DE102021204695A1

DE102021204695A1 - Housing for accommodating battery cells and electronic components

Info

Publication number: DE102021204695A1
Application number: DE102021204695.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Gehäuse (100) zur Aufnahme von Batteriezellen und elektronischen Komponenten (105, 107, 109),wobei das Gehäuse (100) umfasst:- ein Elektronikgehäuse (101) zur Aufnahme der elektronischen Komponenten (105, 107, 109),- ein Zellgehäuse (103) zur Aufnahme der Batteriezellen,- einen ersten Kühlmittelpfad (113), der thermisch mit dem Elektronikgehäuse (101) gekoppelt ist,- einen zweiten Kühlmittelpfad (115), der thermisch mit dem Zellgehäuse (103) gekoppelt ist.The presented invention relates to a housing (100) for accommodating battery cells and electronic components (105, 107, 109), the housing (100) comprising: - an electronics housing (101) for accommodating the electronic components (105, 107, 109) - a cell housing (103) for accommodating the battery cells, - a first coolant path (113) which is thermally coupled to the electronics housing (101), - a second coolant path (115) which is thermally coupled to the cell housing (103).

Description

Stand der TechnikState of the art

Einzelne Batteriezellen werden insbesondere für Anwendungen im Fahrzeugbereich zu Batteriemodulen zusammengeschaltet. Batteriemodule werden zu Batterien bzw. Batteriesystemen zusammengeschaltet.Individual battery cells are connected to form battery modules, particularly for applications in the vehicle sector. Battery modules are connected to form batteries or battery systems.

Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Fahrzeugbauräumen, sind variable Modulgrößen erforderlich, um vorhandenen Bauraum optimal auszunutzen.Due to the large number of different vehicle installation spaces, variable module sizes are required in order to optimally utilize the available installation space.

Li-lonen-, bzw. Li-Polymer-Batteriezellen erwärmen sich bedingt durch chemische Wandlungsprozesse vor allem bei der schnellen Energieabgabe bzw. -aufnahme. Je leistungsfähiger eine Batterie ist, desto größer ist ihre Erwärmung und damit einhergehend ein Bedarf für ein aktives Thermomanagementsystem.Li-ion or Li-polymer battery cells heat up due to chemical conversion processes, especially when energy is released or absorbed quickly. The more powerful a battery is, the greater its temperature rise and the associated need for an active thermal management system.

Durch ein aktives Thermomanagementsystem, insbesondere durch einen Kühlmittelkreislauf, lassen sich Batteriezellen kühlen und heizen. Wobei Batteriezellen überwiegend gekühlt werden müssen, da die optimale Betriebstemperatur von Li-lonen-Batteriesystemen ca. +5 °C bis +35 °C beträgt. Ab einer Betriebstemperatur von ca. +40 °C wird ihre Lebensdauer geringer.Battery cells can be cooled and heated by an active thermal management system, in particular by a coolant circuit. Battery cells mostly have to be cooled, since the optimal operating temperature of Li-ion battery systems is approx. +5 °C to +35 °C. From an operating temperature of approx. +40 °C, their service life is reduced.

Um eine Lebensdauer von ca. 8-10 Jahren zu erreichen, ist eine hinreichende thermische Konditionierung einer Batterie erforderlich. Die Batteriezellen der Batterie müssen dazu unter allen Betriebszuständen in einem thermisch unkritischen Zustand unter +40 °C gehalten werden. Um einen Alterungsgleichlauf der Batteriezellen zu erreichen, sollte ein Temperaturgradient von Batteriezelle zu Batteriezelle minimal sein.In order to achieve a service life of approx. 8-10 years, a battery must be adequately thermally conditioned. For this purpose, the battery cells of the battery must be kept in a thermally non-critical condition below +40 °C under all operating conditions. In order to achieve aging synchronization of the battery cells, a temperature gradient from battery cell to battery cell should be minimal.

Ein Heizen und Kühlen einer Batterie erfolgt überwiegend durch eine Flüssigkeitstemperierung mit einem Wärmemedium, wie bspw. einem Wasser/Glykol-Gemisch. Dieses wird durch Kanäle in unterhalb jeweiliger Batteriemodule angeordneten Kühlplatten geleitet. Die Versorgung der Kühlplatten wird mit einer Kühlwasserverschlauchung mit entsprechenden weiteren Komponenten im Kühlkreislauf realisiert.A battery is mainly heated and cooled by liquid temperature control with a heat medium, such as a water/glycol mixture. This is conducted through channels in cooling plates arranged below the respective battery modules. The cooling plates are supplied with cooling water tubing with corresponding additional components in the cooling circuit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen und elektronischen Komponenten und ein Batteriesystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.As part of the presented invention, a housing for accommodating battery cells and electronic components and a battery system are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings.

Die vorgestellte Erfindung dient zum thermisch optimalen Betrieb einer Batterie. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung zum Betrieb einer Batterie in einem Fahrzeug.The invention presented is used for thermally optimal operation of a battery. In particular, the invention presented serves to operate a battery in a vehicle.

Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen und elektronischen Komponenten vorgestellt. Das Gehäuse umfasst ein Elektronikgehäuse zur Aufnahme der elektronischen Komponenten, ein Zellgehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen, einen ersten Kühlmittelpfad, der thermisch mit dem Elektronikgehäuse gekoppelt ist und einen zweiten Kühlmittelpfad, der thermisch mit dem Zellgehäuse gekoppelt ist.A housing for accommodating battery cells and electronic components is thus presented in a first aspect of the invention presented. The housing includes an electronics housing for accommodating the electronic components, a cell housing for accommodating the battery cells, a first coolant path which is thermally coupled to the electronics housing and a second coolant path which is thermally coupled to the cell housing.

Unter einem Kühlmittelpfad ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Pfad, insbesondere ein Kanalsystem, entlang dessen ein Kühlmittel geführt wird, zu verstehen. Bspw. kann ein Kühlmittelpfad ein Kühlkreislauf sein.In the context of the present invention, a coolant path is to be understood as meaning a path, in particular a channel system, along which a coolant is guided. For example, a coolant path can be a cooling circuit.

