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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie ein Batteriegehäuse mit einem Aufnahmebereich und einem Gehäusebauteil aufweist, der den Aufnahmebereich bezüglich einer ersten Richtung begrenzt. Weiterhin umfasst die Batterie mindestens einen Zellstapel mit mindestens einer Batteriezelle, wobei der mindestens eine Zellstapel im Aufnahmebereich angeordnet ist, so dass eine erste Seite der mindestens einen Batteriezelle dem Gehäusebauteil zugewandt ist und eine von der ersten Seite verschiedene zweite Seite der mindestens einen Batteriezelle einen ersten Zellpolanschluss aufweist. Weiterhin umfasst die Batterie mindestens ein Kühlelement zur Kühlung der mindestens einen Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Batterien für Kraftfahrzeuge, vor allem Hochvolt-Batterien, die als Traktionsbatterien für die Kraftfahrzeuge dienen, umfassen typischerweise vielzählige Batteriezellen, die an eine Kühlstruktur angebunden sind. Vor allem bei prismatischen Zellen erfolgt eine solche thermische Abbindung üblicherweise am Boden der Zelle. Dabei ist ein Gehäusebauteil, insbesondere der Gehäuseboden des Batteriegehäuses, oftmals als Kühlboden ausgestaltet. Die Zellterminals, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Zellpolanschlüsse genannt werden, befinden sich üblicherweise auf einer dem Zellboden gegenüberliegenden Seite der Batteriezelle. Diese sind oftmals nicht thermisch an eine Kühleinrichtung angebunden, da sich dies aufgrund des erforderlichen Toleranzausgleichs, z.B. bei Anbindung an einen Gehäusedeckel, sehr aufwendig gestaltet. Somit stellt sich eine ungleiche Temperaturverteilung über die Zelle hinweg ein, wenn diese nur bodenseitig gekühlt werden. Zudem kann im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle, was mit einer enormen Erhitzung einer solchen Batteriezelle einhergeht, viel thermische Energie über die metallischen Zellverbinder, die die Zellpolanschlüsse verschiedener Batteriezellen eines Zellstapels oder auch verschiedener Zellstapel untereinander elektrisch leitend miteinander verbinden, an die Nachbarzelle übertragen werden, was wiederum ein thermisches Durchgehen der Nachbarzelle begünstigen kann. Zwar sind auch Möglichkeiten bekannt, um Batteriezellen über ihre Zellpole an eine Kühlstruktur anzubinden, jedoch gestalten sich solche Anbindungen üblicherweise extrem aufwendig.
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Beispielsweise beschreibt die
EP 2 405 527 B1 einen Akkublock mit einer Vielzahl einzelner Akkuzellen, die als Flachzellen ausgebildet sind, und die jeweils eine positive und eine negative Anschlussfahne aufweisen. Dabei ist die Anschlussfahne einer ersten Akkuzelle mit einer Anschlussfahne einer zweiten Akkuzelle elektrisch leitend verbunden, wobei diese elektrisch leitende Verbindung über einen Distanzhalter erfolgt, der zwischen den beiden Anschlussfahnen angeordnet ist. Dieser ist aus einem elektrisch isolierenden Material und trägt zur elektrischen Kontaktierung der Anschlussfahnen ein Kontaktblech. Dabei ist der elektrisch isolierende Teil des Distanzhalters als Kühlvorrichtung ausgebildet, die von einem Fluid zur Kühlung durchströmt wird. Zu diesem Zweck weist der Distanzhalter einen Hohlkörper auf. Die Ausgestaltung einer solchen Kühleinrichtung ist bauraumtechnisch sehr aufwendig.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2015 217 790 B4 eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen eines Antriebsenergiespeichers eines Kraftfahrzeugs, wobei Pole von mindestens zwei Batteriezellen über mindestens einen Zellverbinder miteinander verschaltet sind und wobei auf einer der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite des Zellverbinders eine Kühlvorrichtung in thermisch leitender Verbindung und elektrisch isolierender Verbindung zu dem mindestens einen Zellverbinder angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung ist dabei in Art einer Kühlplatte mit integrierten Kühlkanälen ausgestaltet, die auf der Zellverbinderanordnung mehrerer Batteriezellen aufliegt. Dadurch ist eine Art Deckelkühlung für die jeweiligen Zellpole bereitgestellt. Bei einer solchen Deckelkühlung besteht jedoch die Schwierigkeit, dass Fertigungstoleranzen, vor allem in Richtung der Höhe der Batteriezellen, das heißt in Richtung der Kühleinrichtung, nur sehr schwer auszugleichen sind. Entsprechend resultiert auch hieraus eine sehr aufwendige Kühlvorrichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst einfache und effiziente Kühlung mindestens eines Zellpolanschlusses einer Batteriezelle ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist ein Batteriegehäuse mit einem Aufnahmebereich und einem Gehäusebauteil auf, der den Aufnahmebereich bezüglich einer ersten Richtung begrenzt. Weiterhin weist die Batterie mindestens einen Zellstapel mit mindestens einer Batteriezelle auf, wobei der mindestens eine Zellstapel im Aufnahmebereich angeordnet ist, so dass eine erste Seite der mindestens einen Batteriezelle dem Gehäusebauteil zugewandt ist und eine von der ersten verschiedenen zweite Seite der mindestens einen Batteriezelle einen ersten Zellpolanschluss aufweist. Zudem umfasst die Batterie mindestens ein Kühlelement zur Kühlung der mindestens einen Batteriezelle. Dabei ist das mindestens eine Kühlelement als ein passives, insbesondere der mindestens einen Batteriezelle zugeordnetes Kühlelement ausgebildet, das einen ersten Anbindungsbereich aufweist, der mit dem ersten Zellpolanschluss der mindestens einen Batteriezelle gekoppelt ist, und einen zweiten Anbindungsbereich aufweist, der mit dem Gehäusebauteil und/oder einem vom Batteriegehäuse verschiedenen Modulgehäuse zur Bereitstellung einer Wärmesenke gekoppelt ist.
