DE102021125359A1

DE102021125359A1 - Kühleinrichtung, Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102021125359A1
Application number: DE102021125359.4A
Authority: DE
Inventors: Axel Löffler; Bastian Rosenauer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (12) zur Kühlung eines Batteriemoduls (36) mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle (38), wobei die Kühleinrichtung (12) eine Aufnahmeeinheit (10) umfasst, die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle (38) zugeordneten Aufnahmebereich umfasst, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle (38) ausgebildet ist, und eine von einem Kühlfluid durchströmbare Strömungskammer (44). Dabei ist die Aufnahmeeinheit (10) elektrisch isolierend ausgebildet und weist eine erste Grundplatte (14a) und pro Aufnahmebereich eine zylindrische und flexible Aufnahmetasche (16) mit einem jeweiligen Taschenboden (16b) und einer sich an diesen anschließenden Taschenwand (16a) auf, wobei die erste Grundplatte (14a) pro Aufnahmebereich ein Loch (18) bereitstellt, an das sich die jeweilige Aufnahmetasche (16) anschließt, so dass eine in den zugeordneten Aufnahmebereich aufzunehmende Batteriezelle (38) in einer ersten Richtung (z) durch das Loch (18) in die Aufnahmetasche (16) einführbar ist, und wobei die Taschenwand (16a) einen Teil einer Kammerwand der Strömungskammer (44) bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung eines Batteriemoduls mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle, wobei die Kühleinrichtung eine Aufnahmeeinheit umfasst, die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle zugeordneten Aufnahmebereich aufweist, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle ausgebildet ist, und wobei die Kühleinrichtung eine von einem Kühlfluid durchströmbare Strömungskammer umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühleinrichtung, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Kühleinrichtung.
Zylindrische Batteriezellen werden oftmals auch einfach als Rundzellen bezeichnet. Diese weisen typischerweise zwei kreisförmige Stirnseite und eine Mantelfläche auf, die diese Stirnseiten miteinander verbindet, wobei die Polabgriffe bzw. Zellterminals oftmals an einer oder an beiden Stirnseiten realisiert sind. Solche Rundzellen kommen unter anderem in Hochvoltbatterien für Kraftfahrzeuge zum Einsatz und werden zur Bereitstellung eines Batteriemoduls einer solchen Hochvoltbatterie oft auf einer Trägerplatte mit einer ihrer Stirnseiten der Trägerplatte zugewandt angeordnet. Um die Zellen dabei auf der Trägerplatte in ihrer Anordnung zu halten, kommen zudem Zellhalter zum Einsatz, die verschiedene Ausprägungen haben können. Die Kühlung der Batteriezellen wird oftmals über die Trägerplatte realisiert. Damit lassen sich die Rundzellen jedoch nur stirnseitig kühlen, was relativ ineffizient ist. Um zudem die Kühlung möglichst gut an die Zellen anbinden zu können und dabei Luftspalte zwischen den Zellen und den Kühlelementen zu füllen, kommen zudem üblicherweise Gapfiller, das heißt Spaltfüller, zum Einsatz. Solche Gapfiller werden oftmals durch eine Wärmeleitpaste bereitgestellt. Dies erhöht das Gesamtgewicht der Anordnung, erschwert die Herstellung, und auch eine zerstörungsfreie Demontage von Batteriemodulen, da solche Wärmeleitpasten im ausgehärteten Zustand die Kühlelemente mit den Zellen verkleben. Insgesamt sind somit heutige Batteriekonzepte in der Regel komplex zu montieren, schwer und nehmen wegen der vielen Verbindungsstellen auch mehr Bauraum in Anspruch. Durch die hohen Wärmeleitwiderstände ist es nicht möglich, die Temperatur der Kühlflüssigkeit direkt mit der Temperatur der Batteriezellen zu koppeln. Um dennoch eine Kühlwirkung zu erzielen, müssen extrem niedrige Kühlmittelvorlauftemperaturen im Kühlkreislauf erreicht werden. Dies hat fahrzeugseitig aufwendige, teure und schwere Kühlkreisläufe mit Einbindung des energiefressenden Kältekreises zur Folge. Durch die indirekte Anbindung der Kühlung reichen selbst diese aufwendigen Maßnahmen nicht aus, um die Wärmeentwicklung der Batterien bei voller Leistung zu bremsen. Deshalb muss oftmals in diesem Fall die Leistung reduziert werden, um ein Überhitzen der Zellen zu vermeiden.
Die WO 2019/221723 A1 beschreibt ein Kühlsystem für Energiespeicher, insbesondere Rundzellen. Das Kühlsystem umfasst dabei Kühleinheiten, die im Zwischenraum zwischen den Rundzellen der Rundzellenanordnung angeordnet sind. Diese Kühleinheiten umfassen dabei jeweils einen inneren Fluid-Hinströmkanal und einen äußeren Fluid-Rückströmkanal. Ein dem Kühlelement zugeführtes Kühlfluid kann somit zunächst den Hinströmkanal durchströmen und dann den äußeren Rückströmkanal zurückströmen und dabei die das Kühlelement umgebenden Rundzellen kühlen.
Hierdurch können zwar vorteilhafterweise auch Teile einer Mantelfläche der Rundzellen gekühlt werden, allerdings besteht auch hier wiederum das Problem, dass sich zwischen solchen Kühlelementen und den Mantelflächen der Rundzellen unweigerlich Luftspalte befinden, die die Kühleffizienz mindern. Um diese zu schließen, müsste wiederum ein Gapfiller zum Einsatz kommen, der die oben bereits beschriebenen Nachteile mit sich bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung, ein Batteriemodul und ein Verfahren zum Herstellen einer Kühleinrichtung bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Kühlung zumindest einer Rundzelle ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinrichtung, ein Batteriemodul und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung eines Batteriemoduls mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle umfasst dabei eine Aufnahmeeinheit, die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle zugeordneten Aufnahmebereich umfasst, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle ausgebildet ist, und eine von einem Kühlfluid durchströmbare Strömungskammer. Weiterhin ist die Aufnahmeeinheit elektrisch isolierend ausgebildet und weist eine erste Grundplatte und pro Aufnahmebereich eine zylindrische und flexible Aufnahmetasche mit einem jeweiligen Taschenboden und eine sich an den Taschenboden anschließenden Taschenwand auf, wobei die erste Grundplatte pro Aufnahmebereich ein Loch bereitstellt, an das sich die jeweilige zylindrische Aufnahmetasche anschließt, so dass eine in den zugeordneten Aufnahmebereich aufzunehmende Batteriezelle in einer ersten Richtung durch das Loch in die Aufnahmetasche einführbar ist, und wobei zumindest die Taschenwand der Aufnahmetasche einen Teil einer Kammerwand der Strömungskammer bereitstellt.
