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Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit zum Kühlen von zylindrischen Batteriezellen, wobei die Kühleinheit ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlelement mit einer ersten Kühlseite und einer der ersten Kühlseite gegenüberliegenden zweiten Kühlseite aufweist, wobei das Kühlelement eine Längserstreckung in eine erste Richtung aufweist, und wobei das Kühlelement in einer zur ersten senkrechten zweiten Richtung derart wellenförmig ausgebildet ist, dass auf der ersten Kühlseite erste Aufnahmerillen zur zumindest teilweisen Aufnahme zylindrischer Batteriezellen ausgebildet sind, die in der ersten Richtung verlaufen, und auf der zweiten Kühlseite zweite Aufnahmerillen zur zumindest teilweisen Aufnahme zylindrischer Batteriezellen ausgebildet sind, die in der ersten Richtung verlaufen. Zudem umfasst die Kühleinheit eine mit dem Kühlelement gekoppelte Kühlmittelzuführeinrichtung, über welche dem Kühlelement ein Kühlmittel zuführbar ist, und eine mit dem Kühlelement gekoppelte Kühlmittelabführeinrichtung, über welche ein Kühlmittel aus dem Kühlelement abführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul und eine Batteriemodulanordnung.
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Bekanntlich weisen Elektro- oder Hybridfahrzeuge eine Traktionsbatterie auf, die als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein kann. Derartige Batterien weisen typischerweise vielzählige Batteriezellen auf, die gekühlt werden müssen, vor allem beim Leistungsabruf und laden. Dabei können verschiedene Batteriezellengeometrien zum Einsatz kommen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich dabei im Wesentlichen mit der Kühlung von als Rundzellen ausgebildeten Batteriezellen, die auch zylindrische Zellen genannt werden. Um eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen, müssen oftmals extrem niedrige Kühlmittelvorlauftemperaturen im Kühlkreislauf erreicht werden. Dies hat fahrzeugseitig aufwändige, teure und schwere Kühlkreisläufe mit Einbindung des energiefressenden Kältekreislaufs zur Folge. Oftmals werden Rundzellen nur stirnseitig gekühlt, insbesondere nur an einer Stirnseite, z.B. über einen Kühlboden, auf dem die Zellen aufgestellt sind. Die Anbindung an diesen erfolgt oft indirekt über Zwischenschichten. Durch die indirekte Anbindung der Kühlung reichen selbst diese aufwändigen Maßnahmen nicht aus, um die Wärmeentwicklung der Batterien bei voller Leistung zu bremsen. Deshalb muss in diesem Fall die Leistung reduziert werden, um ein Überhitzen der Zellen zu vermeiden.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik auch Möglichkeiten bekannt, um eine Kühlung zwischen Rundzellen, insbesondere zischen Lagen bzw. Reihen von Rundzellen bereitzustellen. Beispiele hierfür sind in der
DE 10 2019 116 969 A1 ,
DE 10 2007 052 330 A1 und in der
DE 10 2015 221 272 A1 beschrieben. Hierbei verlaufen Kühlelemente wellenförmig zwischen Zellreihen von Rundzellen. Anschlüsse für die Kühlelemente befinden sich dabei entsprechend zu Beginn oder am Ende einer Zellreihe und die Kühlelemente werden, sofern eine Durchströmung mit einem Kühlmittel möglich ist, in Verlaufsrichtung der Reihen von einem Kühlmittel durchströmt.
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Wenngleich sich hierdurch bereits eine Verbesserung der Kühlung von Rundzellen bereitstellen lässt, so wäre eine weitere Steigerung der Kühleffizienz dennoch wünschenswert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinheit, ein Batteriemodul und eine Batteriemodulanordnung bereitzustellen, die eine möglichst effiziente Kühlung von zylindrischen Batteriezellen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinheit, ein Batteriemodul und eine Batteriemodulanordnung 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 Kühleinheit zum Kühlen von zylindrischen Batteriezellen weist ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlelement mit einer ersten Kühlseite und einer der ersten Kühlseite gegenüberliegenden zweiten Kühlseite auf, wobei das Kühlelement eine Längserstreckung in eine erste Richtung aufweist, und wobei das Kühlelement in einer zur ersten senkrechten zweiten Richtung derart wellenförmig ausgebildet ist, dass auf der ersten Kühlseite erste Aufnahmerillen zur zumindest teilweisen Aufnahme zylindrischer Batteriezellen ausgebildet sind, die in der ersten Richtung verlaufen, und auf der zweiten Kühlseite zweite Aufnahmerillen zur zumindest teilweisen Aufnahme zylindrischer Batteriezellen ausgebildet sind, die in der ersten Richtung verlaufen. Zudem umfasst die Kühleinheit eine mit dem Kühlelement gekoppelte Kühlmittelzuführeinrichtung, über welche dem Kühlelement ein Kühlmittel zuführbar ist, und eine mit dem Kühlelement gekoppelte Kühlmittelabführeinrichtung, über welche ein Kühlmittel aus dem Kühlelement abführbar ist. Dabei sind die Kühlmittelzuführeinrichtung und die Kühlmittelabführeinrichtung an bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegenden Enden des Kühlelements angeordnet, so dass das Kühlelement parallel zur ersten Richtung von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
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Damit ist das Kühlelement vorteilhafterweise in der Richtung von einem Kühlmittel durchströmbar, welche zur Längsrichtung der zylindrischen Batteriezellen korrespondiert, die in den jeweiligen ersten und zweiten Rillen zumindest zum Teil aufgenommen sind, wenn das Kühlelement bestimmungsgemäß in einem Batteriemodul zum Kühlen der Batteriezellen des Batteriemoduls verwendet wird. Die Strömungsrichtung verläuft damit nicht in Richtung einer Zellreihe mehrerer in einer solchen Reihe angeordneter Batteriezellen, sondern stattdessen senkrecht dazu in Längsrichtung einer jeweiligen zylindrischen Batteriezelle, die im Folgenden auch teilweise einfach als Rundzelle bezeichnet wird, d.h. also in Richtung einer Zylinderachse bezogen auf die zylindrische Geometrie einer solchen Zelle. Daraus ergeben sich wiederum vielzählige Vorteile: Zum einen beruht die Erfindung dabei auf der Erkenntnis, dass sich hierdurch eine deutlich homogenere Kühlung von Rundzellen bereitstellen lässt. Bei einer Strömungsrichtung in Verlaufsrichtung von Zellreihen, wie dies in Stand der Technik vorgesehen ist, werden die Zellen zu Beginn einer Zellreihe deutlich besser gekühlt als am Ende der Zellreihe, da sich das Kühlmittel in Strömungsrichtung zunehmend erwärmt. Gerade bei sehr langen Zellreihen mit vielen Zellen ist dies ein großes Problem, da letztendlich die am schlechtesten gehkühlte Zelle die Gesamtperformance limitiert. Außerdem führt eine inhomogene Kühlung auch zu inhomogenen Alterungseffekten der Zellen, was wiederum die Lebensdauer des Gesamtsystems reduziert. Durch eine Strömungsrichtung des Kühlmittels in Längsrichtung der Zellen, lässt sich eine deutlich homogenere Temperaturverteilung über alle Zellen hinweg bereitstellen, was sich auf die Gesamtkühleffizient einerseits und auf die Lebensdauer andererseits sehr positiv auswirkt. Diese Strömungsrichtung bildet zudem Grundlage für weitere nachfolgend noch näher beschriebene vorteilhafte Ausgestaltungen, mit denen sich die Effizienz insgesamt noch weiter steigern lässt. Um ein Beispiel zu nennen können durch das Kühlelement viele einzelne in der ersten Richtung verlaufende Kühlkanäle bereitgestellt werden, die die Kühleffizienz dadurch steigern, dass sie für deutlich definiertere Strömungsverhältnisse sorgen. Dennoch lässt sich das Kühlelement insgesamt sehr dünn und die Kanäle sehr filigran ausbilden, da diese im Wesentlichen geradlinig und nicht gewellt verlaufen, was die Fertigung deutlich vereinfacht und die Bereitstellung einer sehr kompakten und bauraumeffizienten Kühleinheit erst ermöglicht.