Das vorgestellte Gehäuse basiert auf zwei Teilgehäusen, die jeweils mittels separater Kühlmittelpfade getrennt voneinander temperierbar sind.The housing presented is based on two partial housings, each of which can be temperature-controlled separately from one another using separate coolant paths.

Ein erstes Teilgehäuse dient als Elektronikgehäuse zur Aufnahme von elektronischen Komponenten einer jeweiligen Batterie, wie bspw. einem DC-DC Wandler, einem Zellkontaktierungssystem und einer Leistungselektronik bzw. einem sog. „DC-Breaker“.A first partial housing serves as an electronics housing for accommodating electronic components of a respective battery, such as a DC-DC converter, a cell contacting system and power electronics or a so-called “DC breaker”.

Da elektronische Komponenten i. d. R. eine andere Temperaturabgabe zeigen als Batteriezellen, können elektronische Komponenten mittels des vorgestellten Gehäuses anforderungsspezifisch und vor allem unabhängig von jeweiligen Batteriezellen temperiert werden. Dazu lassen sich in dem vorgestellten Gehäuse mehrere verschiedene Temperaturzonen erzeugen, indem unterschiedliche Wärmeleitmedienpfade verwendet werden.Since electronic components i. i.e. R. show a different temperature output than battery cells, electronic components can be temperature-controlled using the presented housing according to specific requirements and, above all, independently of the respective battery cells. For this purpose, several different temperature zones can be generated in the housing presented by using different heat-conducting media paths.

Insbesondere können die unterschiedlichen Wärmeleitmedienpfade des vorgestellten Gehäuses derart dimensioniert sein, dass diese eine für eine jeweilige Temperaturzone spezifische Temperierung bedingen. Alternativ oder zusätzlich können Stellmittel vorgesehen sein, mit denen ein jeweiliger durch die unterschiedlichen Wärmeleitmedienpfade strömender Volumenstrom eingestellt wird.In particular, the different heat-conducting media paths of the housing presented can be dimensioned in such a way that they require a temperature control that is specific to a respective temperature zone. Alternatively or additionally, adjusting means can be provided with which a respective volume flow flowing through the different thermally conductive medium paths is adjusted.

Ferner kann ein Wärmeübertrag aus einer jeweiligen Temperaturzone in ein jeweiliges Kühlmittel eines Wärmeleitmedienpfads durch spezifische Koppler, die bspw. in Anzahl und/oder Anbindungsfläche variiert werden können, an jeweilige Betriebsbedingungen spezifisch angepasst werden.Furthermore, a heat transfer from a respective temperature zone into a respective coolant of a thermally conductive medium path can be achieved by specific couplers which, for example, differ in number and/or connection area can be varied, can be specifically adapted to the respective operating conditions.

Es kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlmittelpfad in Schwerkraftrichtung über einem Raum zur Aufnahme der elektronischen Komponenten ausgebildet und mittels eines ersten Abdeckelements gegenüber einer Umgebung abgeschirmt ist, wobei das erste Abdeckelement eine thermische Pufferwirkung aufweist und der zweite Kühlmittelpfad in Schwerkraftrichtung unter einem Raum zur Aufnahme der Batteriezellen ausgebildet ist und mittels eines zweiten Abdeckelements gegenüber einer Umgebung abgeschirmt ist, wobei das zweite Abdeckelement eine thermische Pufferwirkung aufweist.It can be provided that the first coolant path in the direction of gravity is formed above a space for accommodating the electronic components and is shielded from the environment by means of a first cover element, the first cover element having a thermal buffer effect and the second coolant path in the direction of gravity below a space for accommodating it of the battery cells is formed and is shielded from the environment by means of a second cover element, the second cover element having a thermal buffering effect.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgestellte Gehäuse zumindest ein Gussteil, wie bspw. ein Aluminiumgussteil, umfasst. Bspw. kann das vorgestellte Gehäuse ein aus einem Metall gegossenes Elektronikgehäuse und ein aus einem Metall gegossenes Zellgehäuse umfassen. Dabei können der Kühlmittelpfad des Elektronikgehäuses und der Kühlmittelpfad des Zellgehäuses nach einem Gussvorgang offen vorliegen und anschließend mit einem jeweiligen Abdeckelement verschlossen werden. Dabei kann das jeweilige Abdeckelement spezifisch an jeweilige Betriebsbedingungen angepasst werden und bspw. spezifische Anbindungspunkte und/oder spezifische Materialdicken aufweisen, sodass ein spezifischer Wärmeübertrag aus dem jeweiligen Gehäuse in das jeweilige Abdeckelement erfolgt und auf zusätzliche Kühlplatten verzichtet werden kann.In particular, it is provided that the housing presented comprises at least one cast part, such as, for example, an aluminum cast part. For example, the presented housing can comprise an electronics housing cast from a metal and a cell housing cast from a metal. The coolant path of the electronics housing and the coolant path of the cell housing can be open after a casting process and can then be closed with a respective cover element. The respective cover element can be specifically adapted to the respective operating conditions and, for example, have specific connection points and/or specific material thicknesses, so that a specific heat transfer takes place from the respective housing to the respective cover element and additional cooling plates can be dispensed with.

Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das erste Abdeckelement und/oder das zweite Abdeckelement als integraler Bestandteil des Gehäuses ausgestaltet sind, oder das erste Abdeckelement und/oder das zweite Abdeckelement direkt stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sind, oder das erste Abdeckelement und/oder das zweite Abdeckelement indirekt über eine zwischen dem Gehäuse und dem jeweiligen Abdeckelement angeordnete Dichtung mit dem Gehäuse verbunden sind.Accordingly, provision can be made for the first cover element and/or the second cover element to be designed as an integral part of the housing, or for the first cover element and/or the second cover element to be directly bonded to the housing, or for the first cover element and/or the second Covering element are indirectly connected to the housing via a seal arranged between the housing and the respective covering element.