Durch eine so bereitgestellte Aufnahmeeinheit kann also eine Rundzelle einfach in eine Aufnahmetasche eingesteckt werden und von einem Kühlfluid umströmt werden. Durch die flexible Ausbildung der Aufnahmetasche kann diese sich formschlüssig an die Batteriezelle anschmiegen. Zusätzlich kann auch der Fluidruck zusätzlich noch dazu beitragen, dass die Aufnahmetasche direkt und möglichst lückenlos an der Rundzelle anliegt. Durch die flexible Ausbildung der Aufnahmetasche können so von vornherein Luftspalte zwischen der Rundzelle und der Kühlstruktur vermieden werden. Dabei ist die Aufnahmetasche beziehungsweise zumindest die Taschenwand selbst Teil der Kühlstruktur, da diese auch gleichzeitig eine Kammerwand der Strömungskammer bereitstellt, welche zu Kühlungszwecken von einem Kühlfluid durchströmt wird. Mit anderen Worten kann durch diese Ausbildung im Betrieb der Kühleinrichtung die Aufnahmetasche auf der der darin aufgenommenen Batteriezelle angewandten Außenseite von einem Kühlfluid umströmt werden bzw. angeströmt werden. Durch die Aufnahmetasche kann gleichzeitig auch eine elektrische Isolierung bereitgestellt werden. Durch die Aufnahmetasche ist damit also sichergestellt, dass die Rundzelle vom Kühlfluid elektrisch isoliert ist. Auf zusätzliche Isoliermaßnahmen zur Isolierung der Rundzellen kann somit zusätzlich verzichtet werden, wie zum Beispiel auf üblicherweise zusätzlich vorgesehene, isolierende Schrumpfschläuche oder ähnliches. Damit lässt es sich letztendlich bewerkstelligen, dass eine Kühlung direkt an die Rundzellen angebunden wird, ohne dass hierfür ein Gapfiller, Spaltfüller oder irgendeine Art Wärmeleitpaste erforderlich ist, um eventuelle Luftspalte zu schließen. Zusätzlich lässt sich auf diese Weise nicht nur eine Stirnseite der Rundzelle kühlen, sondern vor allem die Mantelfläche, zumindest zum Großteil und insbesondere sogar vollständig. Zudem lässt sich im Falle mehrere Aufnahmetaschen und darin aufgenommener Rundzellen ebenfalls der Bauraum zwischen den Rundzellen zur Kühlung der Rundzellen nutzen, wodurch sich gleichzeitig eine besonders bauraumeffiziente Kühlung bereitstellen lässt. Für die Umströmung der Zellen bei gleichzeitig hoher Packdichte kann zudem der Zwischenraum zwischen den Zellen auf effiziente Weise genutzt werden. Das verwendete Kühlfluid, welches die Strömungskammer durchströmt, ist damit ausschließlich durch die Aufnahmetasche von der zu kühlenden Rundzelle separiert. Das Kühlfluid, vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, kann somit möglichst nah an die zu kühlenden Zellen herangebracht werden. Dadurch können vorteilhafterweise Komplexität, Kosten, Gewicht und Bauraum reduziert werden. Zudem kann hierdurch der Wärmewiderstand zwischen dem Kühlfluid und den zu kühlenden Zellen deutlich reduziert werden und es kann in der Montage auf die Wärmeleitpaste beziehungsweise den Gapfiller verzichtet werden. Zudem lässt sich hierdurch auch eine großflächige Batteriekühlung auf einfache Weise realisieren, da die in den Aufnahmetaschen aufgenommenen Batteriezellen quasi allseitig von Kühlfluid umströmt werden können. Durch eine solche sehr direkte und großflächige Batteriekühlung sowohl an der Zellwand als auch am Zellboden kann somit die Kühlmittelvorlauftemperatur deutlich höher gesetzt werden, was die Komplexität des fahrzeugseitigen Kühlsystems ebenfalls reduziert. Der stationäre Betrieb der Batterie bei voller Leistung ist damit vorteilhafterweise möglich.
Unter einer zylindrischen Batteriezelle kann dabei eine Rundzelle verstanden werden, wie diese bereits eingangs definiert wurde. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Verschaltung einer solchen Rundzelle dabei lediglich an einer der beiden Stirnseiten der Rundzelle. Diese Stirnseite, über welche die Verschaltung erfolgt, ist dabei vorzugsweise dem Taschenboden abgewandt. Mit anderen Worten wird eine in die Kühleinrichtung aufzunehmende Batteriezelle vorzugsweise so eingebracht, dass eine erste ihrer Stirnseiten dem Taschenboden zugewandt ist, und eine zweite ihrer Stirnseiten dem Taschenboden abgewandt ist, wobei die elektrische Verschaltung der Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen dann entsprechend an ihrer zweiten Stirnseite erfolgt. Bis auf diese zweite Stirnseite können vorteilhafterweise alle übrigen Seiten der Batteriezelle gekühlt werden. Es kann also nicht nur die Taschenwand eine Kammerwand der Strömungskammer bereitstellen, sondern beispielsweise auch der Taschenboden selbst. Der Taschenboden und/oder das Loch in der ersten Grundplatte sind dabei vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Dies erlaubt eine optimale Anpassung an die Geometrie der aufzunehmenden Rundzelle. Die Kühleinrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt dabei zudem vorzugsweise in einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz. Eine solche Hochvoltbatterie kann dabei mehrere Batteriezellen umfassen, die optional auch zu Batteriemodulen mit jeweils mehreren Batteriezellen zusammengefasst sein können. Die Kühleinrichtung kann dabei einem Batteriemodul zugeordnet sein. Mit anderen Worten kann pro Batteriemodul einer solchen Hochvoltbatterie eine solche Kühleinrichtung vorgesehen sein. Bei den zu kühlenden Batteriezellen handelt es sich zum Beispiel um Lithium-Ionen-Zellen. Zudem lässt sich die Kühleinrichtung nicht nur zum Kühlen sondern analog auch zum Beheizen von Batteriezellen nutzen. Dies lässt sich über die Einstellung der Temperatur des Kühlfluids, oder im Allgemeinen des Temperierfluids, einfach steuern. Als Kühlfluid wird vorzugsweise eine Flüssigkeit verwendet, vorzugsweise Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen. Entsprechend wird das Kühlfluid im Folgenden auch zum Teil als Kühlflüssigkeit oder Wasser bezeichnet.