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Das Kühlmittel, welches vorzugsweise zum Durchströmen der Kühleinheit verwendet wird, stellt ein Fluid dar, zum Beispiel Wasser oder ein Kühlmittel auf Wasserbasis. Dass das Kühlelement in einer zur ersten senkrechten zweiten Richtung wellenförmig ausgebildet ist, ist dabei so zu verstehen, dass das Kühlelement in einem Querschnitt senkrecht zur ersten Richtung betrachtet wellenförmig verläuft, insbesondere sowohl die erste als auch die zweite Kühlseite, während das Kühlelement in eine Querschnitt senkrecht zur zweiten Richtung betrachtet jedoch vorzugsweise geradlinig verläuft, insbesondere sowohl die erste als auch die zweite Kühlseite. Zudem soll „wellenförmig“ hierbei so verstanden werden, dass eine Höhe des Kühlelements bzw. dessen erster Kühlseite und zweiter Kühlseite bezüglich einer gedachten Referenzebene, die parallel zur ersten und zweiten Richtung verläuft, im Verlauf der zweiten Richtung variiert, insbesondere periodisch alternierend zu- und abnimmt. Der Verlauf muss dabei nicht notwendigerweise als sinusförmiger Verlauf ausgebildet sein und ist dies vorzugsweise auch nicht.
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Zudem ist es bevorzugt, dass zumindest das Kühlelement metallisch ausgebildet ist, also aus einem Metall oder einer Legierung, vorzugsweise aus Aluminium. Damit kann eine besonders gute thermische Leitfähigkeit bereitgestellt werden und der thermische Widerstand zwischen Rundzelle und dem das Kühlelement durchströmenden Kühlmittel lässt sich minimieren.
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Die ersten und zweiten Aufnahmerillen sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass in diese zum Beispiel eine zylindrische Batteriezelle mit ihrer durch ihre Zylinderachse definierten Längsrichtung in Verlaufsrichtung der Rillen einlegbar ist. Der von der Rillenwand umschlossene Mantelteil des Mantels der zylindrischen Zelle beträgt dabei maximal 50% oder weniger, d.h. ein Umschließungswinkel in tangentialer Richtung beträgt maximal 180° oder weniger. Um ein Batteriemodul, wie dies später noch näher erläutert wird, bereitzustellen werden vorzugsweise mehrere solcher Kühleinheiten verwendet, die abwechselnd mit Lagen von Rundzellen geschichtet werden. Eine Rundzelle ist dann entsprechend in der ersten Rille einer ersten Kühleinheit aufgenommen und gleichzeitig in der zweiten Rille einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Kühleinheit. Insgesamt ist damit ein Großteil der Mantelfläche einer Batteriezelle von den Rillenwänden der betreffenden Rillen umschlossen. Insbesondere können mittels dieser Anordnung und der beschriebenen Ausbildung der Kühleinheiten ca. 70% der Zylinderoberfläche einer jeweiligen Rundzelle gekühlt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Kühlelement mehrere in der zweiten Richtung voneinander separierte, in die erste Richtung verlaufende Kühlkanäle. Dadurch lassen sich wiederum gleichzeitig mehrere Vorteile erzielen. Zum einen sorgen derartige Kühlkanäle für definierte Strömungsverhältnisse und erlauben die Einstellung definierter und über die Zelloberflächen betrachtet nahezu gleicher Strömungsgeschwindigkeiten. Bei einer unstrukturierten Durchströmung großer Strömungsquerschnitte dagegen besteht die Gefahr, dass sich Bereiche ausbilden, in denen das Kühlmittel nicht oder kaum strömt, und andere Bereiche mit deutlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten, und zudem sind dann Verwirbelungen auch deutlich ausgeprägter und häufiger, die definierten Strömungsverhältnissen entgegenwirken und die Kühleffizienz mindern. Durch das Vorsehen mehrerer Kühlkanäle lässt sich eine strukturierte Strömung mit definierten Strömungsverhältnissen bereitstellen und eine sehr gleichmäßige und sehr effiziente Kühlung über alle zu kühlenden Oberflächen, insbesondere der Zellen, hinweg. Beispielswiese werden hierdurch auch unerwünschte Querströmungen, zum Beispiel in der zweiten Richtung, verhindert. Pro erster Rille oder pro zweiter Rille können dabei mehrere Kühlkanäle vorgesehen sein, zum Beispiel mindestens 5 oder mindestens 10 Kühlkanäle, wobei sich erste und zweite Rillen, da sie ja auf unterschiedlichen Seiten des Kühlelements angeordnet sind, Kühlkanäle teilen. Ein weiterer großer Vorteil der Kühlkanäle besteht zudem darin, dass diese zusätzliche Untergliederung des Zwischenraums zwischen erster und zweiter Kühlseite zu mehr Stabilität führt. Durch die Kühlkanäle sind zwischen erster und zweiter Seite vielzählige in der ersten Richtung verlaufende Zwischenstege eingebracht, die die Kühlkanäle voneinander separieren. Diese Zwischenstege stützen die erste und zweite Kühlseite gegeneinander ab. Die Kühlkanäle selbst können dabei sehr klein bezüglich ihres maximalen Durchmessers senkrecht zur ersten Richtung ausgebildet sein, der zum Beispiel im Bereich von wenigen Millimetern liegen kann. Zudem können die Kanäle hinsichtlich ihres Querschnitts unterschiedlich groß und auch mit unterschiedlicher Geometrie ausgebildet