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Unter einem passiven Kühlelement ist insbesondere ein Kühlelement zu verstehen, welches nicht selbst von einem Kühlmedium durchströmt wird und entsprechend auch keine von einem solchen Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanäle aufweisen muss. Ein solches passives Kühlelement überträgt vielmehr die Wärme an eine Wärmesenke. Diese ist insbesondere durch das Gehäusebauteil, wie z.B. ein Gehäuseboden des Batteriegehäuses, bereitgestellt, der zum Beispiel, wie eingangs beschrieben, als Kühlboden ausgebildet sein kann. Durch dieses Kühlelement ist es nun vorteilhafterweise möglich, den mindestens einen Zellpolanschluss, der vorliegend als erster Zellpolanschluss bezeichnet wird, an das Gehäusebauteil anzubinden, und zwar entweder direkt an das Gehäusebauteil oder indirekt über das Modulgehäuse. Dieses ist vorzugsweise ebenfalls thermisch an dieses Gehäusebauteil, z.B. den Gehäuseboden und/oder Gehäusedeckel angebunden, zum Beispiel über einen Thermoklebstoff oder eine Wärmeleitmasse oder ähnliches. Sind die Zellpolanschlüsse seitlich angeordnet, so kann das Kühlelement auch so ausgeführt sein, dass der thermische Pfad sowohl zu einem Gehäuseboden als auch zu einem Gehäusedeckel als Wärmesenke führt. In diesem Fall ist es zudem besonders vorteilhaft, wenn z.B. der Gehäusedeckel und/oder der Gehäuseboden als aktive Kühleinrichtungen ausgebildet sind und von einem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind.
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Durch die Ausbildung als passives und der mindestens einen Batteriezelle zugeordnetes Kühlelement kann sowohl eine bauraumeffiziente und platzsparende als auch effektive Kühlung für die Batteriezelle bereitgestellt werden. Dabei kann zum Beispiel auch, wenn die Batterie mehrere Batteriezellen umfasst, für eine jeweilige Batteriezelle, insbesondere für jeden Zellpolanschluss, ein solches Kühlelement bereitgestellt sein. Hierdurch vereinfacht sich auch der Toleranzausgleich, da das Kühlelement dann keine starre Verbindung zwischen zwei Batteriezellen bewirkt. Auch ist ein Toleranzausgleich bei der Anbindung des Kühlelements an das Modulgehäuse oder das Gehäusebauteil, welches dem Zellpolanschluss nicht direkt gegenüberliegt, deutlich einfacher zu realisieren als beispielsweise durch Anbindung an eine direkt gegenüberliegende Gehäusewand, da keine genaue Anpassung an den Abstand zwischen dem Zellpolanschluss und der direkt gegenüberliegenden Gehäusewand erfolgen muss. Vor allem, wenn das Kühlelement an das Modulgehäuse selbst angebunden ist, lässt sich ein solches Kühlelement unabhängig von einer Absoluthöhe oder Breite der Batteriezelle, zum Beispiel in der ersten Richtung, ausgestalten. Die erste Richtung korrespondiert vorzugsweise zu einer Fahrzeughochrichtung, wenn die Batterie bestimmungsgemäß in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Damit lässt sich das Kühlelement für jede Batteriezelle beispielsweise als Gleichteil fertigen, was deutlich kostengünstiger ist. Weiterhin kann durch die Ausgestaltung als passives Kühlelement die Sicherheit im Zusammenhang mit der Batterie erhöht werden, da somit das Kühlfluid, welches vorzugsweise den Gehäuseboden durchströmt, sicher aus dem Aufnahmebereich des Batteriegehäuses ferngehalten werden kann bzw. kein Element durchströmt, welches nur über eine Isolierung getrennt an den Zellpolanschlüssen bzw. Zellverbindern angeordnet ist. Würde zur Zellpolanschlusskühlung ein aktives Kühlelement, welches von einem Kühlfluid durchströmt wird, verwendet werden, so könnte ein Leck in einer solchen Kühleinrichtung sicherheitskritisch sein, da dann das austretende, in der Regel elektrisch leitfähige Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, in direkten Kontakt mit den Zellpolen kommen könnte und entsprechend einen Kurzschluss verursachen könnte. Insgesamt kann so durch die Erfindung eine Kühlung für die Batterie bereitgestellt werden, die eine Anbindung von Zellpolen an eine Kühlstruktur auf besonders einfache, effiziente und auch sichere Weise ermöglicht.
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Das Modulgehäuse kann ein der Batteriezelle zugeordnetes Batteriezellgehäuse darstellen, wobei jede vom Zellstapel umfasste Batteriezelle dann ein eigenes solches Zellgehäuse aufweist. Vorzugsweise stellt das Modulgehäuse jedoch ein dem Zellstapel zugeordnetes Gehäuse dar, in welchem die mindestens eine Batteriezelle und insbesondere alle vom Zellstapel umfassten Batteriezellen angeordnet sind, also in welchem der gesamte Zellstapel angeordnet ist. Der Zellstapel kann also Teil eines Batteriemoduls sein, welches das Modulgehäuse als ein eigenes Modulgehäuse aufweist. Mit anderen Worten kann der Zellstapel in dem Modulgehäuse angeordnet sein und das Modulgehäuse wiederum im Batteriegehäuse. Die Anbindung der mindestens einen Batteriezelle an den Gehäuseboden kann dann zudem über eine thermische Anbindung des Zellbodens an den Modulgehäuseboden erfolgen, der wiederum an dem Gehäuseboden angeordnet ist, zum Beispiel über eine Wärmeleitmasse, einen Wärmeleitkleber oder ein Wärmeleitpad oder ähnliches. Das Modulgehäuse muss aber nicht notwendigerweise über einen Modulboden verfügen, sondern kann beispielsweise auch als Spannrahmen, Spannband oder ähnliches ausgebildet sein. Die Batterie für das Kraftfahrzeug ist dabei vorzugsweise als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet. Diese kann nicht nur einen Zellstapel mit nur einer Batteriezelle umfassen, sondern grundsätzlich vielzählige Batteriezellen. Diese können in mehrere Zellstapel gruppiert sein. Mit anderen Worten kann die Batterie mehrere Zellstapel mit jeweils mehreren Batteriezellen umfassen. Bevorzugt findet die Erfindung Anwendung bei als prismatischen Batteriezellen ausgebildeten Batteriezellen. Nichts desto weniger lässt sich die Erfindung aber auch in gleicher Weise für Rundzellen oder Pouchzellen als die mindestens eine Batteriezelle verwenden. Weiterhin kann die mindestens eine Batteriezelle zum Beispiel als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Durch den Zellstapel kann zum Beispiel ein Batteriemodul bereitgestellt sein. Zur Aufnahme mehrerer Zellstapel kann das Batteriegehäuse auch mehrere Aufnahmebereiche umfassen. Dabei können die einzelnen Zellstapel zum Beispiel auch nebeneinander ohne räumliche Trennung im Batteriegehäuse angeordnet sein. Alternativ können die jeweiligen Aufnahmebereiche auch durch einzelne Fächer im Batteriegehäuse bereitgestellt sein, so dass die Aufnahmebereiche zum Beispiel durch Seitenwände oder Trennwände des Batteriegehäuses voneinander separiert sind. Diese Seiten- und/oder Trennwände sollen dann als Teil des Batteriegehäuses und nicht des Modulgehäuses verstanden werden. Unter einem Modulgehäuse, in welchem der Zellstapel aufgenommen sein kann, soll vielmehr ein Gebilde verstanden werden, das z.B. eine den Zellstapel umlaufende Spanneinrichtung aufweist und direkt an den Zellwänden des Zellstapels anliegt. Ist das Kühlelement zudem direkt mit dem Gehäuseboden gekoppelt, so ist das Vorhandensein eines solchen Modulgehäuses nicht zwingend erforderlich. Der Zellstapel kann in diesem Fall auch direkt im Batteriegehäuse bzw. in einem von diesem bereitgestellten Fach angeordnet sein.