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Aufnahmetasche aus einem ersten elastischen Material ausgebildet, insbesondere aus einem ersten Kunststoff. Durch einen Kunststoff lassen sich sowohl elastische als auch elektrisch isolierende Eigenschaften besonders einfach bereitstellen. Vorzugsweise ist die Aufnahmetasche aus einem elastomeren Kunststoff gebildet. Dadurch kann sich die Aufnahmetasche formschlüssig an die aufzunehmende Batteriezelle anschmiegen. Auch ohne Fluiddruck des Kühlfluids lassen sich hierdurch Luftspalte zwischen der Aufnahmetasche und der aufgenommenen Rundzelle vermeiden und es ist keinerlei Gapfiller erforderlich. Um den thermischen Widerstand so gering wie möglich zu halten und um auf Wärmeleitpaste beziehungsweise Gapfiller zu verzichten, können die Rundzellen also von zum Beispiel dünnwandigen Elastomer-Töpfen als Aufnahmetaschen aufgenommen werden, die sich aufgrund ihrer elastischen Ausbildung der Zellform anpassen und dafür sorgen, dass es keinen Luftspalt gibt. Die Ausbildung aus einem elastischen Kunststoff hat darüber hinaus noch weitere Vorteile. Die Aufnahmetasche lässt sich dadurch auch besonders dünnwandig realisieren. Bevorzugt weist die mindestens eine Aufnahmetasche eine Wandstärke von maximal einem Millimeter, insbesondere 0,3 mm auf. Grundsätzlich sind aber auch noch geringere Wandstärken denkbar. Beispielsweise kann die mindestens eine Aufnahmetasche auch mit einem Innendurchmesser gefertigt sein, der etwas geringer ist als ein Außendurchmesser der aufzunehmenden Rundzelle. Dadurch wird die Aufnahmetasche beim Aufnehmen der Rundzelle zusätzlich gedehnt, wodurch sich deren Wandstärke zusätzlich verringert. Der thermische Widerstand, der durch die Aufnahmetasche bereitgestellt ist, lässt sich dadurch auf ein Minimum reduzieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Grundplatte aus einem zweiten Material, insbesondere einem zweiten Kunststoff ausgebildet, der vom ersten Kunststoff verschieden ist. Die erste Grundplatte stellt dabei vorzugsweise eine steife Tragstruktur bereit. Entsprechend ist das zweite Material also vorzugsweise nicht elastisch sondern steif beziehungsweise starr. Dies ist insbesondere von großem Vorteil, wenn durch die Aufnahmeeinheit mehrere Rundzellen in einer Rundzellenanordnung aufgenommen werden sollen. Dadurch können die einzelnen Rundzellen durch die steife Grundplatte, die als steife Tragstruktur fungiert, in Position gehalten werden. Die Aufnahmetaschen fungieren dann als elastische Zellabschirmung. Die Aufnahmeeinheit kann zum Beispiel mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens gefertigt werden. Dies stellt eine besonders einfache und effiziente Möglichkeit zur Fertigung der Aufnahmeeinheit dar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung eine Düseneinheit auf, die eine zweite Grundplatte aufweist, die bezüglich der ersten Richtung oberhalb der Aufnahmeeinheit angeordnet ist, so dass die mindestens eine Aufnahmetasche zwischen der ersten Grundplatte der Aufnahmeeinheit und der zweiten Grundplatte angeordnet ist und der Taschenboden der zweiten Grundplatte zugewandt ist. Weiterhin weist die Düseneinheit mindestens eine Düse auf, mittels welcher das Kühlfluid in die Strömungskammer einleitbar ist, wobei die mindestens eine Düse in der ersten Richtung langgestreckt ausgebildet ist und mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, die in Bezug auf die erste Richtung an einem Ende der Düse und auf einer gleichen Höhe wie ein sich an die erste Grundplatte anschließendes erstes Viertel der mindestens einen Aufnahmetasche angeordnet ist. Auch der Düsenkörper einer solchen langgestreckten Düse stellt somit einen Teil der Kammerwand der Strömungskammer dar. Durch eine solche Düse lassen sich vorteilhafterweise gezielte Strömungsverhältnisse einstellen. Dadurch kann es wiederum erreicht werden, dass die Aufnahmetaschen gleichmäßig von einem Kühlfluid umströmt beziehungsweise angeströmt werden. Weist die Aufnahmeeinheit beispielsweise mehrere Aufnahmetaschen auf, so kann eine solche Düse sich in den Zwischenraum zwischen solchen Aufnahmetaschen hinein erstrecken. Die aus der Düse austretende Kühlflüssigkeit strömt dann entsprechend im Bereich zwischen dem Düsenkörper und den Taschenwänden zumindest bis zum Taschenboden entlang. Das Kühlfluid kann dann beispielsweise wiederum über einen Ablauf oberhalb des Taschenbodens aus der Strömungskammer ausgeführt werden. Dass das Ende der Düse sich dabei vorzugsweise auf gleicher Höhe mit dem sich an die erste Grundplatte anschließenden ersten Viertel der mindestens einen Aufnahmetasche befindet, hat den Vorteil, dass hierdurch ein Anströmen der Aufnahmetasche über ihre gesamte Höhe bezüglich der ersten Richtung hinweg realisiert werden kann. Die Düse erstreckt sich also nahezu bis zur ersten Grundplatte. Dort tritt das Kühlfluid aus der Düse aus, welches dann ausgehend von der ersten Grundplatte entgegen der ersten Richtung bis zum Taschenboden strömt.