sein. Dies erlaubt besonders vorteilhafte Anpassungsmöglichkeiten an die Geometrie der zu kühlenden Mantelflächen der Rundzellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jede der ersten und zweiten Rillen eine zentrale, in der ersten Richtung verlaufende Einkerbung auf, insbesondere so, dass eine in der ersten oder zweiten Rille aufgenommene zylindrische Batteriezelle im Bereich der Einkerbung das Kühlelement nicht berührt. Diese Einkerbung stellt also eine Art Vertiefung in oder entgegen einer zur ersten und zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung dar, ähnlich einer kleinen Rinne, die innerhalb einer Rille zentral ebenfalls in der ersten Richtung verläuft. Diese Einkerbung kann dabei in oder entgegen der dritten Richtung konisch zulaufend ausgebildet sein. Eine solche Einkerbung in einer der ersten Rinnen auf der ersten Kühlseite kann mit einer korrespondieren Erhebung oder Erhöhung auf der zweiten Kühlseite einhergehen, und zwar in einem Grenzbereich zwischen zwei zweiten Rinnen, und umgekehrt. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn ein jeweiliger Grenzbereich zwischen je zwei benachbarten ersten Rillen und je zwei benachbarten zweiten Rillen eine zentrale, in der ersten Richtung verlaufende Erhebung aufweist, und mindestens eine der Einkerbungen auf der ersten Kühlseite einer der Erhebungen auf der zweiten Kühlseite bezüglich einer dritten Richtung gegenüberliegt und mindestens eine der Einkerbungen auf der zweiten Kühlseite mindestens einer der Erhebungen auf der ersten Kühlseite bezüglich der dritten Richtung gegenüberliegt. Auch die Erhebungen können entsprechend konisch zulaufend ausgebildet sein. Diese Erhebungen im Grenzbereich zwischen zwei Rillen greifen sozusagen in die Vertiefung zwischen zwei benachbart in den Rillen angeordneten Rundzellen ein. Damit können die Rundzellen auch in diesem sehr engen Zwischenraum sehr effizient gekühlt werden, und dennoch können die Zellen sehr nahe beieinander angeordnet werden, wodurch ein zur Verfügung stehender Bauraum viel besser ausgenutzt werden kann. Die korrespondierenden Einkerbungen auf der gegenüberliegenden Seite führen dagegen dazu, dass die Mantelfläche der Zelle, die in der Rille angeordnet ist, im Bereich dieser Einkerbung die betreffende Kühlseite des Kühlelements nicht berührt. Dies hat wiederum mehrere Vorteile. Zum einen erleichtert dies die Fertigung des Kühlelements, welches sich dann vorteilhafterweise mittels Strangpresserfahren einfach bereitstellen lässt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hierdurch ein Freiraum bereitgestellt ist, in welchem elektrische Komponenten, wie Schienen oder Leiter, für die elektrische Verschaltung der Batteriezellen angeordnet werden können, wie dies später näher beschrieben ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlmittelzuführeinrichtung einen Kühlmittelzuführanschluss, zum Beispiel in Form zumindest eines Stutzens, und einen Verteilerbereich auf, der sich in der zweiten Richtung durchgehend über alle der Kühlkanäle des Kühlelements hinweg erstreckt, wobei der Kühlmittelzuführanschluss, der Verteilerbereich und die Kühlkanäle fluidisch miteinander verbunden sind, so dass über den Kühlmittelzuführanschluss Kühlmittel dem Verteilerbereich zuführbar ist und über den Verteilerbereich in die Kühlkanäle einführbar ist. So lässt sich vorteilhafterweise das über den Kühlmittelzuführanschluss der Kühleinheit zugeführtes Kühlmittel über den Verteilerbereich gleichzeitig auf alle Kühlkanäle des Kühlelements verteilen und diesen zuführen. An den Kühlmittelzuführanschluss kann zum Beispiel ein Schlauch angeschlossen werden, mittels welchem das Kühlmittel der Kühleinheit zugeführt werden kann. Vor allem wenn mehrere Kühleinheiten pro Batteriemodul vorgesehen sind, und zumindest mehrere von diesen zum Beispiel über einen gleichen Kühlmittelschlauch mit Kühlmittel versorgt werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn der Kühlmittelzuführanschluss zum Beispiel als ein Durchgangsanschluss ausgebildet ist. Zum Beispiel kann ein erster Stutzen auf einer ersten Seite der Kühlmittelzuführeinrichtung vorgesehen sein, an den ein erster Schlauchabschnitt angeschlossen ist, und auf einer zweiten Seite der Kühlmittelzuführeinrichtung ein dem ersten Stutzen direkt gegenüberliegender zweiter Stutzen, an den ein zweiter Schlauchabschnitt angeschlossen ist, der wieder zu einem ersten Stutzen einer weiteren Kühleinheit führt, usw. Der erste und zweite Stutzen der Kühlmittelzuführeinrichtung sind entsprechend durch einen Innenraum der Kühlmittelzuführeinrichtung voneinander separiert und weisen insbesondere von diesem Innenraum weg, um ein einfaches Anschließen der Schlauchabschnitte zu ermöglichen. Die erste Seite der Kühlmittelzuführeinrichtung und die erste Kühlseite des Kühlelements können zum Beispiel Teil einer ersten Seite der Kühleinheit darstellen und entsprechend die zweite Seite der Kühlmittelzuführeinrichtung und die zweite Kühlseite einen Teil der gegenüberliegenden zweiten Seite der Kühleinheit.