Durch eine Dichtung zwischen einem jeweiligen Abdeckelement und dem vorgestellten Gehäuse kann eine fluiddichte und kostengünstige Anbindung des Abdeckelements an das Gehäuse erreicht werden. Durch eine indirekte Anbindung eines jeweiligen Abdeckelements an das Gehäuse über eine Dichtung kann das jeweilige Abdeckelement unabhängig von dem Gehäuse gewählt werden, sodass verschiedene, einsatzspezifische Abdeckelemente gewählt werden können.A seal between a respective cover element and the housing presented allows a fluid-tight and cost-effective connection of the cover element to the housing to be achieved. By indirectly connecting a respective cover element to the housing via a seal, the respective cover element can be selected independently of the housing, so that different, use-specific cover elements can be selected.

Durch eine stoffschlüssige Verbindung eines jeweiligen Abdeckelements mit dem vorgestellten Gehäuse, wie bspw. durch eine Schweißnaht, erfolgt ein höherer Übergang von thermischer Energie aus einem das Abdeckelement kontaktierenden Kühlmittel auf das Abdeckelement als bei einer indirekten Anbindung über eine stoffschlüssige Verbindung. Durch eine stoffschlüssige Verbindung kann das jeweilige Abdeckelement unabhängig von dem Gehäuse gewählt werden, sodass verschiedene, einsatzspezifische Abdeckelemente gewählt werden können.A material connection of a respective cover element to the presented housing, such as a weld seam, results in a higher transfer of thermal energy from a coolant contacting the cover element to the cover element than with an indirect connection via a material connection. The respective cover element can be selected independently of the housing by means of a material connection, so that different, application-specific cover elements can be selected.

Ein als integraler Bestandteil des vorgestellten Gehäuses ausgestaltetes Abdeckelement, also ein bei einem Guss des Gehäuses mitgegossenes Abdeckelement, bedingt eine optimale thermische Kopplung mit dem Gehäuse, sodass ein optimaler Übergang von thermischer Energie aus einem das Abdeckelement kontaktierenden Kühlmittel auf das Abdeckelement erfolgt.A cover element designed as an integral part of the presented housing, i.e. a cover element cast when the housing is cast, requires an optimal thermal coupling with the housing, so that an optimal transfer of thermal energy from a coolant contacting the cover element to the cover element takes place.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Abdeckelement und/oder das zweite Abdeckelement eine Anzahl Versteifungselemente zum Maximieren einer mechanischen Stabilität des jeweiligen Abdeckelements und/oder eine Anzahl Strömungselemente zum Verwirbeln von Kühlmittel und zum Maximieren einer Oberfläche des jeweiligen Abdeckelements umfassen.Provision can furthermore be made for the first cover element and/or the second cover element to comprise a number of stiffening elements for maximizing mechanical stability of the respective cover element and/or a number of flow elements for swirling coolant and for maximizing a surface area of the respective cover element.

Versteifungselemente, wie bspw. Rippen oder Biegungen, erhöhen eine mechanische Stabilität eines jeweiligen Abdeckelements und, dadurch bedingt, eine mechanische Stabilität des vorgestellten Gehäuses, sodass bspw. bei einem Unfall in einem Fahrzeug eine Wahrscheinlichkeit für einen Austritt von Kühlmittel aus dem Gehäuse minimiert wird.Reinforcing elements, such as ribs or bends, increase mechanical stability of a respective cover element and, as a result, mechanical stability of the housing presented, so that, for example, in the event of an accident in a vehicle, the probability of coolant escaping from the housing is minimized.

Strömungselemente, wie bspw. Stifte oder Noppen, die auf einer Oberfläche eines jeweiligen Kühlmittelpfads ausgebildet sind, führen zu einer Vermischung von laminaren Schichten eines Kühlmittels und entsprechend zu einer maximierten Übertragung von thermischer Energie aus der Oberfläche des Kühlmittelpfads auf das Kühlmittel.Flow elements, such as pins or nubs, formed on a surface of a respective coolant path lead to a mixing of laminar layers of a coolant and accordingly to a maximized transfer of thermal energy from the surface of the coolant path to the coolant.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektronikgehäuse eine Anzahl thermischer Kontaktflächen zur direkten Anbindung eines ersten elektronischen Bauteils an den ersten Kühlmittelpfad umfasst, und
das Elektronikgehäuse ein thermisch leitfähiges Verbindungselement zum indirekten Anbinden eines zweiten elektronischen Bauteils an den ersten Kühlmittelpfad umfasst.Provision can furthermore be made for the electronics housing to comprise a number of thermal contact surfaces for directly connecting a first electronic component to the first coolant path, and
the electronics housing comprises a thermally conductive connection element for indirectly connecting a second electronic component to the first coolant path.

Mittels eines thermisch leitfähigen Verbindungselements, wie bspw. einem Blech aus Aluminium, kann ein indirekter Übertrag von thermischer Energie von einem Bereich des Elektronikgehäuses auf das Gehäuse, insbesondere den ersten Kühlmittelpfad des Elektronikgehäuses erfolgen. Entsprechend können durch eine direkte Anbindung eines ersten elektronischen Bauteils an das Elektronikgehäuse, bspw. über entsprechende Kontaktflächen, und eine indirekte Anbindung eines zweiten elektronischen Bauteils an das Elektronikgehäuse über ein thermisch leitfähiges Verbindungselement zwei unterschiedliche Temperierungszonen bereitgestellt werden, sodass durch den ersten Kühlmittelpfad das erste elektronische Bauteil anders temperiert wird als das zweite elektronische Bauteil.An indirect transfer of thermal energy from a region of the electronics housing can be achieved by means of a thermally conductive connecting element, such as, for example, a sheet of aluminum on the housing, in particular the first coolant path of the electronics housing. Correspondingly, by directly connecting a first electronic component to the electronics housing, e.g. via corresponding contact surfaces, and indirectly connecting a second electronic component to the electronics housing via a thermally conductive connecting element, two different temperature control zones can be provided, so that the first electronic Component is tempered differently than the second electronic component.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass im ersten Kühlmittelpfad im Bereich thermischer Kontaktflächen Strömungselemente angeordnet sind, die ein in dem ersten Kühlmittelpfad strömendes Kühlmittel verwirbeln und eine Oberfläche des ersten Wärmeleitpfads maximieren, um eine Übertragung von thermischer Energie von den thermischen Kontaktflächen auf das Kühlmittel zu maximieren.Provision can also be made for flow elements to be arranged in the first coolant path in the area of thermal contact surfaces, which swirl a coolant flowing in the first coolant path and maximize a surface area of the first thermal conduction path in order to maximize transfer of thermal energy from the thermal contact surfaces to the coolant .