Die in Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Begriffe „oben“ und „unten“, sowie „oberhalb“ und „unterhalb“ und weitere daraus abgeleitete Formen beziehen sich hierbei auf die bevorzugte Einbaulage der Kühleinrichtung in einem Kraftfahrzeug. Diese ist so definiert, dass die erste Richtung im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughochachse gerichtet ist und nach oben gerichtet ist. Dies hat Vorteile bezüglich der Entlüftung der Kühleirichtung. Grundsätzlich ist aber auch jede beliebige anders orientierte Einbaulage bzw. Betriebslage denkbar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung mehrere der mindestens einen Aufnahmetasche auf, wobei die mindestens eine Düse in einem Zwischenraum zwischen den mehreren Aufnahmetaschen angeordnet ist, so dass die mindestens eine Düse bezüglich einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung von mindestens drei der mehreren Aufnahmetaschen umgeben ist, die vorzugsweise einen gleichen Abstand zur mindestens einen Düse aufweisen. Bevorzugt ist es dabei, dass eine Düse bezüglich der genannten Ebene von genau drei der mehreren Aufnahmetaschen umgeben ist, die einen gleichen Abstand zur Düse aufweisen. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Packungsdichte realisieren. Denkbar ist es jedoch auch, dass eine Düse von vier Aufnahmetaschen mit gleichem Abstand zur Düse umgeben ist. Eine Anordnung, gemäß welcher eine Düse von drei Aufnahmetaschen mit gleichem Abstand zur Düse umgeben ist, lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, indem die Aufnahmetaschen in jeweiligen Reihen angeordnet sind, wobei die Aufnahmetaschen von Reihe zu Reihe um jeweils einen halben Taschenabstand, gemessen von Taschenmitte zu Taschenmitte, in Erstreckungsrichtung der Reihen zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine Struktur, gemäß welcher jede Tasche, die keine Randtasche darstellt, von sechs weiteren Taschen in der genannten Ebene umgeben ist. Eine Aufnahmetasche ist dann entsprechend ebenfalls von sechs solcher Düsen umgeben. Randseitige Düsen können auch geometrisch etwas anders ausgebildet sein und müssen entsprechend auch nicht notwendigerweise von drei Aufnahmetaschen umgeben sein, sondern grenzen beispielsweise auch nur an eine oder zwei Aufnahmetaschen an.
Auf diese Weise lässt sich also vorteilhafterweise der dreieckige Zwischenraum zwischen den Batteriezellen beziehungsweise den Aufnahmetaschen effizient nutzen, um dort die beschriebenen Düsen zu integrieren und die Batteriezellen zu kühlen. Die Düsen können damit vorteilhafterweise gleichzeitig auch als Zellhalter fungieren. Zusätzliche Zellhalter können also somit ebenfalls eingespart werden. Gerade bei einer solchen Anordnung, bei welcher eine Düse von drei Aufnahmetaschen mit gleichem Abstand zur Düse umgeben ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Düse in einem Querschnitt zur ersten Richtung beispielsweise eine dreieckige Geometrie aufweist.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Düse außenseitig mehrere in der ersten Richtung verlaufende Rippen auf. Durch solche Rippen lässt sich ein definierter Abstand zu den Aufnahmetaschen beziehungsweise den darin aufgenommenen Zellen bereitstellen und dadurch definierte Kühlwasserkanäle generieren. Dadurch können wiederum definierte Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt werden, wodurch sich wiederum eine besonders homogene Kühlung der Außenseiten der Rundzellen bereitstellen lässt. Zudem können hierdurch Stellen mit stehendem Wasser beziehungsweise stehender Kühlflüssigkeit vermieden werden. Bei oben beschriebener dreieckiger Ausführung der Düsen können sich diese Rippen zum Beispiel zwischen den Ecken eines solchen Dreiecks befinden, insbesondere eine Rippe pro Seite des Dreiecks. Zum Beispiel kann eine Rippe pro benachbarter Aufnahmetasche vorgesehen sein. In der bevorzugten Ausführungsform, in welcher eine Düse von drei Aufnahmetaschen mit gleichem Abstand zur Düse umgeben ist, weist eine solche Düse also vorzugsweise drei solcher Rippen auf, wobei eine jeweilige der Rippen einer der Aufnahmetaschen zugewandt ist. Die Rippen können dabei optional auch an den Aufnahmetaschen anliegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Grundplatte mindestens eine der mindestens einen Düse zugeordnetes, bezüglich der ersten Richtung unterhalb der zugeordneten mindestens einen Düse angeordnetes und in Richtung der Düse konisch zulaufendes Strömungsumlenkelement auf. Diese kann also zum Beispiel eine Pyramidenähnliche Form aufweisen mit einer dreieckigen Grundfläche. Beispielsweise kann die erste Grundplatte eine der ersten Düse zugewandte und gegenüberliegende Wölbung aufweisen, die wie beschrieben konisch, oder sogar spitz zuläuft. Dadurch lässt es sich realisieren, dass das aus der Düse austretende Kühlfluid gezielt in die entgegengesetzte Strömungsrichtung bei Aufprall auf dieses Strömungsumlenkelement umgelenkt wird. Zu starke Verwirbelungen an dieser Umlenkstelle können durch die beschriebene Umlenkstruktur hierdurch vorteilhaft vermieden werden.
Weiterhin kann die Kühleinrichtung auch noch eine Deckschale oder Deckplatte aufweisen. Diese kann so angeordnet sein, dass sich die zweite Grundplatte der Düseneinheit zwischen dieser Deckschale und der ersten Grundplatte der Aufnahmeeinheit befindet. Das Kühlfluid kann dann zum Beispiel zwischen dieser Deckschale und der zweiten Grundplatte der Düseneinheit geführt werden und in diesem Zwischenraum den einzelnen Düsen zugeführt werden. Zur Abführung des Fluids kann die Deckschale einen separaten Hohlraum bereitstellen. Dazu kann die Deckschale doppelwandig ausgeführt sein. Die erste Grundplatte bzw. ein sich an diese erste Grundplatte anschließender Rahmen, der einstückig mit der ersten Grundplatte ausgebildet und gefertigt sein kann, die zweite Grundplatte und diese Deckschale können an einem Randbereich umlaufend miteinander verschweißt sein. Zudem können in einer der zweiten Grundplatte zugewandten Wand der Deckschale auch den jeweiligen Aufnahmetaschen zugeordnete Kühlfluidabführdurchbrüche vorgesehen sein. Diese sind vorzugsweise zentral oberhalb der jeweiligen Taschenböden angeordnet. Durch diese Durchbrüche kann das Kühlfluid aus der Strömungskammer wieder aus der Kühleinrichtung abgeführt werden, zum Beispiel über den oben erwähnten, durch die Deckschale bereitgestellten Hohlraum. Zudem kann auch noch ein Kühlmittelzuführanschluss vorgesehen sein, über welchen das Kühlfluid diesem Zwischenbereich zwischen der Deckschale und der zweiten Grundplatte zuführbar ist. Dieses verteilt sich dann entsprechend auf die jeweiligen Düsen und wird über diese in die Strömungskammer eingeführt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist. Die für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul.