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Ebenso stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kühlmittelabführeinrichtung einen Kühlmittelabführanschluss, zum Beispiel ebenfalls zumindest einen Stutzen, und einen Sammelbereich aufweist, der sich in der zweiten Richtung durchgehend über alle der Kühlkanäle des Kühlelements hinweg erstreckt, wobei der Kühlmittelabführanschluss, der Sammelbereich und die Kühlkanäle fluidisch miteinander verbunden sind, so dass Kühlmittel aus den Kühlkanälen in den Sammelbereich einleitbar ist und über den Sammelbereich aus dem Kühlmittelabführanschluss aus dem Sammelbereich ausleitbar ist. Im Allgemeinen kann die Kühlmittelabführeinrichtung wie zur Kühlmittelzuführeinrichtung beschreiben ausgebildet sein. Entsprechend kann auch diese als Kühlmittelabführanschluss einen oder zwei Stutze aufweisen, und dieser kann ebenfalls optional als Durchgangsanschluss ausgebildet sein. Dies spart Bauraum und Material, und vereinfacht den Verkabelungsaufwand der Kühlmittelzu- und abführleitungen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einer erfindungsgemäße Kühleinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühleinheit und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul. Das Batteriemodul weist vorzugsweise mindestens eine zylindrische Batteriezelle, vorzugsweise mehrere zylindrische Batteriezellen auf. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Zudem ist die mindestens eine Batteriezelle vorzugsweise in einer ersten oder zweiten Rille der Kühleinheit aufgenommen. Zudem ist es besonders vorteilhaft, wenn das Batteriemodul mehrere Kühleinheiten aufweist, wie später noch näher erläutert. Das Batteriemodul kann außerdem Teil einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug sein oder eine solche Hochvoltbatterie bereitstellen. Eine solche Hochvoltbatterie, die ebenfalls als zu Erfindung gehörend angesehen werden soll, kann ein oder mehrere Batteriemodule bzw. später noch näher beschriebene Batteriemodulanordnungen aufweisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul eine erste Zell-Lage auf, die mehrere erste Zellreihen umfasst, wobei jede erste Zellreihe mindestens eine erste zylindrische Batteriezelle aufweist, wobei die ersten Zellreihen sich jeweils in der ersten Richtung erstrecken, und wobei in einer jeweiligen ersten Rille des Kühlelements jeweils eine der ersten Zellreihen der ersten Zell-Lage angeordnet ist. Die Anzahl an ersten Rillen des Kühlelements ist damit gleich der Anzahl an ersten Zellreihen der ersten Zell-Lage. Auf diese Weise lässt sich eine besonders effiziente Kühlung von Rundzellen, insbesondere über deren Mantelflächen, bereitstellen, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Zell-Lagen und Kühleinheiten lassen sich so auf einfache Weise stapeln, insbesondere bis eine gewünschte Modulgröße erreicht ist. Dabei muss nicht notwendigerweise jede Zell-Lage die gleiche Anzahl an Zellreihen aufweisen. Vorzugsweise unterscheiden sich die Anzahlen an Zellreihen aufeinanderfolgender Zell-Lagen um maximal 2. Ein Batteriemodul kann zum Beispiel zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 5 und 10 Zell-Lagen aufweisen und jede Zell-Lage kann zwischen 5 und 20 Zellreihen aufweisen. Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum können aber auch mehr oder weniger Zell-Lagen bzw. Reihen vorgesehen sein. Die einen Abschluss bildenden Kühleinheiten, zum Beispiel an der ersten und letzten Zell-Lage, können geometrisch leicht anders ausgebildet sein. Zum Beispiel kann bei diesen zumindest einseitig, insbesondre auf der der Zell-Lage abgewandten Seite, auf die oben beschriebenen Einkerbungen und Erhebungen verzichtet werden. Ansonst können sie gleich ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede der ersten Zellreihen als eine Zellstange mit jeweils mehreren ersten zylindrischen Batteriezellen ausgebildet, denen jeweils eine Zylinderachse zugeordnet ist, die eine Längserstreckungsrichtung der jeweiligen ersten Batteriezelle definiert, die parallel zur ersten Richtung ist, wobei die in der gleichen Zellreihe angeordneten ersten Batteriezellen mit ihren Zylinderachsen koaxial zueinander und in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Somit lässt sich in der ersten Richtung pro Rille nicht nur eine einzelne Rundzelle kühlen, sondern mehrere Rundzellen gleichzeitig, die sozusagen eine Zellenstange bzw. einen Zellstab bilden. Die Bildung solcher Zellstäbe und der Zusammenfassung dieser zu einem Modul ermöglicht ganz neue und deutlich kompaktere Modulgeometrien. Gerade in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kühleinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen kann für ein derartiges, neues Anordnungskonzept der Rundzellen eine geeignete und gleichmäßige Kühlung bereitgestellt werden. Zudem gestaltet sich die Kühlung dadurch noch deutlich effizienter, insbesondere hinsichtlich Kosten und Aufwand. Gerade das Kühlelement lässt sich ohne großen Mehraufwand in quasi beliebiger Länge in der ersten Richtung fertigen, zumindest in Längenbereichen zwischen 20 cm und 150 cm. Somit kann zur Kühlung der Zellstangen einfach die Länge des Kühlelements in der ersten Richtung korrespondierend vergrößert werden. Die Kühlmittelzuführeinrichtung und die Kühlmittelabführeinrichtung bleiben davon vollkommen unberührt. Damit lassen sich durch kaum Mehraufwand deutlich mehr Zellen kühlen, als wenn pro Rille nur eine einzelne Rundzelle vorgesehen wäre. Somit lässt sich das Nutzen-Kosten-Verhältnis deutlich steigern. Jede Zellstange weist vorzugsweise eine gleiche Anzahl an Zellen auf. Somit sind alle Zellstangen eines Batteriemoduls gleich lang. Dies vereinfacht die Ausbildung der Kühlung, da dann alle Kühleinheiten ebenfalls gleichlang in der ersten Richtung ausgebildet werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die in der gleichen ersten Zellreihe angeordneten ersten Batteriezellen zueinander elektrisch parallel geschaltet, insbesondere mittels mindestens einer Kontaktschiene. Zum einen ist es besonders vorteilhaft, die Rundzellen einer Zellreihe, d.h. einer Zellstange, nicht zueinander in Serie