Durch Anordnung von Strömungselementen im Bereich thermischer Kontaktflächen kann eine Übertragung von thermischer zwischen einem an den thermischen Kontaktflächen angeordneten Bauteil und einem die Strömungselemente umströmenden Kühlmittel maximiert werden.By arranging flow elements in the area of thermal contact surfaces, a transfer of thermal energy between a component arranged on the thermal contact surfaces and a coolant flowing around the flow elements can be maximized.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verbindungselement eine Anzahl Koppler zur mechanischen und thermischen Kopplung mit dem Gehäuse umfasst, und/oder das Verbindungselement eine Anzahl Versteifungselemente umfasst.It can further be provided that the connecting element comprises a number of couplers for mechanical and thermal coupling to the housing, and/or the connecting element comprises a number of stiffening elements.

Durch Koppler, wie bspw. Laschen, zur mechanischen und thermischen Kopplung von Verbindungselement und Gehäuse kann ein Übertrag von mechanischer und thermischer Energie zwischen dem Verbindungselement und dem das Gehäuse eingestellt werden. Dabei gilt, je größer eine Kontaktfläche der Koppler an dem Verbindungselement und dem Gehäuse ist, desto mehr mechanische und thermische Energie wird zwischen dem Verbindungselement und dem Gehäuse ausgetauscht.A transfer of mechanical and thermal energy between the connecting element and the housing can be adjusted by couplers, such as lugs, for the mechanical and thermal coupling of the connecting element and the housing. In this case, the larger the contact area of the coupler on the connecting element and the housing, the more mechanical and thermal energy is exchanged between the connecting element and the housing.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verbindungselement eine Anzahl Peltierelemente umfasst.Provision can furthermore be made for the connecting element to comprise a number of Peltier elements.

Mittels elektronischer Peltierelemente kann eine gesteuerte bzw. geregelte Entwärmung des Verbindungselements, unabhängig von dem ersten Kühlmittelpfad erfolgen, sodass bspw. bei besonders hohen thermischen Belastungen eines mit dem Verbindungselement gekoppelten elektronischen Bauteils eine zusätzliche Kühlung des Bauteils erfolgen kann.Electronic Peltier elements can be used to cool the connecting element in a controlled or regulated manner, independently of the first coolant path, so that additional cooling of the component can take place, for example, in the event of particularly high thermal loads on an electronic component coupled to the connecting element.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Gehäuse mindestens ein Stellelement zum Einstellen eines durch den ersten Kühlmittelpfad strömenden ersten Volumenstroms und zum Einstellen eines durch den zweiten Kühlmittelpfad strömenden Volumenstroms umfasst.Provision can furthermore be made for the housing to comprise at least one adjusting element for setting a first volumetric flow flowing through the first coolant path and for setting a volumetric flow flowing through the second coolant path.

Durch ein Stellelement zum Einstellen von Volumenströmen verschiedener Wärmeleitmedien, die durch das vorgestellte Gehäuse strömen, kann eine Temperatur in dem Gehäuse kontrolliert, d.h. gesteuert bzw. geregelt werden.A temperature in the housing can be controlled, i.e. controlled or regulated, by means of an adjusting element for adjusting volume flows of various heat-conducting media that flow through the housing presented.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Stellelement ein Ventil und/oder eine Pumpe umfasst.Provision can furthermore be made for the at least one actuating element to comprise a valve and/or a pump.

Mittels eines Stellelements in Form einer Pumpe und/oder eines Ventils kann eine Strömungsbewegung und/oder eine Masse eines Volumenstroms eingestellt werden, sodass bspw. bei besonders hohem Wärmeeintrag jeweiliger elektronischer Bauteile, ein besonders großer Volumenstrom an Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelpfad geleitet werden kann.A flow movement and/or a mass of a volume flow can be adjusted by means of an actuating element in the form of a pump and/or a valve, so that, for example, in the event of a particularly high heat input from the respective electronic components, a particularly large volume flow of coolant can be conducted through the first coolant path.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Stellelement dazu konfiguriert ist, den ersten Kühlmittelpfad und den zweiten Kühlmittelpfad sequenziell oder parallel mit Kühlmittel zu beströmen.Provision can furthermore be made for the actuating element to be configured to flow coolant through the first coolant path and the second coolant path sequentially or in parallel.

Durch ein sequenzielles Beströmen des ersten und des zweiten Kühlmittelpfads des vorgestellten Gehäuses kann ein Übertrag von thermischer Energie von dem Elektronikgehäuse auf das Zellgehäuse, oder umgekehrt, erfolgen, sodass bspw. Batteriezellen in dem Zellgehäuse durch Abwärme von elektronischen Bauteilen in dem Elektronikgehäuse erwärmt werden können.By sequentially flowing through the first and second coolant path of the housing presented, thermal energy can be transferred from the electronics housing to the cell housing, or vice versa, so that, for example, battery cells in the cell housing can be heated by waste heat from electronic components in the electronics housing.

Durch ein paralleles Beströmen des ersten und des zweiten Kühlmittelpfads des vorgestellten Gehäuses kann eine voneinander unabhängige Temperierung des Elektronikgehäuses und des Zellgehäuses erfolgen.The temperature of the electronics housing and the cell housing can be controlled independently of one another by a parallel flow through the first and the second coolant path of the housing presented.

In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie und einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Gehäuses.In a second aspect, the presented invention relates to a battery system with a battery and a possible configuration of the presented housing.