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Zudem weist die mindestens eine Batteriezelle neben dem ersten Zellpolanschluss auch einen weiteren zweiten Zellpolanschluss auf. Einer der beiden Zellpolanschlüsse ist entsprechend als Pluspol und der andere als Minuspol ausgebildet. Dabei müssen die beiden Zellpolanschlüsse nicht notwendigerweise beide auf der zweiten Seite der Batteriezelle angeordnet sein, was jedoch dennoch möglich ist. Beispielsweise kann der erste Zellpolanschluss auf einer der ersten Seite der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Die erste Seite der Batteriezelle kann zum Beispiel als eine Unterseite der Batteriezelle definiert sein, insbesondere in Bezug auf die erste Richtung. Mit anderen Worten ist die Unterseite der Batteriezelle dem Gehäuseboden des Batteriegehäuses zugewandt. Der erste Zellpolanschluss kann entsprechend auf einer gegenüberliegenden Oberseite der Batteriezelle angeordnet sein. In diesem Fall ist es auch bevorzugt, dass auch der zweite Zellpolanschluss auf dieser Oberseite der Batteriezelle angeordnet ist. Weiterhin können die beiden Zellpolanschlüsse in einem Randbereich der Oberseite der Batteriezelle in Bezug auf eine zweite zur ersten senkrechten Richtung angeordnet sein. Diese zweite Richtung ist vorzugsweise auch senkrecht zu einer dritten Richtung, die zum Beispiel zu einer Stapelrichtung korrespondiert, in welcher mehrere vom Zellstapel umfasste Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind. Denkbar ist es jedoch auch, dass die Zellpolanschlüsse nicht an der Oberseite einer solchen Batteriezelle angeordnet sind, sondern an einer von der Ober- und Unterseite verschiedenen Seite. Beispielsweise kann sich die zweite Seite der Batteriezelle unmittelbar an die Unterseite der Batteriezelle in Bezug auf die oben definierte zweite Richtung anschließen. In diesem Fall ist es auch denkbar, dass die beiden Zellpolanschlüsse auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, und entsprechend ein zweiter Zellpolanschluss zum Beispiel an einer dritten Seite der Batteriezelle, die der zweiten Seite der Batteriezelle gegenüberliegt. Vorzugsweise sind die Zellpolanschlüsse dabei nicht auf einer Seite der Batteriezelle angeordnet, deren Flächennormale zumindest zum Großteil parallel zur oben definierten dritten Richtung verläuft, das heißt, die nicht einer benachbarten Batteriezelle des gleichen Zellstapels zugewandt ist.
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Grundsätzlich kann das Kühlelement aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt sein, zum Beispiel aus Metall, Kunststoff oder einen Verbundwerkstoff. Besonders vorteilhaft ist es vor allem, wenn das Kühlelement aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist und über ein elektrisch isolierendes Isolationselement mit dem ersten Zellpolanschluss gekoppelt ist. Unter einem metallischen Werkstoff kann dabei auch eine Legierung verstanden werden. Metallische Werkstoffe haben dabei den großen Vorteil, dass sie in der Regel eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, die insbesondere viel größer ist als die typischer Kunststoffe. Dadurch kann eine deutlich effizientere Wärmeabfuhr über das Kühlelement zur Wärmesenke bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Kühlelement aus Aluminium und/oder Stahl gebildet sein. Aluminium ist besonders leicht und weist eine sehr gute thermische Leitfähigkeit auf. Um eine elektrische Isolierung zumindest an den ersten Zellpolanschluss zu gewährleisten, kann die Anbindung des Kühlelements an den Zellpolanschluss entsprechend vorteilhafterweise über ein elektrisch isolierendes Isolationselement erfolgen. Auch dieses kann wiederum verschiedene Ausprägungen annehmen, und zum Beispiel als Kunststoffplättchen, Keramikplättchen, Wärmeleitpad aus einem Elastomer oder ähnliches bereitgestellt sein. Besonders vorteilhaft und daher bevorzugt ist die Ausbildung als Klebstoff. Dadurch kann vorteilhafterweise gleichzeitig auch eine Befestigung des Kühlelements bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie einen mit dem ersten Zellpolanschluss elektrisch leitend verbundenen Zellverbinder auf, wobei das Isolationselement zwischen dem Zellverbinder und dem ersten Anbindungsbereich des Kühlelements angeordnet ist. Ein solcher Zellverbinder kann zum Beispiel als eine Art Stromschiene bereitgestellt sein. Über einen solchen Zellverbinder kann der erste Zellpolanschluss mit einem weiteren Zellpolanschluss einer weiteren Batteriezelle elektrisch leitend verbunden sein. Ein solcher Zellverbinder kann zum Beispiel in Form einer dünnen Schiene bereitgestellt sein, die zweite Zellpolanschlüsse zweiter benachbart angeordneter Batteriezellen miteinander verbindet, wobei ein solcher Zellverbinder zudem auch Toleranzausgleichselemente umfassen kann. Ein solches Toleranzausgleichselement kann zum Beispiel in Form eines gewählten Abschnitts einer solchen dünnen Schiene bereitgestellt sein. Der Bereich eines solchen Zellverbinders, der direkt am Zellpolanschluss angeordnet ist, ist vorzugsweise auf der dem Zellpolanschluss abgewandten Seite eben ausgebildet. Dadurch lässt sich das Kühlelement über das Isolationselement besonders einfach an diesem Zellverbinder anordnen. Der erste Anbindungsbereich des Kühlelements kann dabei in Bezug auf eine bestimmte Richtung direkt oberhalb eines Zellpolanschlusses angeordnet sein, wobei z.B. für jeden Zellpolanschluss ein jeweiliges Kühlelement vorgesehen ist. Liegt die zweite Seite der ersten Seite der Batteriezelle gegenüber, d.h. sind die Zellpole an der Oberseite der Batteriezelle angeordnet, so korrespondiert die bestimmte Richtung zur ersten Richtung, und falls nicht, d.h. sind die Zellpole seitlich angeordnet, so korrespondiert die bestimmte Richtung zur zweiten Richtung. Der erste Anbindungsbereich kann aber auch bezüglich der bestimmten Richtung direkt oberhalb eines Zwischenbereichs zwischen zwei Zellpolanschlüssen benachbarter Batteriezellen auf den diese zwei Zellpolanschlüsse verbindenden Zellverbinder über das Isolationselement isoliert angeordnet sein. Auch hier kann dann pro Zwischenbereich ein Kühlelement vorgesehen sein. Der erste Anbindungsbereich kann aber auch einen oder mehrere Zellpolschlüsse und/oder einen oder mehrere Zwischenbereiche überdeckend angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist es vor allem, wenn der erste Anbindungsbereich des Kühlelements als flächige, sich in der dritten Richtung erstreckende Platte ausgestaltet ist, die alle Zellpolanschlüsse und Zwischenbereiche der jeweiligen zweiten Seiten der Batteriezellen zumindest eines gleichen Zellstapels in dieser dritten Richtung überdeckt. Die