zu schalten, sondern parallel zueinander, da dann keine separaten Zell-Balancing-Schaltungen zum Ladungsausgleich pro Zelle innerhalb einer Zellstange vorgesehen werden müssen, was sich bauraumtechnisch nur schwer realisieren ließe. Bei parallel geschalteten Zellen findet vorteilhafterweise automatisch ein Ladungsausgleich statt. Dies begünstigt die Lebensdauer der Batteriemoduls und spart Bauraum. Zur Parallelschaltung wird vorzugsweise oben genannte Kontaktschiene oder eine beliebige elektrische Leitung verwendet. Mit dieser Schiene bzw. Leitung sind dann z.B. alle Plus-Pole der Zellen einer gleichen Zellreihe elektrisch leitend verbunden. Zudem kann eine weitere Schiene bzw. ein weiterer Leiter vorgesehen sein, mit welchem dann alle Minus-Pole der Zellen einer gleichen Zellreihe elektrisch leitend verbunden sind. Die entsprechenden Polabgriffe der Rundzellen können zum Beispiel durch Lötfahnen bereitgestellt sein, die von einer oder beiden Stirnseiten einer Zelle seitlich an den Mantel geführt sein können. Die übrigen Bereiche des Zellgehäuses einer jeweiligen Zelle können elektrisch isoliert sein, zum Beispiel mit einer elektrisch isolierenden Hülle, bereitgestellt zum Beispiel durch einen Schrupfschlauch. Dann können auch die Zellen einer Reihe in axialer Richtung unmittelbar aneinander angeordnet werden, ohne elektrisch in Kontakt zu geraten. Die Kontaktschienen bzw. Leiter können dann vorteilhafterweise zum Beispiel durch die Freibereiche geführt sein, die durch die oben beschriebenen Einkerbungen in den Rillen bereitgestellt sind. Dadurch kann der Bauraum effizient ausgenutzt werden. Es können hierfür aber auch andere nachfolgend noch beschriebene Freiräume genutzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul mehrere der Kühleinheiten auf, die eine erste Kühleinheit und eine zweite Kühleinheit umfassen, wobei die erste Zell-Lage zwischen der ersten und zweiten Kühleinheit angeordnet ist, so dass sich die Kühlelemente der jeweiligen ersten und zweiten Kühleinheit in einem Bereich zwischen je zwei in der zweiten Richtung benachbart angeordneten ersten Zellreihen nicht berühren, so dass in der zweiten Richtung zwischen je zwei in der zweiten Richtung benachbart angeordneten ersten Zellreihen ein Freiraum gebildet ist, der sich in der ersten Richtung über eine gesamte Länge der Zellreihen erstreckt, insbesondere wobei in einem jeweiligen Freiraum mindestens ein elektrischer Leiter zum elektrischen Verschalten der Batteriezellen angeordnet ist. Auch diese Freiräume zwischen den Zellen können also vorteilhafterweise zur Führung der oben beschriebenen Kontaktschienen und/oder Leiter für die elektrische Kontaktierung und Verschaltung der Zellen einer gemeinsamen Zellreihe genutzt werden. Außerdem können durch diesen Freiraum auch einfach fertigungsbedingte Toleranzen in der dritten Richtung, so wie eventuelle temperaturabhängige Ausdehnungen des Systems ausgeglichen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Batteriemodul mehrere erste und mehrere zweite Kühleinheiten, die in einer zur ersten und zweiten senkrechten dritten Richtung in einer alternierenden Reihenfolge zueinander angeordnet sind, wobei die Kühlmittelzuführeinrichtungen der ersten Kühleinheiten in einem ersten Endbereich des Batteriemoduls angeordnet sind und die Kühlmittelabführeinrichtungen der ersten Kühleinheiten in einem bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegenden zweiten Endbereich des Batteriemoduls angeordnet sind. Dabei sind die Kühlmittelzuführeinrichtungen der zweiten Kühleinheiten im zweiten Endbereich des Batteriemoduls angeordnet und die Kühlmittelabführeinrichtungen der zweiten Kühleinheiten sind im ersten Endbereich des Batteriemoduls angeordnet. Zudem umfasst das Batteriemodul eine Kühlmittelzuführleitung und eine Kühlmittelabführleitung, wobei die Kühlmittelzuführleitung mit den Kühlmittelzuführanschlüssen der Kühlmittelzuführeinrichtungen der ersten Kühleinheiten fluidisch verbunden ist, die Kühlmittelabführeinrichtungen über eine Zwischenleitung fluidisch mit den Kühlmittelzuführeinrichtungen der zweiten Kühleinheiten verbunden sind und wobei die Kühlmittelabführanschlüsse der jeweiligen Kühlmittelabführeinrichtungen der zweiten Kühleinheiten mit der Kühlmittelabführleitung fluidisch verbunden sind. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass nur jeder zweiten Kühleinheit, hier als erste Kühleinheiten bezeichnet, das Kühlmittel über die Kühlmittelzuführleitung direkt zugeführt wird. Das Kühlmittel durchläuft dann erst die ersten Kühleinheiten, wird anschließend nach Durchlaufen der ersten Kühleinheiten über die Zwischenleitung in die zweiten Kühleinheiten umgelenkt, durchläuft diese in entgegengesetzter Strömungsrichtung und wird dann über die Abführleitung abgeführt. Die Abführleitung ist entsprechend ebenfalls nur mit jeder zweiten Kühleinheit gekoppelt, und zwar mit den zweiten Kühleinheiten. Die Zu- und Abführleitungen verlaufen auf derselben Seite des Moduls, nämlich im ersten Endbereich. Damit ist das Kühlmittel, zum Zeitpunkt wenn es die zweiten Kühleinheiten durchläuft im Mittel wärmer als zum Zeitpunkt, zu dem es die ersten Kühleinheiten durchläuft. Da sich die ersten und zweiten Kühleinheiten in ihrer Anordnung abwechseln, liegt an jeder Zell-Lage eine erste und eine zweite Kühleinheit an. Dies führt vorteilhafterweise wieder zu einer gleichmäßigen Kühlung der einzelnen Zellreihen, insbesondere sowohl in der zweiten als auch in der dritten Richtung betrachtet. Auch in der ersten Richtung mitteln sich die Temperaturunterschiede des Kühlmittels durch den beschriebenen Verlauf auf besonders vorteilhafte Weise zu einer gleichmäßigen Temperatur entlang einer jeweiligen Zellreihe.
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Die Kühlmittelzuführleitung, die Kühlmittelabführleitung, sowie die Zwischenleitung können zum Beispiel als Schläuche bereitgestellt sein. Dabei kann eine jeweilige Leitung zudem durch einzelne, separate Leitungsabschnitte, z. B. Schlauchabschnitte, bereitgestellt sein, die insbesondere durch die Kühlmittelzuführanschlüsse und Kühlmittelabführanschlüsse unterbrochen sein können.
