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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines solchen Batteriemoduls.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind. Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
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Insbesondere für leichte elektrisch angetriebene Fahrzeuge, zu Englisch auch als light electric vehicle (LEV) bekannt, sind vergleichbar leichte und bevorzugt skalierbare Batteriesysteme auszubilden. Dabei kann eine Vielzahl an vergleichbar kleinen und üblicherweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen zu dem Batteriemodul bzw. auch zu der Batterie zusammengeschaltet werden.
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Batteriezellen erzeugen während eines Betriebes aufgrund ihres elektrischen Innerwiderstandes bei einem Stromfluss Wärme, welche abzuführen ist, um Schädigungen der Batteriezellen zu verhindern und auch um eine optimale Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen zu können. Lithium-Ionen-Batteriezellen dürfen beispielsweise nur in bestimmten, begrenzten Temperaturfenstern betrieben werden, da ansonsten sicherheitskritische Ausfälle der Batteriezellen drohen.
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Typischerweise sind Batteriemodule in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen passiv gekühlt, da eine aktive Kühlung oft aus Platz- und Kostengründen nicht darstellbar ist. Besonders in vergleichbar warmen Ländern mit Umgebungstemperaturen, die häufig über 30 °C liegen können, kann hierdurch die Verfügbarkeit der Batteriemodule und somit auch des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges massiv eingeschränkt sein. Insbesondere das Wiederaufladen der einzelnen Batteriezellen der Batteriemodule im Anschluss an eine Fahrt gestaltet sich unter Umständen vergleichbar schwierig und längere Wartezeiten könnten nötig sein, bevor der Ladeprozess gestartet werden darf.
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Insbesondere könnten zu einer Temperierung und insbesondere Kühlung sogenannte Axiallüfter eingesetzt werden, mittels welchen bevorzugt Luft zu einer Temperierung einer Mehrzahl an Batteriezellen durch ein Gehäuse hindurch befördert wird.
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Beispielsweise die Druckschriften
DE 10 2012 222 737 und
KR 101 450 267 B1 offenbaren jeweils ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine zuverlässige Temperierung und insbesondere Kühlung der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet werden kann.
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Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dabei insbesondere als Lithium-Ion-Batteriezellen ausgebildet. Weiterhin ist die Mehrzahl an Batteriezellen in einem Innenraum eines Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen.
Zudem ist die Mehrzahl an Batteriezellen unter Ausbildung eines Temperierraums von dem Gehäuse beabstandet. Der Temperierraum ist dabei die Mehrzahl an Batteriezellen umlaufend angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen der Temperierraum angeordnet ist, welcher die Mehrzahl an Batteriezellen umläuft.
Das Batteriemodul weist ein Lüfterelement auf, welches in dem Temperierraum angeordnet ist und welches ausgebildet ist, eine Temperierfluidströmung in dem Temperierraum auszubilden. Insbesondere ist das Temperierfluid bevorzugt Luft. Dabei ist eine Saugseite des Lüfterelements und eine Druckseite des Lüfterelements in der Art fluiddicht getrennt, das Temperierfluid von der Saugseite ausschließlich durch das Lüfterelement hindurch zu der Druckseite strömen kann.
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Insbesondere bietet eine solch erfindungsgemäße Ausführungsform den Vorteil, dass einerseits das in dem Temperierraum aufgenommene Temperierfluid ohne Ausbildung einer Temperierfluidströmung in dem Temperierraum aufgrund einer bevorzugten, vergleichbar geringen Wärmeleitfähigkeit beispielsweise von Luft eine thermische Isolation ermöglicht. Die Mehrzahl an Batteriezellen wäre also zumindest teilweise thermisch vom Gehäuse des Batteriemoduls entkoppelt. Andererseits kann mittels einer Ausbildung einer Temperierfluidströmung in dem Temperierraum ein erzwungener, konvektiver Wärmeübergang von der Mehrzahl an Batteriezellen über das Temperierfluid an das Gehäuse des Batteriemoduls verbessert werden. Dabei kann eine Radiallüftung ausgebildet werden, welche die Mehrzahl an Batteriezellen umlaufend umströmt. Umlaufend meint insbesondere eine Strömung von der Druckseite zu der Saugseite um die gesamte Mehrzahl an Batteriezellen herum. Dabei kann im Vergleich zu sogenannten Axiallüftern der maximale Gegendruck und somit resultierend der Volumenstrom erhöht werden. Insgesamt könnte dadurch der Wärmeübergang zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und der Umgebung erhöht werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Bevorzugt ist das Gehäuse des Batteriemoduls prismatisch ausgebildet. Prismatische Gehäuse weisen üblicherweise sechs Seitenflächen auf, welche jeweils paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gegenüberliegende Seitenflächen sind dabei im Wesentlichen gleich groß und parallel zueinander angeordnet. Weiterhin sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Temperierraum zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und größten Seitenflächen des Gehäuses sowie zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und kleinsten Seitenflächen des Gehäuses ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Temperierraum in anderer Weise, wie beispielsweise zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und größten Seitenflächen des Gehäuses sowie zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und zweitgrößten Seitenflächen oder zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und zweitgrößten Seitenflächen des Gehäuses sowie der Mehrzahl an Batteriezellen und kleinsten Seitenflächen des Gehäuses ausgebildet ist. Die jeweilig größte, zweitgrößte und kleinste Seitenfläche sind dabei gegenüberliegend angeordnet. Insgesamt ist es dadurch möglich, dass alle Batteriezellen von Temperierfluid zumindest an einer ihrer Seitenflächen umströmt werden können. Weiterhin ist es möglich, dass diejenigen Seitenflächen des Gehäuses des Batteriemoduls, welche nicht an der Ausbildung des Temperierraums beteiligt sind, zu einer mechanischen Befestigung der Mehrzahl an Batteriezellen dienen.