Platte ist über mindestens ein Isolationselement, vorzugsweise über mehrere Isolationselemente, an die Zellpole bzw. die darauf angeordneten Zellverbinder thermisch angeschlossen. Sehr vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn z.B. pro Zellverbinder mindestens ein oder genau ein solches Isolationselement vorgesehen ist. Ein jeweiliges Isolationselement kann dabei in Bezug auf die bestimmte Richtung direkt oberhalb eines jeweiligen Zellpolanschlusses angeordnet sein, wobei z.B. für jeden Zellpolanschluss ein jeweiliges Isolationselement vorgesehen sein kann. Es kann aber auch nur ein Isolationselement pro Zellverbinder vorgesehen sein. Dieses kann dann in Bezug auf die dritte Richtung an beliebiger Position auf dem Zellverbinder angeordnet sein, z.B. sich über den gesamten Zellverbinder in der dritten Richtung erstrecken oder mittig angeordnet sein, d.h. in Bezug auf die bestimmte Richtung direkt oberhalb des Zwischenbereichs, oder direkt oberhalb eines der mehreren vom Zellverbinder elektrisch verbundenen Pole.
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Die Kopplung des Kühlelements mit dem Zellverbinder, zum Beispiel über eine das Isolationselement bereitstellende Klebeschicht ist besonders vorteilhaft, da so nicht nur eine Kühlung des betreffenden Zellpolanschlusses der Batteriezelle selbst bereitgestellt werden kann, sondern vor allem im Falle eines thermischen Events eine Kühlung der Zellverbinder selbst bereitgestellt werden kann, wodurch ein thermisches Übergreifen eines solchen thermischen Events von einer Zelle auf die nächste verhindert oder zumindest hinausgezögert werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist, wie bereits erwähnt, das Isolationselement als eine Klebeschicht aus einem Klebstoff ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise ein thermisch gut leitfähiger Klebstoff verwendet. Zudem ist die Klebeschicht vorzugsweise möglichst dünn ausgestaltet, insbesondere mit einer Schichtdicke in eine Richtung, die vom Zellpolanschluss zum Kühlelement weist von weniger als 1 mm, zum Beispiel 0,6 mm. Dadurch kann bereits eine ausreichende elektrische Isolierung bereitgestellt werden und zudem der thermische Widerstand zwischen dem Zellpolanschluss, insbesondere dem Zellverbinder und dem Kühlelement minimiert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlelement eine gekrümmte und/oder gewinkelte Schiene auf oder ist als eine solche ausgebildet. Dabei kann das Kühlelement beispielsweise nur einfach gewinkelt oder auch mehrfach gewinkelt ausgestaltet sein beziehungsweise eine einfach gewinkelte oder auch mehrfach gewinkelte Schiene umfassen. Dies ist vor allem besonders vorteilhaft, wenn die Zellpolabgriffe der Batteriezelle wie oben beschrieben an einer Oberseite der Batteriezelle angeordnet sind. Ist der erste Zellpolabgriff beispielsweise nicht an der Oberseite angeordnet, so kann das Kühlelement beispielsweise auch einfach als nicht gewinkelte, ebene Schiene ausgebildet sein. Diese kann mit dem nicht am Zellpolanschluss angeordneten Ende bis zum Gehäuseboden und/oder Gehäusedeckel als das als Wärmesenke fungierende Gehäusebauteil geführt sein oder nur ein Stück weit in Richtung Gehäuseboden verlaufen und ans Modulgehäuse angebunden sein.
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Um ebenfalls einen guten Toleranzausgleich zu ermöglichen, kann diese Schiene zudem relativ dünn ausgebildet sein, zum Beispiel mit einer Dicke kleiner als 1 cm, vorzugsweise kleiner als 0,5 cm. Zum Beispiel kann diese eine Dicke im Bereich von wenigen Millimetern aufweisen. Da die Schiene beziehungsweise das Kühlelement im Allgemeinen durch einen metallischen Werkstoff bereitgestellt ist, kann hierdurch dennoch eine sehr gute Wärmeabfuhr erreicht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlelement im zweiten Anbindungsbereich direkt kontaktierend am Modulgehäuse und/oder am Gehäusebauteil angeordnet, insbesondere angeschweißt, angeschraubt oder angeklebt. Ist das Kühlelement dabei aus einem metallischen Werkstoff und am Modulgehäuse angebunden, so kann optional auch wiederum eine elektrische Isolierung zwischen dem Kühlelement und dem Modulgehäuse an der entsprechenden zweiten Anbindungsstelle vorgesehen sein. Diese elektrische Isolierung kann wiederum in Form eines elektrisch isolierenden Klebstoffs bereitgestellt sein, der wiederum vorzugsweise gut thermisch leitend ausgebildet ist. Auch dieser kann wiederum in Form einer sehr dünnen Klebstoffschicht bereitgestellt sein, die eine Schichtdicke von vorzugsweise weniger als 1 mm aufweist. Das Kühlelement kann am Modulgehäuse aber auch angeschraubt oder angeschweißt sein. Gleiches gilt auch für die Anbindung des Kühlelements am Gehäusebauteil, zum Beispiel am Gehäuseboden und/oder am Gehäusedeckel. Bis auf eine optionale elektrisch isolierende Schicht und/oder eine Schicht aus einer Wärmeleitmasse befindet sich vorzugsweise also auch kein weiteres Element zwischen dem Modulgehäuse beziehungsweise dem Gehäusebauteil und dem Kühlelement.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie einen in der ersten Richtung verlaufenden, mit einem Ende am Gehäusebauteil angeordneten Verbindungsabschnitt auf, der in einer zweiten Richtung neben dem Zellstapel angeordnet ist und der das Kühlelement mit dem Gehäusebauteil verbindet. Dieser Verbindungsabschnitt kann ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Insbesondere kann dieser Verbindungsabschnitt sogar einstückig mit dem Kühlelement gefertigt sein. Mit anderen Worten können das Kühlelement und der Verbindungsabschnitt unterschiedliche Abschnitte eines gleichen, einstückig ausgebildeten Bauteils darstellen. Es kann sich dabei aber auch um zwei separat bereitgestellte und miteinander verbundene Bauteile handeln. Beispielsweise kann der Verbindungsabschnitt auch durch eine am Gehäusebauteil, angeordnete Seitenwand oder Trennwand darstellen, die den Aufnahmebereich bezüglich einer zweiten Richtung oder einer dritten Richtung begrenzt. Derartige Seitenwände beziehungsweise Trennwände, die zum Beispiel die als Fächer ausgebildeten Aufnahmebereich für verschiedene Zellstapel voneinander räumlich separieren, können ebenfalls am Kühlboden, das heißt am Gehäuseboden, angebunden sein beziehungsweise an diesem direkt angeordnet sein. Diese sind vorzugsweise ebenfalls aus metallischem Material beziehungsweise Werkstoff gebildet und weisen daher ebenfalls eine sehr gute thermische Leitfähigkeit auf. Somit kann das Kühlelement einfach auch an eine solche Seitenwand angebunden werden, zum Beispiel an diese angeschweißt oder angeschraubt werden. Somit können vorteilhafterweise auch bestehende Bauteile genutzt werden.