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Im Allgemeinen lässt sich ein beispielhafter Aufbau des Batteriemoduls auch so beschreiben, dass das Batteriemodul mehrere der Kühleinheiten aufweist, die eine erste Kühleinheit und eine zweite Kühleinheit umfassen, wobei die erste Zell-Lage zwischen der ersten und zweiten Kühleinheit angeordnet ist, wobei die Kühlmittelabführeinrichtung der ersten Kühleinheit über ein Leitungselement, insbesondere der oben genannten Zwischenleitung, mit der Kühlmittelzuführeinrichtung der zweiten Kühleinheit fluidisch verbunden ist, um aus der ersten Kühleinheit über die Kühlmittelabführeinrichtung der ersten Kühleinheit abgeführtes Kühlmittel über die Kühlmittelzuführeinrichtung der zweiten Kühleinheit der zweiten Kühleinheit zuzuführen. Das Kühlmittel kann also aus der ersten Kühleinheit nach Durchlaufen dieser in die zweite Kühleinheit eingeführt werden. Dies vereinfacht den Aufbau bezüglich der Kühlmittelzu- und abführleitungen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriemodulanordnung mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen. Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung weist diese ein Batteriegehäuse auf, das ein Batteriegehäuseunterteil und einen Gehäusedeckel umfasst, wobei das Batteriemodul derart in dem Batteriegehäuse angeordnet ist, dass eine Stirnseite des Batteriemoduls, die das Batteriemodul in der ersten Richtung begrenzt, dem Gehäusedeckel zugewandt ist, insbesondere wobei eine Länge des Batteriemoduls in der ersten Richtung, insbesondre um ein Vielfaches, größer ist als eine Breite in der zweiten Richtung und eine Höhe in der dritten Richtung.
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Die Ausbildung als Stangen-Module, d.h. als Batteriemodul mit den beschriebenen Zellstangen, ermöglicht vorteilhafterweise die Anordnung eines solchen Moduls in einem Gehäuse mit einem sehr kleinen Deckel, da der Deckel quasi stirnseitig angeordnet ist und nicht wie üblich eine der flächenmäßig größten Seiten des Gehäuses bereitstellt, sondern eine der kleinsten Gehäuseseiten. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Dichtlinie zum Abdichten des Deckels gegenüber dem Gehäuseunterteil sehr kurz ist, wodurch eine deutlich einfachere und zuverlässigere Abdichtung möglich ist. Die elektrischen Leitungen und die Kühlmittelzu- und abführleitungen können dann einfach in einem Bereich der Dichtung zwischen dem Deckel und dem Gehäuseunterteil aus dem Gehäuse herausgeführt sein.
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Eine so bereitgestellte Modulanordnung wird vorzugsweise liegend im Kraftfahrzeug angeordnet, d.h. so, dass die erste Richtung senkrecht zu einer Fahrzeughochachse verläuft. Durch die Bildung der Zellstangen können solche Batteriemodule beispielsweise eine Länge von ca. 1 Meter und mehr aufweisen. Ein Batteriemodul kann zum Beispiel 66 Zellstangen aufweisen, wobei eine jeweilige Zellstange zum Beispiel 14 Rundzellen aufweist. Eine Hochvoltbatterie kann zum Beispiel drei solcher Batteriemodulanordnungen aufweisen, oder auch mehr oder weniger. Für eine Batterie mit drei solchen Batteriemodulanordnungen ergibt sich ein Gewicht der Kühlprofile, d.h. der Kühleinheiten, von ca. 15 kg, für Schläuche ca. 0,5 kg, und für Gapfiller, d.h. ein thermisches Interface-Material, das vorzugsweise zwischen den Zellen und den jeweiligen Kühlelementen eingebracht wird, von ca. 0,5 kg. Der Kühlwasserbedarf beträgt in diesem Beispiel ca. 8 I, insbesondere 3 mal 2,5 I.
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Auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühleinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen bzw. mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen bzw. einer erfindungsgemäßen Batteriemodulanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen soll zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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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 eines Batteriemoduls mit Zellstangen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer zylindrischen Batteriezelle für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Querschnitts durch ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische und vergrößerte Darstellung eines Teils des Querschnitts aus 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls und seiner Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung mehrere Batteriemodule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Kühlmittelführung in den Kühleinheiten eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 8 eine schematische Darstellung mehrerer Querschnitte durch eine Kühleinheit entlang einer ersten Richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 9 eine schematische Darstellung einer Batteriemodulanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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 Darstellung eines Batteriemoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist mehrere Zell-Lagen 12 auf, die im vorliegenden Beispiel aus Zellstangen 14 aufgebaut sind. Das Batteriemodul 10 ist in 1 liegend und in einer seitlichen Darstellung dargestellt. Die Zellstangen 14 erstrecken sich jeweils in eine erste Richtung, die vorliegend zur dargestellten x-Richtung korrespondiert. Jede Zell-Lage 12 umfasst dabei mehrere Zellstangen 14, die in einer zweiten Richtung, der hier dargestellten y-Richtung, nebeneinander angeordnet sind. Jede Zellstange 14 umfasst dabei mehrere zylindrische Batteriezellen 16, von denen eine schematisch in 2 darstellt ist.
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Wie in 2 dargestellt ist, ist eine solche zylindrische Batteriezelle 16, die im Folgenden auch als Rundzelle 16 oder einfach als Zelle 16 bezeichnet wird, zylinderförmig, und weist zwei Stirnseiten 16a auf, die die Zelle 16 in ihrer Längserstreckung begrenzen, die in Richtung der Zylinderachse A verläuft. Der von den Stirnseiten 16a verschiedene Teil des Zellgehäuses der Zelle 16 wird im Folgenden auch mit Mantel 16b oder Mantelfläche 16b bezeichnet. Die Rundzelle 16 weist zudem zwei Zellpole auf, die vorliegend mit Lötfahnen 16c versehen sind, die wiederum jeweils von den jeweiligen Stirnseiten 16a an die Seite des Mantels 16b geführt sind. Dies erleichtert die elektrische Verschaltung, wie dies später noch näher beschrieben wird.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Querschnitts durch ein Batteriemodul 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind die in einer dritten Richtung, der z-Richtung, übereinander angeordneten Zell-Lagen 12 zu erkennen, die jeweils die mehreren Zellstangen 14 aufweisen, die wiederum jeweils aus mehreren Zellen 16 aufgebaut sind.