Vorzugsweise umfasst das Batteriemodul mindestens eine zylindrische Batteriezelle, welche in der mindestens einen Aufnahmetasche aufgenommen ist. Bevorzugt umfasst das Batteriemodul vielzellige solcher Batteriezellen, welche entsprechend in jeweiligen zugeordneten Aufnahmetaschen der Aufnahmeeinheit angeordnet sind. Diese können zudem wie oben bereits beschrieben miteinander verschaltet sein, und zwar auf Stirnseiten der jeweiligen Batteriezellen, die den Taschenböden gegenüber liegen.
Die Rundzellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein.
Des Weiteren kann ein solches Batteriemodul Teil einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs sein. Mit anderen Worten soll auch eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug als zur Erfindung gehörend angesehen werden, die eines oder mehrere erfindungsgemäße Batteriemodule oder eine oder mehrere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls aufweist.
Auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen erfindungsgemäßen Batteriemodul oder eine seiner Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Kühleinrichtung zur Kühlung eines Batteriemoduls mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle, wobei eine Aufnahmeeinheit bereitgestellt wird, die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle zugeordneten Aufnahmebereich umfasst, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle ausgebildet ist. Weiterhin wird die Aufnahmeeinheit als elektrisch isolierende Aufnahmeeinheit bereitgestellt und zudem mit einer ersten Grundplatte und pro Aufnahmebereich einer zylindrischen und flexiblen Aufnahmetasche mit einem jeweiligen Taschenboden und einer sich an den Taschenboden anschließenden Taschenwand. Dabei stellt die erste Grundplatte pro Aufnahmebereich ein Loch bereit, an das sich die jeweilige zylindrische Aufnahmetasche anschließt, so dass eine in den zugeordneten Aufnahmebereich aufzunehmende Batteriezelle in einer ersten Richtung durch das Loch in die Aufnahmetasche einführbar ist, und wobei zumindest die Taschenwand der Aufnahmetasche einen Teil einer Kammerwand einer von einem Kühlfluid durchströmbaren Strömungskammer bereitstellt.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorzugsweise wird die Aufnahmeeinheit mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens hergestellt. Dabei kann die Grundplatte der Aufnahmeeinheit eine erste Komponente darstellen, und die Aufnahmetasche eine zweite Komponente. Weiterhin kann die Aufnahmeeinheit auch einen umlaufenden Rahmen aufweisen, der einstückig mit der Grundplatte ausgebildet sein kann. Auch dieser kann im Zuge des Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens einen Teil der ersten Komponente darstellen. Nach Fertigung der Kühleinheit können die einzelnen Batteriezellen in die jeweiligen zugeordneten Aufnahmetaschen eingesetzt werden und miteinander verschaltet werden, zum Beispiel wie dies bereits beschreiben wurde.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Aufnahmeeinheit für eine Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Grundplatte und eines Rahmens der Aufnahmeeinheit ohne Aufnahmetaschen für eine Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Düseneinheit für eine Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Grundplatte der Düseneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung der Kühleinrichtung in einer Explosionsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung des Teils der Aufnahmeeinheit aus 2 aus einer weiteren Perspektive;
7 eine Detaildarstellung eines Teils der Grundplatte der Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine Detaildarstellung eines Details der Aufnahmeeinheit mit Grundplatte und einem Teil einer Aufnahmetasche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische und perspektivische Querschnittsdarstellung durch ein Batteriemodul mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 eine schematische Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Vor- und Rücklaufs der Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Querschnitt senkrecht zu einer ersten Richtung;
11 eine schematische Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Vor- und Rücklaufs der Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Querschnitt parallel zur ersten Richtung;
12 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit einer Kühleinrichtung, den in der Kühleinrichtung aufzunehmenden Zellen und einer Verschaltungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
14 eine schematische Detaildarstellung eines Teils des Batteriemoduls aus 13.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Aufnahmeeinheit 10 für eine Kühleinrichtung 12 (vgl. 5) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Aufnahmeeinheit 10 ist dabei zur Aufnahme mehrere als Rundzellen ausgebildeter Batteriezellen ausgebildet. Weiterhin gliedert sich die Aufnahmeeinheit 10 in eine Tragstruktur 14 und mehrere Aufnahmetaschen 16, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nur manche mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Tragstruktur 14 der Aufnahmeeinheit 10 ist nochmals separat in 2 dargestellt. Diese Tragstruktur 14 gliedert sich zudem nochmal in eine Grundplatte 14a, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als erste Grundplatte 14a bezeichnet wird, und einen Rahmen 14b, die vorzugsweise einstückig und integral miteinander ausgebildet sind. Insgesamt wird die Aufnahmeeinheit 10 vorzugsweise in einem Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren hergestellt. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die Aufnahmetaschen 16 zur Aufnahme der Batteriezellen sowie die Tragstruktur 14 mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften bereitzustellen. Insgesamt ist diese Aufnahmeeinheit 10 elektrisch isolierend ausgebildet. Die Aufnahmetaschen 16 sowie die Tragstruktur 14 können zum Beispiel aus einem jeweiligen Kunststoff gefertigt sein. Für die Aufnahmetaschen 16 wird dabei ein anderer Kunststoff wie für die Tragstruktur 14 verwendet. Die Tragstruktur 14 ist vorzugsweise möglichst steif ausgebildet, während die Aufnahmetaschen 16 flexibel und vorzugsweise elastisch ausgebildet sind, zum Beispiel aus einem Elastomer. Die Aufnahmetaschen 16 weisen dabei ebenfalls eine zylindrische Geometrie auf und gliedern sich jeweils in eine Taschenwand 16a sowie einen Taschenboden 16b (vgl. 5). Die Grundplatte 14a der Tragstruktur 14 weist entsprechend pro Aufnahmetasche 16 ein entsprechendes Loch 18 auf (vgl. 2), in welches sich die Aufnahmetaschen 16 in einer ersten Richtung, der hier dargestellten z-Richtung unmittelbar anschließen. Somit kann eine zylindrische Batteriezelle in die Kühleinrichtung 12 aufgenommen werden, indem diese in der ersten Richtung, das heißt in der hier dargestellten z-Richtung, durch das entsprechende kreisförmige Loch 18 in der Tragstruktur 14, insbesondere der Grundplatte 14a der Tragstruktur 14 in eine entsprechende Aufnahmetasche 16 eingeführt wird. Durch die elastische und flexible Ausbildung der Aufnahmetaschen 16 liegen diese dann entsprechend formschlüssig und dicht an den jeweils aufgenommenen Batteriezellen an. Die Zwischenräume zwischen den Aufnahmetaschen 16 können nun vorteilhafterweise von einem Kühlfluid, vorzugsweise einer Kühlflüssigkeit, umströmt werden, um die in den Aufnahmetaschen 16 aufgenommenen Batteriezellen zu kühlen. Dadurch lässt sich eine besonders effiziente Kühlung bereitstellen und die thermischen Widerstände zwischen dem Kühlfluid und den Zellen auf ein Minimum reduzieren. Die Aufnahmetaschen 16 lassen sich zudem mit äußerst geringen Wandstärken zum Beispiel im Bereich von 0,3 mm fertigen. Zudem ist es auch möglich, dass diese Aufnahmetaschen 16 mit einem Innendurchmesser gefertigt werden, der etwas kleiner ist als ein Außendurchmesser der aufzunehmenden Batteriezellen, so dass sich durch die Dehnung dieser Aufnahmetaschen 16 beim Aufnehmen der betreffenden Batteriezellen die Wandstärke der Aufnahmetaschen 16, insbesondere im Bereich der Taschenwände 16a, weiter verringert. Bis auf eine Stirnseite der Rundzellen lassen sich somit alle übrigen Seiten der in dieser Kühleinrichtung 12 aufgenommenen Rundzellen kühlen.