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Der Verbindungsabschnitt kann aber auch als separates Bauteil bereitgestellt sein und zum Beispiel zusätzlich zu den beschriebenen Seiten- und/oder Trennwänden bereitgestellt sein. Weiterhin kann es sich bei diesem Verbindungsabschnitt um einen der betreffenden Batteriezelle zugeordneten Verbindungsabschnitt handeln. Mit anderen Worten kann einer jeweiligen Batteriezelle mindestens ein solcher Verbindungsabschnitt zugeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass ein solcher Verbindungsabschnitt von mehreren Batteriezellen, zum Beispiel aller Batteriezellen eines gleichen Zellmoduls, gemeinsam genutzt wird, um daran die jeweiligen den einzelnen Batteriezellen zugeordneten Kühlelemente anzubinden. Im ersten Fall kann der Verbindungsabschnitt ähnlich wie das Kühlelement ebenfalls als Schiene oder Steg oder Platte ausgebildet sein, im letzten Fall zum Beispiel als sich in eine dritte Richtung erstreckende Platte oder ähnliches.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Zellstapel mehrere in einer dritten Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen umfassend die mindestens eine Batteriezelle auf, wobei die Batterie für jede der Batteriezellen mindestens ein Kühlelement, vorzugsweise zwei Kühlelemente aufweist, über welches der mindestens eine erste Zellpolanschluss der jeweiligen Batteriezelle mit dem Modulgehäuse und/oder dem Gehäuseboden gekoppelt ist. Vorzugsweise sind beide Zellpolanschlüsse einer jeweiligen Batteriezelle über jeweils ein solches Kühlelement mit dem Modulgehäuse dieser betreffenden Batteriezelle und/oder dem Gehäusebauteil gekoppelt. Die Kopplung mit dem Gehäusebauteil kann zum Beispiel auch über einen gemeinsamen, oben beschriebenen Verbindungsabschnitt erfolgen. Es kann aber auch pro Kühlelement ein eigener Verbindungsabschnitt vorgesehen sein. Die zumindest bereichsweise Entkopplung der Kühlelemente voneinander, zum Beispiel zumindest im Bereich ihrer ersten Anbindungsbereiche, ermöglicht einen deutlich flexibleren Toleranzausgleich und eine flexiblere Entkopplung der Zellen untereinander. Die Breite eines Kühlelements in der dritten Richtung ist also vorzugsweise maximal so groß wie eine Breite der dem Kühlelement zugeordneten Batteriezelle in der dritten Richtung. Dadurch kann eine effiziente Kühlung mehrerer Zellen eines Zellstapel gleichzeitig bereitgestellt sein. Für mehrere Zellstapel, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen können, gilt Gleiches. Das heißt, für jeden Zellstapel der Batterie kann eine Zellpolkühlung bereitgestellt werden, wie diese am Beispiel des vorliegenden Zellstapels beschrieben wurde. Dabei können auch alle Batteriezellen, sowie auch alle Kühlelemente jeweils wie zur mindestens einen Batteriezelle und zum zumindest einen Kühlelement beschrieben ausgebildet sein, und insbesondere können auch alle Batteriezellen gleichartig ausgebildet, sowie auch alle Kühlelemente.