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Zweckmäßigerweise könnten die Batteriezellen jeweils als zylindrische Batteriezellen ausgebildet sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass zylindrische Batteriezellen auch als Rundzellen bezeichnet sein können. Zylindrische Batteriezellen weisen im Wesentlichen eine zylindrische Mantelfläche mit einer kreisrunden Querschnittsfläche auf, welche an ihren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer kreisrunden Boden- bzw. Deckelfläche abgeschlossen ist. Besonders bevorzugt sind die zylindrischen Batteriezellen jeweils Rundzellen vom Typ 18650, welche einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 65 mm aufweisen. Das Gehäuse der zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ist dabei üblicherweise negativ geladen und bildet den negativen Spannungsabgriff der jeweiligen Batteriezelle aus. Weiterhin ist an einer Deckelfläche der positive Spannungsabgriff der Batteriezelle angeordnet, welcher gegen das Gehäuse und damit den negativen Spannungsabgriff elektrisch isoliert ist. Solche insbesondere zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen können im Vergleich zu bereits bekannten Lösungen unverändert beispielsweise durch Zellhalter aufgenommen werden und somit insbesondere eine vergleichbar dichte Packung ausbilden. Die Zellhalter können also ohne Überarbeitung unverändert genutzt werden. Durch die beschriebene Erfindung kann bei gleichbleibendem Bauraum, ohne besondere Maßnahmen zur Wärmeleitung zwischen den Zellen und bei gleicher IP-Schutzklasse die Temperierung und Homogenisierung der Zelltemperaturen gesteigert werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Batteriemodul eine Steuerungseinheit umfasst, welche dabei dazu ausgebildet ist, das Lüfterelement in der Art anzusteuern, dass das Lüfterelement bei Überschreiten einer definierten Temperatur eine Temperierfluidströmung in dem Temperierraum ausbildet. Dadurch ist es möglich, zweckmäßig zwischen einer thermischen Isolation und einer Temperierung der Mehrzahl an Batteriezellen zu wechseln. Durch eine dadurch ausgebildete schaltbare thermische Anbindung der Mehrzahl an Batteriezellen an das Gehäuse und somit auch an die Umgebung kann bspw. die Kühlung während eines Aufheizens der Batterie bei kalter Umgebung abgeschaltet sein.
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Vorteilhafterweiße weist das Batteriemodul zwischen der Saugseite und der Druckseite ein Dichtelement auf. Dies ermöglicht eine zuverlässige Abdichtung.
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Zweckmäßigerweise ist das Lüfterelement an dem Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist das Lüfterelement an einer Innenseite des Gehäuses angeordnet.
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Vorteilhafterweiße ist die Mehrzahl an Batteriezellen weiterhin in einem Innengehäuse aufgenommen. Dabei ist der Temperierraum zwischen dem Gehäuse und dem Innengehäuse ausgebildet. Dadurch kann der Strömungswiderstand in dem Temperierraum weiter reduziert werden. Weiterhin kann zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität beitragen.
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Zweckmäßigerweise ist das Lüfterelement an dem Innengehäuse angeordnet. Insbesondere ist das Lüfterelement einer Außenseite des Innengehäuses angeordnet.
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An dieser Stelle sei bemerkt, dass das Gehäuse bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bspw. ist das Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff, wie z.B. Aluminium, ausgebildet. Weiterhin könnte das Gehäuse etwa Kühlrippen an einer Außenseite aufweisen und/oder in der Art mit Luft umströmbar angeordnet werden, dass ein Wärmeübergang zu einer Umgebung erhöht ist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines eben beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem leichten elektrisch angetriebenen Fahrzeug (light electric vehicle; LEV). Damit kann ein thermisch optimiertes Batteriemodul für ein leicht elektrisch angetriebenes Fahrzeug (LEV) zur Verfügung gestellt werden.