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Zwischen je zwei benachbarten Zell-Lagen 12 ist dabei eine Kühleinheit 18 angeordnet, die ein Kühlelement 20 umfasst. Auch an den äußeren Zell-Lagen 12 kann außenseitig eine solche Kühleinheit 22 angeordnet sein, die geometrisch etwas anders ausgeführt sein kann als die Kühleinheiten 18 zwischen den Zell-Lagen 12.
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4 zeigt eine schematische und vergrößerte Darstellung eines Teils des Querschnitts des Batteriemoduls 10 aus 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kühlelement 20 einer jeweiligen Kühleinheit 18 ist dabei im Verlauf in y-Richtung wellenförmig ausgebildet und umfasst mehrere Kühlkanäle 24, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Kühlkanäle 24 verlaufen in x-Richtung und damit in Längsrichtung der Zellen 16 und aus diesen gebildeten Zellstangen 14. Die Kühlkanäle 24 sind von einem Kühlmittel, zum Beispiel einem, welches zum Großteil aus Wasser besteht, durchströmbar. Durch die Kühlkanäle 24 lassen sich definierte Strömungsverhältnisse gewährleisten. Dies steigert die Kühleffizienz. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dass sich durch diese Ausbildung der Kühleinheit 20 eine Strömungsrichtung parallel zur x-Richtung und damit entlang der Zellstangen 14 und nicht quer zu diesen bereitstellen lässt. Dies ermöglicht eine deutlich homogenere Kühlung über alle Zellen 16 hinweg. Durch die wellenförmige Struktur lässt sich ca. 70% der Mantelfläche 16b der Zellen 16 kühlen, was ein deutlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen, indirekten Bodenkühlungen von Rundzellen darstellt.
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Ein jeweiliges Kühlelement 20 weist dabei eine erste Kühlseite 20a und eine zweite Kühlseite 20b auf. Die wellenförmige Struktur eines jeweiligen Kühlelements 20 ist dabei so ausgebildet, dass in der ersten Kühlseite 20 erste Rillen 26a und in der zweiten Kühlseite zweite Rillen 26b gebildet sind, die jeweils in x-Richtung verlaufen und in welche die Zellstangen 14 zumindest zum Teil aufnehmbar sind, wie in 4 zu erkennen ist. Eine jeweilige Rille 26a, 26b weist zudem eine zentrale in x-Richtung verlaufende Einkerbung 28 bzw. Vertiefung 28 auf. Auf der bezüglich der z-Richtung gegenüberliegenden Seite einer jeweiligen Rille 26a, 26b ist entsprechend eine Erhöhung 30 in einem Grenzbereich zwischen zwei Rillen 26a, 26b angeordnet. Eine jeweilige Erhebung 30 ragt dabei in einen Zwischenbereich zwischen zwei Zellstangen 14. Dabei sind die Kühlelemente 20 weiterhin so ausgebildet, dass diese sich in diesem Zwischenbereich zwischen zwei Zellstangen 14 einer gleichen Zell-Lage 12 nicht berühren sondern ein Freibereich 32 verbleibt. Diese Freibereiche 32, sowie zusätzlich oder alternativ auch die durch die Einkerbungen 28 bereitgestellten Freibereiche, die sich in x-Richtung über die gesamte Länge der Zellstangen 14 erstrecken, werden vorteilhafterweise genutzt, um darin hier nicht dargestellte elektrische Leiter zur Verschaltung der Zellen 16 der Zellstangen 14 zu führen. Dabei ist es bevorzugt, dass die Zellen 16 einer gleichen Zellstange 14 zueinander parallel geschaltet werden. Daher ist es auch besonders vorteilhaft, dass die Zellen 16 wie zu 2 beschreiben und dort dargestellt, Lötfahnen 16c aufweisen. So können die Zellen 16 einfach seitlich in den Freibereichen 28, 32, zum Beispiel über ein darin geführte Kontaktschiene, verschaltet werden, indem alle Pluspole der Zellen 16 einer Zellstange 14 miteinander über diese Schiene elektrisch kontaktiert werden und alle Minuspole entsprechend auch. Die Zellstangen 14 untereinander können je nach Bedarf zueinander parallel und/oder seriell geschaltet werden. Die Verschaltung kann dabei in einem Endbereich des Batteriemoduls 10 erfolgen, zu welchem die Kontaktschienen der Zellstangen 14 durch die Freibereiche 28, 32 geführt werden. Eine Verschaltung von Zellstangen 14 der gleichen Zell-Lage 12 kann aber optional auch in den Freibereichen 32 zwischen den Zellstangen 14 erfolgen, insbesondere im Falle einer Reihenschaltung der Zellstangen 14 einer Zell-Lage 12.
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5 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls 10 und seiner Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul kann dabei wie zuvor bereits beschrieben aufgebaut sein. In 5 oben ist eine einzelne Zell-Lage 12 mit mehreren nebeneinander angeordneten Zellstangen 14 dargestellt und darunter eine Kühleinheit 18. Die Kühleinheit 18 umfasst dabei ein Kühlelement 20, wie dieses bereits beschrieben wurde. Zudem umfasst die Kühleinheit 18 eine Kühlmittelzuführeinrichtung 34 und eine Kühlmittelabführeinrichtung 36. Diese sind an den jeweiligen Enden der Kühlelemente 20 bezüglich der x-Richtung angeordnet. Über diese kann dem betreffenden Kühlelement 20 Kühlmittel zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden. Die Kühlmittelzuführeinrichtung 34 weist dabei einen Kühlmittelzuführanschluss 34a und einen Verteilerbereich 34b auf, über welchen das durch den Kühlmittelzuführanschluss 34a zugeführte Kühlmittel auf die Kühlkanäle 24 des Kühlelements 20 verteilt wird. Die Kühlmittelabführeinrichtung 36 ist ganz analog aufgebaut und umfasst einen Kühlmittelabführanschluss 36a und einen Kühlmittelsammelbereich 36b. In diesem wird das aus den Kühlkanälen 24 austretende Kühlmittel gesammelt und über den Kühlmittelabführanschluss 36b abgeführt.