Das vorgestellte Batteriesystem dient insbesondere als Traktionsbatterie zur Versorgung eines Antriebs eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie.The battery system presented serves in particular as a traction battery for supplying a drive of a vehicle with electrical energy.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The in the features mentioned in the claims and in the description may be essential to the invention, either individually or in any combination.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gehäuses,
3 das Gehäuse aus 2 in einer geschnittenen Darstellung,
4 eine Draufsicht auf ein Elektronikgehäuse des Gehäuses aus 2,
5 eine Innenansicht des Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 2,
6 eine Detailansicht des Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 2,
7 eine Ausgestaltung des Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 2,
8 eine weitere Ausgestaltung des Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 2,
9 eine geschnittene Darstellung des Elektronikgehäuses des Gehäuses aus 2,
10 eine Innenansicht einer Ausgestaltung eines Zellgehäuses des Gehäuses aus 2,
11 eine Innenansicht einer weiteren Ausgestaltung des Zellgehäuses des Gehäuses aus 2,
12 eine Draufsicht auf eine Unterseite einer Ausführungsform des Zellgehäuses des Gehäuses aus 2,
13 eine Draufsicht auf eine Unterseite einer weiteren Ausführungsform des Zellgehäuses des Gehäuses aus 2,
14 eine Ausführungsform des Zellgehäuses aus 10 mit Peltierelementen,
15 eine Ausführungsform des Zellgehäuses aus 10 ohne Peltierelemente,
16 ein Abdeckelement mit einer möglichen Ausgestaltung von Strömungselementen,
17 ein Abdeckelement mit einer weiteren möglichen Ausgestaltung von Strömungselementen,
18 ein Abdeckelement mit einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung von Strömungselementen,
19 ein Abdeckelement mit einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung von Strömungselementen,
20 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Batteriesystems.

Show it:

1 a schematic representation of a battery module according to the prior art,
2 a schematic representation of the housing according to the invention,
3 the housing off 2 in a cut representation,
4 a plan view of an electronics housing of the housing 2 ,
5 Figure 12 shows an interior view of the electronics housing of the housing 2 ,
6 shows a detailed view of the electronics housing of the housing 2 ,
7 an embodiment of the electronics housing of the housing 2 ,
8th a further configuration of the electronics housing of the housing 2 ,
9 Figure 12 shows a sectional view of the electronics housing of the housing 2 ,
10 1 shows an interior view of an embodiment of a cell housing of the housing 2 ,
11 an interior view of a further embodiment of the cell housing of the housing 2 ,
12 1 shows a plan view of an underside of an embodiment of the cell housing of the housing 2 ,
13 shows a plan view of an underside of a further embodiment of the cell housing of the housing 2 ,
14 an embodiment of the cell housing 10 with Peltier elements,
15 an embodiment of the cell housing 10 without Peltier elements,
16 a cover element with a possible configuration of flow elements,
17 a cover element with a further possible configuration of flow elements,
18 a cover element with yet another possible configuration of flow elements,
19 a cover element with a further possible configuration of flow elements,
20 a possible embodiment of the presented battery system.

In 1 ist ein Batteriemodul 10 dargestellt. Das Batteriemodul 10 basiert auf einem einteiligen Gehäuse 11, das durch Kühlplatten 13, die wiederum mit einem Kühlmittelkreislauf 15 verbunden sind, temperiert wird.In 1 a battery module 10 is shown. The battery module 10 is based on a one-piece housing 11, which is temperature-controlled by cooling plates 13, which in turn are connected to a coolant circuit 15.

In 2 ist der prinzipielle Aufbau des vorgestellten Gehäuses 100 dargestellt.In 2 the basic structure of the presented housing 100 is shown.

Ein Elektronikgehäuse 101 dient zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen.An electronics housing 101 serves to accommodate electronic components.

Ein Zellgehäuse 103 dient zur Aufnahme von Batteriezellen, insbesondere prismatischen Batteriezellen.A cell housing 103 serves to accommodate battery cells, in particular prismatic battery cells.

Eine abzuführende Wärmemenge ist bei dem DC-DC-Wandler 105 größer als bei dem DC-Breaker 107, was durch verschiedene Ausführungen der Kühlung an den Gehäusebauteilen, also dem Elektronikgehäuse 101 und dem Zellgehäuse 103, kompensiert werden kann.A quantity of heat to be dissipated is greater in the DC-DC converter 105 than in the DC breaker 107, which can be compensated for by different designs of cooling on the housing components, ie the electronics housing 101 and the cell housing 103.

Ein Kühlmitteleintritt 121 und ein Kühlmittelaustritt 123 leiten in einem Kühlkreislauf Kühlmittel durch das Gehäuse 100. Dazu sind das Elektronikgehäuse 101 und das Zellgehäuse 103 über eine Fluidleitung 104 verbunden, sodass Kühlmittel von dem Elektronikgehäuse 101 auf das Zellgehäuse 103 übergehen kann, und umgekehrt.A coolant inlet 121 and a coolant outlet 123 conduct coolant through the housing 100 in a cooling circuit. For this purpose, the electronics housing 101 and the cell housing 103 are connected via a fluid line 104, so that coolant can pass from the electronics housing 101 to the cell housing 103 and vice versa.

In 3 ist die Ausführung mit direkt von einem ersten Kühlmittelpfad 113 unterströmtem DC-DC-Wandler 105 und indirekt über ein thermisches Verbindungselement 111 angebundenem DC-Breaker 107 dargestellt.In 3 shows the embodiment with a DC-DC converter 105 directly under which a first coolant path 113 flows and with a DC breaker 107 connected indirectly via a thermal connecting element 111 .

Selbstverständlich ist eine umgekehrte Ausführung mit direkt unterströmten DC-Breaker 107 und indirekt über ein thermisches Verbindungselement 111 angebundenem DC-DC-Wandler 105 auch denkbar.Of course, an inverted embodiment with a DC breaker 107 under which the flow occurs directly and a DC-DC converter 105 connected indirectly via a thermal connecting element 111 is also conceivable.

Das thermische Verbindungselement 111 ist bspw. ein Wärmeleitblech, das thermisch an das Elektronikgehäuse 101 gekoppelt ist.The thermal connection element 111 is, for example, a heat conducting sheet that is thermally coupled to the electronics housing 101 .