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Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn das Gehäusebauteil als Kühlwand oder als Kühldeckel oder als Kühlboden ausgebildet ist und mindestens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist. Die Batteriezellen können darüber hinaus mit ihren ersten Seiten zusätzlich am Gehäusebauteil angeordnet sein. Dadurch kann beispielsweise gleichzeitig eine Kühlung der Batteriezellen über deren erste Seiten bereitgestellt werden. Mit anderen Worten können die Batteriezellen wie bereits beschrieben mit ihren jeweiligen ersten Seiten thermisch an diese Kühlwand, zum Beispiel einen Kühlboden, angebunden sein. Somit ist es nun möglich, eine jeweilige Batteriezelle unterseitig zu kühlen, sowie gleichzeitig auch oberseitig über ihre Zellpolanschlüsse. Daraus resultiert vorteilhafterweise eine besonders gleichmäßige und homogene Kühlung über die gesamte Batteriezelle hinweg. Sind die Zellpolanschlüsse seitlich angeordnet, ist es bevorzugt, dass sowohl der Gehäuseboden als Kühlboden und der Gehäusedeckel als Kühldeckel ausgebildet ist, die Zellpole jeweils über das Kühlelement sowohl am Kühlboden als auch am Kühldeckel angebunden sind und optional zusätzlich die Zellen mit ihren ersten Seiten am Kühlboden und den ihren erste Seiten gegenüberliegenden Seiten z.B. zusätzlich nochmal an den Kühldeckel angebunden sind. Hotspots innerhalb der Zelle können so effizient vermieden werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterie und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Zellstapel, von dem exemplarisch nur eine Batteriezelle dargestellt ist, und einer thermischen Anbindung eines Zellpolanschlusses über ein Kühlelement an ein Modulgehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Zellstapel, von dem exemplarisch nur eine Batteriezelle dargestellt ist, und einer thermischen Anbindung des Zellpolanschlusses der Batteriezelle über ein Kühlelement an einen Gehäuseboden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Zellstapel, von dem exemplarisch nur eine Batteriezelle mit seitlichen Zellpolanschlüssen dargestellt ist, und einer thermischen Anbindung des Zellpolanschlusses der Batteriezelle über ein Kühlelement direkt und indirekt an einen Gehäuseboden und einen Gehäusedeckel gemäß einem weiteren 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 einer Batterie 10 mit einem Zellstapel 12, von welchem exemplarisch nur eine Batteriezelle 14 dargestellt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Zellstapel 12 kann dabei im Allgemeinen mehrere solcher Batteriezellen 14 umfassen, die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sein können, wobei diese Stapelrichtung zur hier dargestellten y-Richtung korrespondiert. Mit anderen Worten können in y-Richtung mehrere solcher Batteriezellen 14 nebeneinander angeordnet sein. Weiterhin umfasst die Batterie 10 ein Batteriegehäuse 16, von welchem hier nur ein Gehäuseboden 18 dargestellt ist. Dieser ist vorzugsweise als Kühlboden ausgebildet und umfasst zum Beispiel einen oder mehrere von einem Kühlmedium, zum Beispiel Wasser durchströmbare Kühlkanäle. Die Batteriezelle 14 ist vorliegend als prismatische Batteriezelle ausgebildet und weist eine erste Seite 14a auf, die in diesem Beispiel eine Unterseite 14a der Batteriezelle 14 darstellt, sowie eine zweite Seite 14b, die in diesem Beispiel eine der Unterseite 14a gegenüberliegende Oberseite darstellt. Zudem weist die Batteriezelle 14 eine die Zelle 14 in x-Richtung begrenzende dritte Seite 14c und vierte Seite 14d auf. Des Weiteren weist die Batteriezelle zwei Zellpolanschlüsse 20a, 20b auf. Einer dieser beiden Zellpolanschlüsse 20a, 20b ist dabei als Pluspol, und der andere als Minuspol ausgestaltet. In diesem Beispiel sind die Zellpolanschlüsse 20a, 20b auf der Oberseite 14b der Batteriezelle 14 angeordnet. Alternativ können diese auch an der dritte Seite 14c und/oder vierten Seite 14d angeordnet sein. Dabei ist es auch denkbar, dass die beiden Zellpolanschlüsse 20a, 20b auf verschiedenen Seiten der Batteriezelle 14 angeordnet sind, zum Beispiel eine auf der dritten Seite 14c und der andere auf der vierten Seite 14d. Auf jeden Fall sind die Zellpolanschlüsse 20a, 20b auf einer von der Unterseite 14a der Batteriezelle 14 verschiedenen Seite angeordnet.
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Zudem umfasst die Batterie 10 ein Modulgehäuse 22, in dem der Zellstapel 12 angeordnet ist. Dieses Modulgehäuse 22 kann aus Metall, zum Beispiel Aluminium, gefertigt sein. Über dieses Modulgehäuse 22, insbesondere dessen Unterseite, ist die Batteriezelle 14 an den als Kühlboden 18 ausgebildeten Gehäuseboden 18 thermisch angebunden. Zu diesem Zweck kann zwischen der Unterseite 14a der Batteriezelle 14 bzw. dem Modulgehäuseboden und dem Kühlboden 18 ein wärmeleitfähiger Kleber oder eine Wärmeleitmasse 24 angeordnet sein. Dies gilt auch für alle übrigen Zellen 14 des Zellstapels 12. Weiterhin ist die Batteriezelle 14 beziehungsweise im Allgemeinen der Zellstapel 12 in einem Aufnahmebereich 26 des Batteriegehäuses 16 angeordnet. Dieser Aufnahmebereich 26 wird entsprechend bezüglich der z-Richtung nach unten durch den Gehäuseboden 18 begrenzt. Seitlich, das heißt zum Beispiel in x- und/oder y-Richtung, kann der Aufnahmebereich 26 für ein jeweiliges Batteriemodul beziehungsweise einen jeweiligen Zellstapel 12 auch durch hier nicht näher dargestellte Seitenwände und/oder Trennwände begrenzt sein.
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Bei herkömmlichen Batterien ist die Kühlung solcher Batteriezellen normalerweise auf eine Kühlung von unten, zum Beispiel durch den beschriebenen Kühlboden, beschränkt. Entsprechend gibt es keine thermische Anbindung der Zellterminals an eine Kühlstruktur. Somit stellt sich eine ungleiche Temperaturverteilung über die Zelle ein, vor allem in z-Richtung. Zudem kann im Falle eines thermischen Durchgehens viel thermische Energie über Zellverbinder, die benachbarte Zellen elektrisch miteinander kontaktieren, an die Nachbarzelle übertragen werden, da ein solcher Zellverbinder üblicherweise nicht mit einer Wärmesenke gekoppelt ist, beziehungsweise nur indirekt über die Zelle selbst, was wiederum ein thermisches Durchgehen der Nachbarzelle begünstigen kann. Der Wärmeeintrag an ein Terminal und somit die ungleiche Temperaturverteilung über die Zelle beschränkt die Lade- und Entladeströme. Zudem kann ohne thermische Anbindung der Terminals die über die Zellverbinder übertragbare Wärmeenergie im Falle eines thermischen Durchgehens die Nachbarzelle anstecken oder dies zumindest begünstigen.
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Die Erfindung ermöglicht nun vorteilhafterweise eine thermische Anbindung der Zellterminals, das heißt der Zellpolanschlüsse 20a, 20b, an das Modulgehäuse 22 beziehungsweise das Batteriegehäuse 16, welches wiederum thermisch an die Wärmesenke angebunden ist, die insbesondere durch den Kühlboden 18 bereitgestellt ist.