Um die Kühlung dabei weiter zu verbessern, umfasst die Kühleinrichtung 12 weiterhin eine Düseneinheit 20, die schematisch und perspektivisch in 3 dargestellt ist. Diese Düseneinheit 20 weist ebenfalls eine Grundplatte 20a, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als zweite Grundplatte 20a bezeichnet wird, und mehrere auf dieser angeordnete Düsen 20b auf. Auch hierbei sind in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige der Düsen 20b mit einem Bezugszeichen versehen. Diese Düsen 20b sind in der ersten Richtung, d.h. der z-Richtung, langgestreckt ausgebildet und erstrecken sich insbesondere von der Grundplatte 20a der Düseneinheit 20 fast bis zur Grundplatte 14a der Aufnahmeeinheit 10 im zusammengebauten Zustand der Kühleinrichtung 12. Eine jeweilige Düse 20b weist dabei an einem Ende eine Austrittsöffnung 22 auf, aus welcher ein Kühlfluid aus den Düsen 20b in eine Strömungskammer der Kühleinrichtung 12 eintritt. Diese Strömungskammer ist sozusagen durch den Zwischenraum zwischen der Düseneinheit 20 und der Aufnahmeeinheit 10 gebildet. Damit sind zum Beispiel die Außenseiten der Düsenkörper der Düsen 20b sowie auch die Aufnahmetaschen 16 Teil einer Kammerwand dieser Strömungskammer. Durch diese Düseneinheit 20 lässt sich eine definierte Durchströmung der Zwischenräume bereitstellen. Das aus der Austrittsöffnung 22 der jeweiligen Düsen 20b austretende Kühlfluid läuft entsprechend in der dargestellten z-Richtung die Aufnahmetaschen entlang und kühlt somit die darin aufgenommenen Batteriezellen.
4 zeigt nochmal eine schematische Darstellung der Düseneinheit 20 in einer Draufsicht von unten beziehungsweise auf einer den Düsen 20b abgewandten Seite. Zu sehen sind hierbei vor allem die Kühlfluid-Eintrittsöffnungen 24 der jeweiligen Düsen 20b, die den Austrittsöffnungen 22 der jeweiligen Düsen 20b gegenüber liegen und in der Grundplatte 20a angeordnet sind. Bei der bevorzugten Anordnung der Batteriezellen und entsprechend auch der Aufnahmetaschen 16 ist eine Düse 20b von drei Aufnahmetaschen 16 umgeben, die einen gleichen Abstand zur Düse 20b aufweisen. Dies gilt insbesondere für innenliegende Düsen, das heißt nicht notwendigerweise für Düsen im Randbereich dieser Anordnung. Dort können die Düsen 20b geometrisch etwas anders ausgebildet sein. Auf der den Düsen 20b abgewandten Seite dieser Grundplatte 20a kann zudem noch eine Deckschale, die im Folgenden als Oberschale 26 bezeichnet wird, angeordnet sein, wie diese auch schematisch in 5 dargestellt ist.
5 zeigt dabei nochmal eine schematische Darstellung der Kühleinrichtung 12 in einer Explosionsdarstellung. Die Kühleinrichtung 12 weist auch hier die beschriebene Aufnahmeeinheit 10 sowie die Düseneinheit 20 auf, die hier lediglich aus einer anderen Perspektive dargestellt sind. Die Aufnahmeeinheit 10 ist dabei in einer schematischen und perspektivischen Draufsicht auf die Taschenböden 16a der Aufnahmetaschen 16 dargestellt. Die Batteriezellen können dann entsprechend von unten in die jeweiligen Aufnahmetaschen 16 bezüglich der Darstellung in 5 eingebracht werden. Von oben wird entsprechend die Düseneinheit 20 auf die Aufnahmeeinheit 10 aufgesetzt. Die entsprechenden Düsen ragen dann entsprechend fast bis zur Grundplatte 14a der Aufnahmeeinheit 10 in die Zwischenräume 28 zwischen den Aufnahmetaschen 16 hinein. Zwischen der Grundplatte 20a der Düseneinheit und der Oberschale 26 ist ein Hohlraum gebildet, welchem über einen Zuführanschluss 30 das Kühlfluid zugeführt werden kann. Dieses verteilt sich dann in diesem Hohlraum auf die entsprechenden einzelnen Düsen 20b. Durch entsprechende Abführbereiche 32 kann das Kühlfluid aus der Strömungskammer wieder aus der Kühleinrichtung 12 abgeführt werden. Die Durchbrüche für solche Abführbereiche 32 sind dabei ebenfalls in 4 in der Grundplatte 20a der Düseneinheit 20 veranschaulicht. Die Oberschale 26 kann dabei auch doppelwandig ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Oberschale 26 mit einem Hohlraum ausgebildet sein, in welchen das Kühlfluid aus der Strömungskammer in die Oberschale 26 abführbar ist. Der Kühlmittelzuführbereich zwischen der Oberschale 26 und der Düseneinheit 20 ist dabei vom Kühlmittelabführbereich, der durch den Hohlraum innerhalb der Oberschale 26 bereitgestellt ist, separiert. Entsprechend kann auch die der Düseneinheit 20 zugewandte Wand der Oberschale 26 mit entsprechenden Durchgangsöffnungen zur Durchführung der Abführbereiche 32 ausgebildet sein.