Bei Verwendung von prismatischen Batteriezellen ist eine Kühlung, die in einem Deckel über jeweiligen Anschlüssen der Batteriezellen untergebracht ist, wie im Stand der Technik üblich, schwierig zu realisieren. Daher ist bei dem vorgestellten Gehäuse eine zweite Kühlebene, wie in 3 dargestellt, vorgesehen.When using prismatic battery cells, cooling that is accommodated in a cover over the respective connections of the battery cells, as is customary in the prior art, is difficult to implement. For this reason, the housing presented has a second cooling level, as shown in 3 shown, intended.

Durch die Verwendung von zwei Kühlebenen bzw. zwei Kühlmittelpfaden 113, 115, können diese jeweils für sich betrachtet besser auf spezifische Kühlanforderungen der jeweiligen zu temperierenden Bauteile abgestimmt und optimiert werden.By using two cooling levels or two coolant paths 113, 115, these considered individually, can be better matched and optimized to the specific cooling requirements of the respective components to be temperature-controlled.

Durch die Verwendung von zwei Kühlmittelpfaden 113, 115 in Verbindung mit prismatischen Batteriezellen und zu kühlender Leistungselektronikbauteile 105, 107, 109, kann ein in den Dimensionen X-Y kompaktes Batteriesystem bereitgestellt werden.By using two coolant paths 113, 115 in connection with prismatic battery cells and power electronics components 105, 107, 109 to be cooled, a battery system that is compact in the dimensions X-Y can be provided.

Durch die Verwendung von zwei Kühlmittelpfaden 113, 115 kann eine effiziente Kühlung einzelner Bauteile, wie bspw. Batteriezellen, DC-Breaker 107 und DC-DC-Wandler 105 bereitgestellt werden, da die Bauteile über einen kurzen thermischen Pfad an eine entsprechende Wärmesenke angebunden sind.By using two coolant paths 113, 115, efficient cooling of individual components such as battery cells, DC breaker 107 and DC-DC converter 105 can be provided, since the components are connected to a corresponding heat sink via a short thermal path.

Die beiden Kühlmittelpfade 113, 115 sind innerhalb jeweiliger Druckgussbauteile durch Verschließen mit einem plattenförmigen Element zueinander realisiert. Entsprechend sind keine zusätzlichen Kühlplatten, wie im Stand der Technik üblich, notwendig.The two coolant paths 113, 115 are realized within respective die-cast components by sealing them with a plate-shaped element relative to one another. Accordingly, no additional cooling plates, as is customary in the prior art, are necessary.

Durch die Verwendung von zwei Kühlmittelpfaden 113, 115 kann eine serielle oder parallele Durchströmung der Kühlebenen realisiert werden, je nach den Kriterien Druckverlust und/oder Wärmeübergang.By using two coolant paths 113, 115, a serial or parallel flow through the cooling planes can be implemented, depending on the criteria of pressure loss and/or heat transfer.

Durch Integration mehrerer Elektronikbauteile 105, 107, 109 in den Innenraum des Elektronikgehäuses 101 wird kein zusätzlicher Deckel benötigt was zu einem Kostenvorteil führt.By integrating several electronic components 105, 107, 109 in the interior of the electronics housing 101, no additional cover is required, which leads to a cost advantage.

Es kann vorgesehen sein, dass sich Schweißnähte zwischen Gehäusebauteil und Abdeckelement an dem Zellgehäuse 103 und den Elektronikgehäuse 101 jeweils auf einer Außenseite befinden, was im Falle des Versagens der Schweißnähte und damit einer Undichtigkeit des Kühlmittelkanales einen Sicherheitsvorteil bietet.Provision can be made for the weld seams between the housing component and cover element on the cell housing 103 and the electronics housing 101 to be on the outside, which offers a safety advantage in the event of the weld seams failing and the coolant channel leaking.

Der prinzipielle Aufbau des Elektronikgehäuses 101 ist in 4 und 5 gezeigt.The basic structure of the electronics housing 101 is shown in 4 and 5 shown.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, gemäß 6, befindet sich der DC-DC-Wandler 105 auf der Innenseite des Elektronikgehäuses 101 und wird direkt an eine thermische Kontaktfläche des Elektronikgehäuses 101 angebunden.In a preferred embodiment, according to 6 , the DC-DC converter 105 is located on the inside of the electronics housing 101 and is connected directly to a thermal contact surface of the electronics housing 101.

Der DC-Breaker 107 sitzt in Z-Richtung unterhalb des DC-DC-Wandlers 105 und wird thermisch indirekt mithilfe des thermischen Verbindungselements 111 über dessen Platine 120 an das Elektronikgehäuse 101 und, dadurch bedingt, an eine Wärmesenke angebunden.The DC breaker 107 is located below the DC-DC converter 105 in the Z direction and is thermally connected indirectly to the electronics housing 101 and, as a result, to a heat sink with the aid of the thermal connecting element 111 via its circuit board 120 .

Bei einer nicht dargestellten alternativen Anordnung befindet sich der DC-Breaker 107 auf der Innenseite des Elektronikgehäuses und wird direkt an die thermische Kontaktfläche des Elektronikgehäuses angebunden. Der DC-DC-Wandler 105 sitzt in Z-Richtung unterhalb des DC-Breakers 107 und wird thermisch indirekt mithilfe des thermischen Verbindungselements 111 an das Elektronikgehäuse und damit an die Wärmesenke angebunden.In an alternative arrangement that is not shown, the DC breaker 107 is located on the inside of the electronics housing and is connected directly to the thermal contact surface of the electronics housing. The DC-DC converter 105 sits below the DC breaker 107 in the Z-direction and is indirectly thermally connected to the electronics housing and thus to the heat sink with the aid of the thermal connecting element 111 .

In 4 ist eine Oberseite des Elektronikgehäuses 101 mit dem ersten Kühlmittelpfad 113, wie durch Pfeile 114 angedeutet, dargestellt. Der erste Kühlmittelpfad 112 ist hier als sog. „U-Flow“ ausgeführt.In 4 an upper side of the electronics housing 101 with the first coolant path 113, as indicated by arrows 114, is shown. The first coolant path 112 is designed here as a so-called “U-flow”.