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Diese thermische Anbindung erfolgt dabei über ein Kühlelement 28. 1 zeigt dabei ein Beispiel, gemäß welchem über dieses Kühlelement 28 einer der Zellpolanschlüsse 20a an das Modulgehäuse 22 angebunden ist. Das Modulgehäuse 22 ist wiederum thermisch mit dem Kühlboden 18 gekoppelt. Dabei weist das Kühlelement 28, das vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, einen ersten Anbindungsbereich 28a auf, der mit einem ersten Zellpolanschluss 20a gekoppelt ist, und einen zweiten Anbindungsbereich 28b, der mit dem Modulgehäuse 22 gekoppelt ist. Die Kopplung des ersten Anbindungsbereichs 28a erfolgt dabei insbesondere nicht durch eine direkte Verbindung des Kühlelements 28 mit dem Zellpolanschluss 20a, sondern stattdessen über eine elektrisch isolierende Anbindung, die in Form eines Isolationselements 30 bereitgestellt ist, an einen Zellverbinder 32. Dieser Zellverbinder 32 kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein und den Zellpolanschluss 20a mit dem Zellpolanschluss einer Nachbarzelle innerhalb des gleichen Zellstapels 12 elektrisch leitend verbinden. Der Zellverbinder 32 kann zum Beispiel als eine Art dünne Stromschiene ausgestaltet sein. Im Kopplungsbereich zum Koppeln mit dem Kühlelement 28 ist der Zellverbinder 32 auf der dem Kühlelement 28 zugewandten Seite vorzugsweise flach ausgestaltet. Dies erleichtert die Anbindung an das Kühlelement 28. Das Isolationselement 30 ist zudem bevorzugt als dünne Klebeschicht ausgestaltet. Diese kann eine Schichtdicke in z-Richtung von zum Beispiel weniger als 1 mm, zum Beispiel 0,6 mm, aufweisen. Weiterhin ist in diesem Beispiel das Kühlelement 28 als eine gewinkelte Schiene ausgestaltet. Ist beispielsweise der erste Zellpolanschluss 20a nicht auf der Oberseite 14b der Zelle 14 wie in 1 dargestellt angeordnet, sondern zum Beispiel stattdessen auf der vierten Seite 14d, so kann stattdessen das Kühlelement 28 auch als gerade verlaufende Schiene ausgebildet sein, das heißt ohne Winkel, insbesondere 90 Grad-Winkel, wie in diesem Beispiel. Die Anbindung des Kühlelements 28, insbesondere im zweiten Anbindungsbereich 28b, an das Modulgehäuse 22 kann ebenfalls über eine Klebeschicht 33, die wiederum optional elektrisch isolierend ausgebildet sein kann, erfolgen, oder aber auch durch eine direkte Verbindung zwischen dem Kühlelement 28 und dem Modulgehäuse 22, zum Beispiel durch Verschweißen und/oder Schrauben oder ähnliches. Dabei kann zudem für jede Zelle 14 des Zellstapels 12 ein eigenes separates solches Kühlelement 28 bereitgestellt sein. Insbesondere können pro Zelle 14 zwei solcher Kühlelemente 28 bereitgestellt sein, eines für jeden Zellpolanschluss 20a, 20b. Mit anderen Worten kann auch der zweite Zellpolanschluss 20b analog wie zum ersten Zellpolanschluss 20a beschrieben an das Modulgehäuse 22 und/oder den Kühlboden 18 über ein solches Kühlelement 28 angebunden sein.
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Durch die Ausführung als gewinkelte Schiene 28 wie in 1 dargestellt lässt sich zudem auf besonders einfache Weise ein Toleranzausgleich sowohl in x-als auch in z-Richtung bereitstellen. Diese Toleranzausgleiche sind durch die Pfeile 34 veranschaulicht. Variiert zum Beispiel die Position des Zellpolanschlusses 20a von Zelle zu Zelle in Bezug auf die x-Richtung, so spielt dies bei dieser Ausführung des Kühlelements 28 keine Rolle. Dieses würde dann entsprechend einfach mehr oder weniger entgegen der dargestellten x-Richtung über den entsprechenden Zellverbinder 32 hinausstehen. Auch unabhängig von der Ausbildung der Höhe der Zelle 14 in z-Richtung kann ein solches passives Kühlelement 28 immer optimal positioniert und an das Modulgehäuse 22 angebunden werden. Die Anbindungsstelle kann dann entsprechend einfach etwas weiter nach oben oder unten versetzt sein. Mit anderen Worten kann das passive Kühlelement 28 einfach für jede Zelle 14 als Gleichteil ausgebildet sein und muss zellspezifische Toleranzen bei der Ausbildung nicht berücksichtigen. Weiterhin ist das Kühlelement 28 vorzugsweise massiv ausgebildet, was wiederum der thermischen Leitfähigkeit zuträglich ist.
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Die Anbindung der Zellpolanschlüsse 20a über das Kühlelement 28 muss dabei nicht notwendigerweise über das Modulgehäuse 22 führen, sondern kann auch direkt über den Kühlboden 18 realisiert sein, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
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2 veranschaulicht dabei anhand eines weiteren Beispiels der Erfindung wiederum eine Batterie 10, die insbesondere wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein kann, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. In diesem Beispiel ist ein zusätzlicher Verbindungsabschnitt 36 vorgesehen, der das Kühlelement 28 mit dem Kühlboden 18 verbindet und sich im Wesentlichen parallel zur z-Richtung erstreckt. Das Kühlelement 28 ist also nicht direkt an das Modulgehäuse 22 angebunden. Dieser Verbindungsabschnitt 36 kann dabei selbst einen Teil des Kühlelements 28 darstellen. Mit anderen Worten können dieser Verbindungsabschnitt 36 und das restliche Kühlelement 28 einstückig, zum Beispiel ebenfalls in Form einer gewinkelten Schiene, ausgebildet sein. Der Verbindungsabschnitt 36 kann aber auch als separates Bauteil bereitgestellt sein. Das Kühlelement 28 kann sich in diesem Fall auch nur auf den horizontalen Abschnitt 38 beschränken. Mit anderen Worten kann der gesamte, vertikal dargestellte Abschnitt den Verbindungsabschnitt 36 darstellen, oder nur einen Teil davon. Dieser Verbindungsabschnitt 36 kann zum Beispiel auch durch eine Trennwand oder Seitenwand des Batteriegehäuses 16 bereitgestellt sein, welche mehrere Aufnahmebereiche 26 jeweiliger Zellstapel 12 voneinander separiert.
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Auch kann für die jeweiligen Kühlelemente 28 der jeweiligen Batteriezellen 14 ein gemeinsam als solcher Verbindungsabschnitt 36 genutzt werden, über welchen die jeweiligen Kühlelemente 28 an den Kühlboden 18 angebunden sind. Damit gibt es vielzählige Ausgestaltungsmöglichkeiten, die eine ideale Situationsanpassung erlauben. Auch hier kann die Anbindung des zweiten Zellpolanschlusses 20b ganz analog wie für den ersten Zellpolanschluss 20a gezeigt erfolgen. Wird also beispielsweise auch dieses Verbindungselement beziehungsweise der Verbindungsabschnitt 36 als Teil des Kühlelements 28 aufgefasst, so ist der zweite Anbindungsbereich 28b durch die dem Gehäuseboden 18 zugewandte Stirnseite dieses Verbindungsabschnitts 36 bereitgestellt, und andernfalls durch den Abschnitt, der vorliegend mit 28b' bezeichnet ist, des Kühlelements 28, der direkt an diesen Verbindungsabschnitt 36 kontaktierend angrenzt.