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Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Ausführungsform den Vorteil, dass ein optimaler flächenspezifischer Widerstand für die Strömung des Temperierfluids ausgebildet werden kann. Insbesondere kann eine vergleichbar breite Temperierfluidaufnahme ausgebildet werden.
Der thermische Gesamtwiderstand zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und der Umgebung kann erheblich reduziert werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 eine erfindungsgemäßes Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer Schnittansicht.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls 1 in einer Schnittansicht.
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Das Batteriemodul 1 weist eine Mehrzahl an Batteriezellen 2 auf, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen 2 jeweils als zylindrische Batteriezellen 200 ausgebildet.
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Die Batteriezellen 2 sind dabei in einem Innenraum 4 eines Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 aufgenommen. Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl an Batteriezellen 2 weiterhin in einem Innengehäuse 9 aufgenommen.
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Die Mehrzahl an Batteriezellen 2 ist dabei von dem Gehäuse 3 beabstandet angeordnet. Durch diese Beabstandung ist ein Temperierraum 5 ausgebildet, welcher die Mehrzahl an Batteriezellen 2 umlaufend angeordnet ist. Das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 ist dabei prismatisch ausgebildet.
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Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Temperierraum 5 zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen 2 und größten Seitenflächen 31 des Gehäuses 3 ausgebildet sowie zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen 2 und kleinsten Seitenflächen 32 des Gehäuses 3 ausgebildet. Insbesondere ist dabei auch, der Temperierraum 5 zwischen dem Innengehäuse 9 und dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 ausgebildet.
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Weiterhin weist das Batteriemodul 1 ein Lüfterelement 6 auf, welches in dem Temperierraum 5 angeordnet ist. Das Lüfterelement 6 ist dabei dazu ausgebildet, eine Temperierfluidströmung in dem Temperierraum 5 auszubilden. Die Temperierfluidströmung in dem Temperierraum 5 ist durch die eingezeichneten Pfeile verdeutlicht.
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Der Temperierraum 5 umfasst dabei eine Saugseite 61 des Lüfterelements 6 und eine Druckseite 62 des Lüfterelement 6. Die Saugseite 61 des Lüfterelement 6 ist dabei der Ansaugbereich des Lüfterelements 6 und somit ein unmittelbar benachbart zu dem Lüfterelement 6 angeordneter Bereich des Temperierraums 5. Die Druckseite 62 des Lüfterelement 6 ist dabei der Ausstoßbereich des Lüfterelements 6 und somit ein unmittelbar benachbart zu dem Lüfterelement 6 angeordneter Bereich des Temperierraums 5. Die Druckseite 61 und die Saugseite 62 sind dabei gegenüberliegend an dem Lüfterelement 6 angeordnet. Insgesamt ist der Druck in dem Temperierraum 5 unmittelbar benachbart zu der Druckseite 62 des Lüfterelement 6 größer als der Druck in dem Temperierraum 5 unmittelbar benachbart zu der Saugseite 62 des Lüfterelement 6. Dadurch kann die dargestellte Temperierfluidströmung erzwungen werden.
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Die Saugseite 61 des Lüfterelements 6 und die Druckseite 62 des Lüfterelements 6 sind in der Art fluiddicht getrennt, dass Temperierfluid von der Saugseite 61 ausschließlich durch das Lüfterelement 6 hindurch zu der Druckseite 62 strömt.
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Des Weiteren umfasst das Batteriemodul 1 eine Steuerungseinheit 7, welches ausgebildet ist, das Lüfterelement 6 anzusteuern. Die Steuerungseinheit 7 kann das Lüfterelement 6 dabei in der Art ansteuern, dass bei Überschreiten einer definierten Temperatur beispielsweise einer Batteriezelle 2 eine Temperierfluidströmung in dem Temperierraum 5 ausgebildet ist. Die definierte Temperatur kann dabei beispielsweise 30 °C, 40 °C oder auch 50 °C sein.
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Aus der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass zwischen der Saugseite 61 und der Druckseite 62 ein Dichtelement 8 angeordnet ist.
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Das Lüfterelement 6 ist dabei an dem Innengehäuse 9 angeordnet. Selbstverständlich könnte das Lüfterelement 6 auch an dem Gehäuse 3 angeordnet sein.
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Sowohl das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 als auch das Innengehäuse 9 können entweder einteilig oder auch mehreren miteinander verbunden Teilen ausgebildet sein. Bspw. kann das Gehäuse 3 ein Deckelement 10 umfassen, welche das Dichtelement 8 ausbilden und/oder die Steuerungseinheit 7 umfassen kann. Insbesondere kann bei geöffneten Deckelement 10 die Mehrzahl an Batteriezellen 2, das Innengehäuse 9 und das Lüfterelement 6 in dem Gehäuse 3 aufgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012222737 [0007]
- KR 101450267 B1 [0007]