Die Kühlstruktur 117 auf einer Kühlmittelseite des ersten Kühlmittelpfads 113 kann entsprechend jeweiliger thermischer Anforderungen von in dem Elektronikgehäuse 101 zu kühlenden Elektronikbauteilen optimiert und unabhängig von der Zellkühlung eingestellt werden. Dazu werden Strömungselemente 119, wie bspw. Pin-Fin Strukturen insbesondere nur da eingesetzt, wo sie aufgrund von Temperaturerhöhungen der Elektronikbauteile notwendig sind. Die restlichen Bereiche des ersten Kühlmittelpfads 113 können strömungs- und druckverlustoptimiert ausgebildet werden, bspw. durch Strömungsleitrippen, etc. Es muss hier kein Kompromiss zwischen Zellkühlung und Kühlung der Leistungselektronik eingegangen werden, da das Elektronikgehäuse 101 und das Zellgehäuse 103 unabhängig voneinander optimiert werden können.The cooling structure 117 on a coolant side of the first coolant path 113 can be optimized according to the respective thermal requirements of electronic components to be cooled in the electronics housing 101 and can be adjusted independently of the cell cooling. For this purpose, flow elements 119 such as, for example, pin-fin structures are only used where they are necessary due to temperature increases in the electronic components. The remaining areas of the first coolant path 113 can be optimized in terms of flow and pressure loss, e.g. by flow guide ribs, etc. There is no need to compromise between cell cooling and cooling of the power electronics, since the electronics housing 101 and the cell housing 103 can be optimized independently of one another.

Ein Kühlmitteleintritt 121 und ein Kühlmittelaustritt 123 können als Teil des Elektronikgehäuses 101 oder als Teil des Zellgehäuses 103 realisiert sein. Der Kühlmitteleintritt 121 stellt dabei eine Schnittstelle zu einem Kühlsystem von bspw. einem Fahrzeug dar.A coolant inlet 121 and a coolant outlet 123 can be implemented as part of the electronics housing 101 or as part of the cell housing 103 . The coolant inlet 121 represents an interface to a cooling system of a vehicle, for example.

Der Kühlmittelaustritt 123 wird mit einem hier nicht dargestellten Verbindungselement, das Positionstoleranzen von Gehäusebohrungen ausgleichen kann, mit dem Gehäuse 100 verbunden.The coolant outlet 123 is connected to the housing 100 with a connecting element, not shown here, which can compensate for positional tolerances of housing bores.

In 5 ist eine Gehäuseunterseite des Elektronikgehäuses 101 mit einer thermischen Kontaktfläche 125 dargestellt. Auf diese Kontaktfläche 125 wird ein thermischer Koppler 133 in Form bspw. eines sog. „Gap-Fillers“ oder eines thermisch leitfähigen Klebers oder eines sog. „Gap-Pads“ aufgebracht und durch Verschrauben eines entsprechenden Elektronikbauteils mit dem Gehäuse 100 über Gehäusebohrungen 126 kontaktiert. Damit ergibt sich ein sehr kurzer thermischer Pfad vom Kühlmittel zum Elektronikbauteil mit minimierten thermischen Widerständen.In 5 an underside of the electronics housing 101 with a thermal contact surface 125 is shown. A thermal coupler 133 in the form of, for example, a so-called “gap filler” or a thermally conductive adhesive or a so-called “gap pad” is applied to this contact surface 125 and contacted by screwing a corresponding electronic component to the housing 100 via housing bores 126 . This results in a very short thermal path from the coolant to the electronic component with minimized thermal resistance.

Die in 4 dargestellte offene Gehäuseoberseite weist einen Schweißrand 127 auf. Der erste Kühlmittelpfad 113 wird mittels eines bspw. in 6 gezeigten Abdeckelements 129 und dem Schweißrand 127 verschlossen. Bei der Ausführung des Abdeckelements 129 sind mehrere Varianten denkbar.In the 4 shown open housing top has a welding edge 127. The first coolant path 113 is by means of an e.g 6 shown cover element 129 and the welding edge 127 closed. Several variants are conceivable in the design of the cover element 129 .

Bei einer ersten Variante wird ein in z-Richtung ebenes Blech als Abdeckelement 129 durch den Schweißrand 127 mit dem Gehäuse 100 stoffschlüssig verbunden.In a first variant, a metal sheet that is flat in the z-direction is materially bonded to the housing 100 as a cover element 129 by the welding edge 127 .

Bei einer zweiten Variante wird das Abdeckelement 129 mit Strömungsleit- und/oder Strömungsstörelementen ausgebildet, um einen Wärmeübergang von dem Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelfpad zu dem Abdeckelement 129 zu verbessern. Als Alternative kann das Abdeckelement auch als Druckgussbauteil ausgeführt werden.In a second variant, the cover element 129 is formed with flow-guiding and/or flow-disturbing elements in order to improve heat transfer from the coolant in the first coolant pad to the cover element 129 . As an alternative, the cover element can also be designed as a die-cast component.

Alternativ zur stoffschlüssigen Verbindung kann das Gehäuse 100 mit dem Abdeckelement 129 auch mittels eines hier nicht dargestellten Dichtelements abgedichtet werden.As an alternative to the integral connection, the housing 100 can also be sealed with the cover element 129 by means of a sealing element, not shown here.