6 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung der Tragstruktur 14 aus 2 aus einer anderen Perspektive, insbesondere in einer Draufsicht von schräg oben. Weiterhin zeigen 7 und 8 jeweils eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils der Aufnahmeeinheit 10, in 7 ohne dargestellte Aufnahmetaschen 16, und in 8 mit dargestellter Aufnahmetasche. Wie vor allem in 7 zu erkennen ist, kann die Grundplatte 14a der Aufnahmeeinheit 10 im Bereich zwischen den Löchern 18 jeweilige Strömungsumlenkelemente 34 aufweisen. Diese können als eine Art pyramidenähnlicher Struktur mit dreieckiger Grundfläche bereitgestellt sein. Diese laufen in der ersten Richtung, das heißt in der dargestellten z-Richtung, konisch zu und formen eine Spitze. Weiterhin können die Konturen dieser Strömungsumlenkstrukturen 34 gekrümmt beziehungsweise abgerundet ausgebildet sein, um die Strömungsumlenkung effizienter zu gestalten. Ein jeweiliges Strömungsumlenkelement 34 ist dabei einer zugeordneten Düse 20b der Düseneinheit 20 gegenüberliegend angeordnet, insbesondere der Austrittsöffnung 22 der betreffenden Düse 20b gegenüberliegend. Das aus der entsprechenden Düse 20b austretende Kühlfluid trifft somit auf dieses Strömungsumlenkelement 34 und wird dadurch in die entgegengesetzte Richtung, das heißt in der hier dargestellten z-Richtung umgelenkt.
9 zeigt eine schematische und perspektivische Querschnittsdarstellung eines Batteriemoduls 36 mit einer Kühleinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind nunmehr in den jeweiligen Aufnahmetaschen 16 der Aufnahmeeinheit 10 Rundzellen 38 angeordnet. Wie hier ebenfalls gut zu erkennen ist, weisen die Düsen 20b vorzugsweise eine dreieckige Querschnittsgeometrie auf. Eine jeweilige Düse 20b weist dabei einen Zuführkanal 40 auf, der in der Austrittsöffnung 22 einer jeweiligen Düse mündet. Durch die dreieckige Geometrie der Düsen 20b ist diese an den Zwischenraum 28 zwischen den Aufnahmetaschen 16 optimal angepasst. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Düsen 20b außenseitig in z-Richtung verlaufende Rippen 42 aufweisen. Eine jeweilige Rippe 42 kann dabei einem unmittelbar benachbart angeordneten Aufnahmebereich beziehungsweise einer Aufnahmetasche 16 zugeordnet sein. In diesem Beispiel weist also jede Düse 20b in der dargestellten Anordnung drei solcher Rippen 42 auf. Düsen im Randbereich, die vorliegend mit 20c bezeichnet sind, können geometrisch jedoch leicht anders ausgebildet sein. Durch solche Rippen 42 kann einerseits ein definierter Abstand zu den Zellen 38 beziehungsweise den Aufnahmetaschen 16 eingestellt werden, wodurch sich definierte Strömungsgeschwindigkeiten bereitstellen lassen. Zudem kann hierdurch die Stabilität erhöht werden. Die Düsen 20b können entsprechend zugleich als Zellhalter fungieren, insbesondere in Kombination mit der Aufnahmeeinheit 10. Durch den Zwischenraum zwischen den Außenseiten dieser Düsen 20b beziehungsweise 20c und den den Zellen 38 abgewandten Außenseiten der Aufnahmetaschen 16 ist somit eine Strömungskammer 44 bereitgestellt. Die Strömungsrichtung innerhalb dieser Strömungskammer 44 ist im Wesentlichen in die hier dargestellte z-Richtung gerichtet. Dies ist noch einmal schematisch anhand von Prinzipskizzen in 10 und 11 veranschaulicht.
10 zeigt dabei eine schematische Prinzipskizze eines Teils eines Batteriemoduls 36 in einem Querschnitt senkrecht zur z-Richtung und 11 parallel zur z-Richtung. 10 veranschaulicht vor allem, wie der dreieckige Zwischenraum 28 zwischen den Aufnahmetaschen 16 beziehungsweise den Zellen 38 zur Kühlung genutzt wird. Der Vorlauf der Kühlflüssigkeit erfolgt dabei über die zentrale Düse 20b im Zentrum dieses Dreiecks. Der Vorlaufbereich ist entsprechend mit 46 bezeichnet. Das aus der Düse 20b austretende Kühlmittel läuft im Rücklaufbereich 48 in entgegengesetzter Richtung zurück. Dieser Rücklaufbereich 48 ist jedoch räumlich nicht auf das in 10 schematisch dargestellte äußere Dreieck beschränkt. Vielmehr sind die Rücklaufbereiche 48 aller Zwischenbereiche 28 nicht gegeneinander abgedichtet, sondern vielmehr fluidisch miteinander verbunden. Allerdings findet vorzugsweise kein oder kaum Kühlmittelaustausch zwischen diesen Rücklaufbereichen 48 der jeweiligen Zwischenräume 28 zwischen den Zellen 38 statt, da, wie bereits beschrieben, die Strömungsrichtung vorzugsweise in der hier dargestellten z-Richtung verläuft und nicht quer dazu, wie dies in 11 veranschaulicht ist. Am Ende der Düse 20b erfolgt eine Richtungsumkehr der Kühlflüssigkeit. Anschließend strömt diese im äußeren Strömungsbereich außerhalb der Düse 20b an den Zellwänden beziehungsweise den Taschenwänden 16a entlang wieder nach oben. Gespeist wird die zentrale Düse 20b also über den Zwischenraum zwischen der Grundplatte 20a der Düseneinheit 20 und der Oberschale 26 beziehungsweise einem Teil 26a davon. Der Rücklauf kann in einen Bereich oberhalb dieses Oberschalenteils 26a geführt werden und dort aufgefangen werden.
12 zeigt eine schematische Darstellung der Einzelteile eines Batteriemoduls 36 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses umfasst also eine Kühleinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, eine Anordnung aus mehreren Rundzellen 38 und eine Zellverschaltung 50. Gemäß der hier dargestellten Pfeile wird einerseits die Kühleinrichtung 12 auf die Zellenanordnung der Zellen 38 aufgesetzt beziehungsweise die einzelnen Zellen 38 in die Aufnahmetaschen 16 der Kühleinrichtung 12 eingesetzt und die Zellverschaltung 50 auf der gegenüberliegenden Seite der Stirnseiten der Zellen 38 montiert. Das zusammengebaute Batteriemodul 36 ist nochmal schematisch und perspektivisch in 13 dargestellt.