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Auch durch diese Ausführungsform lässt sich eine besonders gute thermische Anbindung der Zellpolanschlüsse 20a, 20b an den Gehäuseboden bereitstellen. Auch hier kann wiederum ein sehr einfacher Toleranzausgleich 34 sowohl in x- als auch in z-Richtung bereitgestellt werden. Der Toleranzausgleich in z-Richtung kann unterstützend noch durch das Einbringen eines Wärmeleitelements 40, zum Beispiel in Form einer Wärmeleitmasse oder eines Klebstoffs zwischen dem Verbindungsabschnitt 36 und dem Kühlboden 18 erfolgen beziehungsweise unterstützt werden und vereinfacht werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 kann wiederum bis auf die nachfolgend erläuterte Unterschiede wie zuvor ausgebildet sein. Auch in diesem Beispiel umfasst die Batterie 10 einen Zellstapel 12, von welchem exemplarisch nur eine Batteriezelle 14 dargestellt ist. Der Zellstapel 12 wieder mehrere Batteriezellen 14 umfassen, die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sein können, wobei diese Stapelrichtung zur hier dargestellten y-Richtung korrespondiert. Weiterhin umfasst die Batterie 10 ein Batteriegehäuse 16, von welchem hier zusätzlich zum Gehäuseboden 18 ein Gehäusedeckel 18' dargestellt ist. Sowohl der Gehäuseboden 18 hier in diesem Beispiel Kühlboden 18 ausgebildet und auch der Deckel 18` ist als Kühldeckel 18' ausgebildet, und umfasst zum Beispiel ebenfalls einen oder mehrere von einem Kühlmedium, zum Beispiel Wasser durchströmbare Kühlkanäle. Die Batteriezelle 14 ist vorliegend als prismatische Batteriezelle ausgebildet und weist eine erste Seite 14a auf, die in diesem Beispiel eine Unterseite 14a der Batteriezelle 14 darstellt. Die Oberseite der Batteriezelle ist in diesem Beispiel mit 14a` bezeichnet, da auch sie einer Gehäusebauteil, nämlich dem Deckel 18` zugewandt ist, der als aktive Kühlung ausgeführt ist und da sich in diesem Beispiel nun an dieser Oberseite 14a' ebenfalls keine Zellpole 20a, 20b befinden. Diese sind in diesem Beispiel seitlich angeordnet, d.h. an einer dritten Seite 14c und einer vierten Seite 14d, die einander gegenüberliegen. Beide Zellpole 20a, 20b sind über ein jeweiliges Kühlelement 28 an die Boden- und Deckelkühlung angebunden. Zu diesem Zweck ist ein jeweiliger Anbindungsbereich 28a des jeweiligen Kühlelements28 wieder über ein Isolationselement 30 an einem Zellverbinder 32, der direkt kontaktierend an den Zellpolen 20a, 20b angeordnet ist, angeordnet.
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In 3 sind dabei gleichzeitig zwei unterschiedliche Anbindungsmöglichkeiten illustriert, die beliebig miteinander kombiniert werden können. Der rechts dargestellte Zellpolanschluss 20a ist dabei über das Kühlelement einerseits direkt am Kühlboden 18, andererseits direkt am Kühldeckel 18' angebunden. Die Anbindungsbereiche des Kühlelements 28 sind wieder mit 28b bezeichnet. Das Kühlelement 28 weist also zwei zweite Anbindungsbereiche 28b auf, einer ist am Kühlboden 18 angeordnet und einer am Deckel 18`, z.B. über ein hier nicht näher dargestelltes Wärmeleitelement 40 (vgl. 2) wie zu 2 beschrieben. Der in 3 links dargestellte Zellpolanschluss 20b ist über das Kühlelement 28 indirekt an die Bodenkühlung 18 und den Deckel 18` angebunden, nämlich über einen Teil des Modulgehäuses 22, insbesondere eine Seitenwand des Modulgehäuses 22. Das Modulgehäuse 22 kann zum Beispiel in Form eines Rahmens ausgebildet sein, insbesondere so dass sich auf der Unterseite 14a und der Oberseite 14a' der Zelle 14 nicht notwendigerweise eine Modulgehäusewand befinden muss. Das Modulgehäuse 22 ist wiederum sowohl mit dem Kühlboden 18 als auch mit dem Kühldeckel 18` verbunden. Für beide Zellpole 20a, 20b kann dabei auch die gleiche Anbindungsvariante über das Kühlelement 28 umgesetzt sein, wenngleich hier auch nicht explizit dargestellt.
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Das Kühlelement 28 kann in beiden Fällen zum Beispiel in Form einer Platte bereitgestellt sein, die in diesem Beispiel im Wesentlichen parallel zur y-z-Ebene ausgerichtet ist. Dieses Kühlelement 28 kann sich in y-Richtung über den gesamten Zellstapel 12 hinweg erstrecken. Die Isolationselemente 30 können in y-Richtung jedoch segmentiert sein. Beispielsweise kann ein Isolationselement 30 pro Zellverbinder 32 vorgesehen sein und dieses kann zudem an beliebiger Position in y-Richtung auf diesem Zellverbinder 32 angeordnet sein und diesen in y-Richtung nur teilweise oder vollständig überdecken. Es kann auch pro Zellpolanschluss 20a, 20b ein Isolationselement 30 vorgesehen sein, das zum Beispiel bezüglich der y-Richtung dann direkt oberhalb des betreffenden Zellpolanschlusses 20a, 20b angeordnet sein kann.
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In diesem Beispiel kann sowohl der Kühlboden 18 als auch der Kühldeckel 18` zusätzlich auch direkt an die Unterseite 14a bzw. Oberseite 14a' der jeweiligen Zellen 14 angebunden sein. Hierdurch wird eine jeweilige Zelle 14 von vier Seiten gekühlt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine thermische Anbindung der Zellterminals in einer Batterie bereitgestellt werden kann. Dies ermöglicht eine beidseitige Kühlung der Zelle, wodurch höhere Leistungen beim Laden und Entladen möglich sind. Weiterhin erhöht eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Zelle die Zelllebensdauer. Zudem wird eine bessere Temperaturabfuhr beim Durchgehen einer Batteriezelle bereitgestellt und entsprechend ein Beitrag zur Verhinderung eines Thermal Runaways geleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2405527 B1 [0003]
- DE 102015217790 B4 [0004]
