Das Ausführungsbeispiel der 2 zeigt eine weitere Darstellung einer Batterie 1 mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 2. Dabei wird auf die Beschreibung der Batterie 1 mit Batteriezellenanordnung 2 gemäß 1 verwiesen.
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Die 2 zeigt darüber hinaus, dass zwischen Batteriezellen 3 zweier Paare von Batteriezellen 3 ein Kompressionselement 11 angeordnet ist, welches eine Kraftbeaufschlagung auf die beiden benachbart zu dem Kompressionselement 11 angeordneten Batteriezellen 3 bewirkt. Dadurch wird in dem Stapel 7 eine Kraft beaufschlagt, um die Batteriezellen 3 gegen die Kühlelemente 8 zu beaufschlagen.
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Bevorzugt ist es, wenn zwischen jeweiligen aneinander angrenzenden Batteriezellen 3 zweier Paare von Batteriezellen 3 ein Kompressionselement 11 angeordnet ist, welches eine Kraftbeaufschlagung auf die beiden benachbart zu dem Kompressionselement 11 angeordneten Batteriezellen 3 bewirkt. Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung erreicht, was den Wärmeübergang zwischen dem Batterieelement 3 und dem Kühlelement 8 fördert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriezellenanordnung
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäusebereich
- 6
- erste Kontaktfläche
- 7
- Stapel
- 8
- Kühlelement
- 9
- zweite Kontaktfläche
- 10
- Rand
- 11
- Kompressionselement