14 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Detaildarstellung eines Teils eines solchen Batteriemoduls 36. Gut zu erkennen sind hierbei vor allem die Kontaktelemente zur Bereitstellung der Verschaltung 50 sowie der Anschluss 30 für das Kühlwasser. Zudem können die einzelnen beschriebenen Kunststoffteile, nämlich die Oberschale 26, die Grundplatte 20a der Düseneinheit 20, sowie der Rahmen 14b der Strukturkomponente 14 in einem Randbereich 52 miteinander verschweißt sein, insbesondere mittels Ultraschallschweißens.
Durch mehrere solcher Module 36 kann in beliebiger Anordnung eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden, die eine extrem hohe Kühleffizienz aufweist.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine zellnahe Kühlung von Rundzellen bereitgestellt werden kann. Die Düseneinheit stellt ein Zwischenteil zur Ausführung der Überströmkanäle zwischen den Zellen und zur Zellfixierung dar. Die Aufnahmetaschen sind durch ein dünnwandiges Elastomer gebildet, das sich individuell an die Zellen anschmiegt. Die Verschaltung der Zellen erfolgt durch eine nachträgliche einseitige Kontaktierung der Zellen. Solche Batteriemodule können dabei sowohl nebeneinander als auch übereinander gestapelt werden. Beispielsweise kann eine Hochvolt-Batterie aus 30 solchen Module aufgebaut sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019221723 A1 [0003]

Claims

Kühleinrichtung (12) zur Kühlung eines Batteriemoduls (36) mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle (38), wobei die Kühleinrichtung (12) umfasst: - eine Aufnahmeeinheit (10), die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle (38) zugeordneten Aufnahmebereich umfasst, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle (38) ausgebildet ist; und - eine von einem Kühlfluid durchströmbare Strömungskammer (44); dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (10) elektrisch isolierend ausgebildet ist und eine erste Grundplatte (14a) und pro Aufnahmebereich eine zylindrische und flexible Aufnahmetasche (16) mit einem jeweiligen Taschenboden (16b) und einer sich an den Taschenboden (16b) anschließenden Taschenwand (16a) aufweist, wobei die erste Grundplatte (14a) pro Aufnahmebereich ein Loch (18) bereitstellt, an das sich die jeweilige zylindrische Aufnahmetasche (16) anschließt, so dass eine in den zugeordneten Aufnahmebereich aufzunehmende Batteriezelle (38) in einer ersten Richtung (z) durch das Loch (18) in die Aufnahmetasche (16) einführbar ist, und wobei zumindest die Taschenwand (16a) der Aufnahmetasche (16) einen Teil einer Kammerwand der Strömungskammer (44) bereitstellt.
Kühleinrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmetasche (16) aus einem ersten elastischen Material, insbesondere einem ersten Kunststoff, ausgebildet ist.
Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundplatte (14a) aus einem zweiten Material, insbesondere einem zweiten Kunststoff, ausgebildet ist.
Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (12) eine Düseneinheit (20) aufweist, die eine zweite Grundplatte (20a) aufweist, die bezüglich der ersten Richtung (z) oberhalb der Aufnahmeeinheit (10) angeordnet ist, so dass die mindestens eine Aufnahmetasche (16) zwischen der ersten Grundplatte (14a) der Aufnahmeeinheit (10) und der zweiten Grundplatte (20a) angeordnet ist und der Taschenboden (16b) der zweiten Grundplatte (20a) zugewandt ist, wobei die Düseneinheit (20) weiterhin mindestens eine Düse (20b) aufweist, mittels welcher das Kühlfluid in die Strömungskammer (44) einleitbar ist, wobei die mindestens eine Düse (20b) in der ersten Richtung (z) langgestreckt ausgebildet ist und mindestens eine Austrittsöffnung (22) aufweist, die in Bezug auf die erste Richtung (z) an einem Ende der Düse (20b) und auf einer gleichen Höhe wie ein sich an die erste Grundplatte (14a) anschließendes erstes Viertel der mindestens einen Aufnahmetasche (16) angeordnet ist.
Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (12) mehrere der mindestens einen Aufnahmetasche (16) aufweist, wobei die mindestens eine Düse (20b) in einem Zwischenraum (28) zwischen den mehreren Aufnahmetaschen (16) angeordnet ist, so dass die mindestens eine Düse (20b) bezüglich einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung (z) von mindestens drei der mehreren Aufnahmetaschen (16) umgeben ist, die vorzugsweise einen gleichen Abstand zur mindestens einen Düse (20b) aufweisen.
Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (20b) außenseitig mehrere in der ersten Richtung (z) verlaufende Rippen (42) aufweist.
Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundplatte (14a) mindestens ein der mindestens einen Düse (20b) zugeordnetes, bezüglich der ersten Richtung (z) unterhalb der zugeordneten mindestens einen Düse (20b) angeordnetes und in Richtung der Düse (20b) konisch zulaufendes Strömungsumlenkelement (34) aufweist.
Batteriemodul (36) für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühleinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen einer Kühleinrichtung (12) zur Kühlung eines Batteriemoduls (36) mit mindestens einer zylindrischen Batteriezelle (38), aufweisend den Schritt: - Bereitstellen einer Aufnahmeeinheit (10), die mindestens einen der mindestens einen Batteriezelle (38) zugeordneten Aufnahmebereich umfasst, der zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezelle (38) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (10) als elektrisch isolierende Aufnahmeeinheit (10) bereitgestellt wird und weiterhin mit einer ersten Grundplatte (14a) und pro Aufnahmebereich einer zylindrischen und flexiblen Aufnahmetasche (16) mit einem jeweiligen Taschenboden (16b) und einer sich an den Taschenboden (16b) anschließenden Taschenwand (16a) bereitgestellt wird, wobei die erste Grundplatte (14a) pro Aufnahmebereich ein Loch (18) bereitstellt, an das sich die jeweilige zylindrische Aufnahmetasche (16) anschließt, so dass eine in den zugeordneten Aufnahmebereich aufzunehmende Batteriezelle (38) in einer ersten Richtung (z) durch das Loch (18) in die Aufnahmetasche (16) einführbar ist, und wobei zumindest die Taschenwand (16a) der Aufnahmetasche (16) einen Teil einer Kammerwand einer von einem Kühlfluid durchströmbaren Strömungskammer (44) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (10) mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens hergestellt wird.