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Wird die Zell-Lage 12 in die Rillen 26a des Kühlelements 20 der Kühleinheit 18 eingesetzt, so ergibt sich die Kühlanordnung 38, wie ebenfalls in 5 dargestellt. Werden solche Kühlanordnungen 38 übereinander gestapelt, so wird ein Batteriemodul 10 wie in 5 unten bereitgestellt. Mehrere solche Batteriemodule 10 können zur Bildung eine Hochvoltbatterie 39 verwendet werden, wie eine solche exemplarisch in 6 dargestellt ist. Dabei sind noch vorgesehene Modulgehäuse in 6 nicht dargestellt. Die Module 10 werden dabei vorzugsweise liegend in einem Kraftfahrzeug positioniert, so dass die in 6 dargestellte Achse F die Fahrzeughochachse F darstellt.
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Wie wiederum in 5 dargestellt ist, kann oberseitig des Moduls 10 eine Abschluss-Kühleinheit 22 angeordnet sein, die sich etwas von den beschriebenen Kühleinheiten 18 unterscheidet, insbesondere dadurch, dass auf der Außenseite auf die beschriebenen Erhebungen 30 verzichtet werden kann. Gleiches gilt für eine weitere Abschluss-Kühleinheit 22 auf der Unterseite des Batteriemoduls 10 bezüglich der z-Richtung. Ansonst können auch diese Abschluss-Kühleinheiten 22 wie die übrigen Kühleinheiten 18 aufgebaut sein.
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Weiterhin sind die jeweiligen Kühlmittelzu- und abführanschlüsse 34a, 36a über Leitungen miteinander verbunden. Dabei ist eine Kühlmittelzuführleitung 40, eine Kühlmittelabführleitung 42 und eine Zwischenleitung 44 bereitgestellt. Diese gliedern sich in einzelne separierte Leitungssegmente 40a, 42a, 44a, die zwischen den einzelnen Anschlüssen 34a, 36a eingebracht werden. In 5 sind diese Leitungen 40, 42, 44, die als Schläuche ausgeführt sein können, einmal separat dargestellt und einmal im mit den Anschlüssen 34a, 36a verbundenen Zustand.
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Zudem werden die Zuführanschlüsse 34a nur einer jeden zweiten Kühleinheit 18 des Moduls 10 mit der Zuführleitung 40 verbunden, insbesondere an einem ersten Endbereich 48 des Moduls 10. Die Abführanschlüsse 36a dieser mit der Zuführleitung 40 verbundenen Kühleinheiten 18 sind wiederum im gegenüberliegenden zweiten Endbereich 50 über die Zwischenleitung 44 mit den Zuführanschlüssen 34a der übrigen Kühleinheiten 18 verbunden. Deren Abführanschlüsse 36a sind wiederum im ersten Endbereich 48 mit der Abführleitung 42 verbunden. Auf diese Weise liegt eine jeweilige Zell-Lage 12 an einem etwas kälteren und einem etwas wärmeren Kühlelement 20 an. Dadurch ergibt sich eine sehr homogene Temperaturverteilung über alle Zellen 16, Zellstangen 14 und Zell-Lagen 12 hinweg.
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In 7 ist nochmal die Kühlmittelführung in den Kühleinheiten eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail veranschaulicht. Dabei sind vorliegend nur die beiden Endbereiche 48, 50 des Moduls 10 dargestellt. Das kalte Kühlmittel wird im Vorlauf über die Kühlmittelzuführleitung 40 jeder zweiten Kühleinheit18 zugeführt, erwärmt sich dabei etwas und wird im zweiten Endbereich 50 über die Zwischenleitung 44 den übrigen Kühleinheiten 18 zugeführt, über welche das Kühlmittel unter weiterer Erwärmung zurück zum ersten Endbereich 48 strömt und über die den Ablauf bereitstellende Kühlmittelabführleitung 42 abgeführt wird.
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8 zeigt eine schematische Darstellung mehrerer Querschnitte durch eine Kühleinheit 18 entlang der x-Richtung auf der linken Seite und die korrespondierenden Abschnitte der Kühleinheit 18 in einer Seitenansicht auf der rechten Seite. Das Profil der Kühleinheit 18 im Verteilerbereich 34b bzw. Sammelbereich 36b der Zuführeinrichtung 34 bzw. Abführeinrichtung 36, welches nicht durch Kanäle 24 segmentiert ist, geht im Verlauf der x-Richtung von flach zu wellig über, um einen kontinuierlichen Übergang zum Wellenprofil des Kühlelements 20 zu schaffen. Die Kühlkanäle 24 beginnen dabei ebenfalls erst mit Beginn des Kühlelements 20 in x-Richtung.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriemodulanordnung 52 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese umfasst ein Batteriemodul 10, wie dieses zuvor beschrieben wurde, und ein Gehäuse 54. Das Gehäuse 54 umfasst widerum ein Gehäuseunterteil 56 und einen Deckel 58. Das Einsetzen des Moduls 10 in das Gehäuseunterteil 56 ist durch den Pfeil 60 veranschaulicht und das Aufsetzen des Deckels 58 auf das Gehäuseunterteil 56 mit dem Pfeil 62 Das Modul 10 wird derart in das Gehäuse 54 eingebracht, dass eine Stirnseite des Moduls 10, vorzugswiese dessen erster Endbereich 48, dem Deckel 58 zugewandt ist. Dies hat den Vorteil, dass der Deckel 58 sehr klein ausgeführt werden kann, wodurch eine umlaufende Dichtlinie zwischen Deckel 58 und Gehäuseunterteil 56 äußerst kurz ausgeführt werden kann. Dies führt zu einer verbesserten Abdichtung. Zusätzlich können auch die Kühlmittelschläuche 40, 42 und die elektrischen Leitungen im Bereich zwischen Deckel 58 und Gehäuseunterteil 56 durch Durchführungen in der Dichtlinie aus dem Gehäuse 54 herausgeführt sein und zumindest ein Teil der herausgeführten elektrischen Leitungen mit einer Steuereinheit, insbesondere einem Battery-Management-Controller (BCM), verbunden sein. Eine solche Batteriemodulanordnung 52 kann dann optional zusammen mit dem BCM auf einer Trägerplatte oder einem Batterieboden montiert werden, insbesondere zusammen mit anderen solchen Batteriemodulanordnungen 52.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Längskühlung für Rundzellen bereitgestellt werden kann, die durch längs ausgerichtete, direkt angebundene Kühlprofile, die die Kontaktflächen zu den Rundzellen maximieren, eine nahezu direkte Kopplung der Kühlflüssigkeit an die Batteriezellen ermöglicht und damit eine höhere Kühlmittelvorlauftemperatur sowie den stationären Betrieb der Batterie bei voller Leistung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019116969 A1 [0003]
- DE 102007052330 A1 [0003]
- DE 102015221272 A1 [0003]