In 7 ist die Gehäuseunterseite des Elektronikgehäuses 101 mit integriertem DC-DC-Wandler 105 dargestellt. Dabei wird eine Platine des DC-DC-Wandlers 105 mit einem „Gap-Filler“ oder mit einem „Gap-Pad“ oder mit thermisch leitfähigem Kleber an das Druckgussgehäuse und damit an den ersten Kühlmittelpfad 113 thermisch direkt gekoppelt. Die zu kühlenden Bereiche des DC-DC-Wandlers 105 werden durch den ersten Kühlmittelfpad 113 im Elektronikgehäuse 101 direkt unterströmt. Dadurch wird ein sehr kurzer thermischer Pfad erzeugt und eine effiziente Kühlung der Platine erreicht. Die Platine wird zur mechanischen Fixierung im Elektronikgehäuse 101 an ihren Verschraubungspunkten 131 mit dem Elektronikgehäuse 101 verbunden.In 7 the underside of the electronics housing 101 with an integrated DC-DC converter 105 is shown. In this case, a circuit board of the DC-DC converter 105 is directly thermally coupled to the die-cast housing and thus to the first coolant path 113 with a “gap filler” or with a “gap pad” or with thermally conductive adhesive. The first coolant pad 113 in the electronics housing 101 flows directly under the areas of the DC-DC converter 105 that are to be cooled. This creates a very short thermal path and achieves efficient cooling of the board. The circuit board is connected to the electronics housing 101 at its screwing points 131 for mechanical fixing in the electronics housing 101 .

In 8 ist die Gehäuseunterseite des Elektronikgehäuses 101 mit integriertem DC-Breaker 107 dargestellt. Das thermische Verbindungselement 111 wird vorzugsweise als Aluminiumbiegeteil ausgeführt.In 8th the underside of the electronics housing 101 with an integrated DC breaker 107 is shown. The thermal connection element 111 is preferably designed as a bent aluminum part.

Das Elektronikgehäuse 101 ist vorzugsweise als Aluminiumdruckgussbauteil ausgeführt. Die Ausführung beider Bauteile aus Aluminiumwerkstoffen hat zum einen den Vorteil, dass beide sich bei thermischer Belastung wegen des gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht gegeneinander verspannen und zum anderen über eine sehr gute thermische Leitfähigkeit verfügen. Dies ist vor allem für die Anbindung des DC-Breaker 107 wichtig, da dieser über einen langen thermischen Pfad angebunden ist.Electronics housing 101 is preferably designed as an aluminum die-cast component. The design of both components from aluminum materials has the advantage, on the one hand, that both do not warp against one another under thermal stress due to the same thermal expansion coefficient and, on the other hand, have very good thermal conductivity. This is particularly important for connecting the DC breaker 107, as this is connected via a long thermal path.

Es sind auch andere Werkstoffe für das thermische Verbindungselement 111 denkbar, wie bspw. eine Kupferlegierung, die über eine im Vergleich zu Aluminium höhere thermische Leitfähigkeit verfügt.Other materials are also conceivable for the thermal connecting element 111, such as a copper alloy, which has a higher thermal conductivity than aluminum.

Das thermische Verbindungselement 111 dient zum Verteilen einer thermischen Last durch die elektronischen Bauteile. Außerdem dient das thermische Verbindungselement 111 kurzzeitig als thermischer Puffer. Dies ist zum einen abhängig von einer Masse des thermischen Verbindungselements 111, zum anderen von einer Wärmekapazität des thermischen Verbindungselements 111.The thermal connector 111 serves to distribute a thermal load through the electronic components. In addition, the thermal connection element 111 briefly serves as a thermal buffer. On the one hand, this depends on a mass of the thermal connection element 111, on the other hand on a heat capacity of the thermal connection element 111.

Bei kurzen Strompulsen, die den DC-Breaker 107 beim Schalten thermisch belasten, führt die thermische Pufferung im thermischen Verbindungselement 111 zu geringeren Temperaturen an den elektronischen Bauteilen und hat damit direkten Einfluss auf eine Lebensdauer der elektronischen Bauteile im Elektronikgehäuse. Um diesen Effekt zu maximieren, kann der DC-Breaker 107 über eine möglichst große Fläche an das thermische Verbindungselement 111 angebunden sein.In the case of short current pulses that thermally load the DC breaker 107 when switching, the thermal buffering in the thermal connecting element 111 leads to lower temperatures on the electronic components and thus has a direct influence on the service life of the electronic components in the electronics housing. In order to maximize this effect, the DC breaker 107 can be connected to the thermal connecting element 111 over as large an area as possible.

Je nach thermischen Anforderungen seitens des DC-Breakers 107 kann eine Anzahl und Größe von Kopplern 133, wie bspw. Laschen am thermischen Verbindungselement 111 variiert werden. Die Laschen können optional an allen vier Seiten des Wärmeleitbleches ausgeführt werden.Depending on the thermal requirements on the part of the DC breaker 107, the number and size of couplers 133, such as tabs on the thermal connecting element 111, can be varied. The tabs can optionally be made on all four sides of the heat conducting sheet.

Das thermische Verbindungselement 111 ist mechanisch mittels umlaufenden Verschraubungen 136 an das Elektronikgehäuse 101 angebunden. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse 100 zusätzlich versteift wird und im Falle eines Unfalls eines entsprechenden Fahrzeugs, eine zusätzliche Lastebene ausbildet.The thermal connection element 111 is mechanically connected to the electronics housing 101 by means of circumferential screw connections 136 . This has the advantage that the housing 100 is additionally stiffened and forms an additional load level in the event of an accident involving a corresponding vehicle.

Außerdem wird so eine mechanisch zuverlässige Verbindung zwischen dem Gehäuse 100 und dem thermischen Verbindungselement 111 generiert.In addition, a mechanically reliable connection between the housing 100 and the thermal connection element 111 is generated in this way.

Das thermische Verbindungselement 111 kann optional noch mit Versteifungselementen bestückt sein, um dessen Steifigkeit weiter zu erhöhen und dessen Unfallsicherheit weiter zu steigern. Zusätzlich kann eine Dicke des thermischen Verbindungselements 111 maximiert werden, was zum einen dessen Wärmeleitfähigkeit und zum anderen dessen Steifigkeit verbessert.The thermal connection element 111 can optionally also be fitted with stiffening elements in order to further increase its rigidity and to further increase its safety in the event of an accident. In addition, a thickness of the thermal connection element 111 can be maximized, which on the one hand improves its thermal conductivity and on the other hand its rigidity.

Die thermische Anbindung des thermischen Verbindungselements 111 an das Elektronikgehäuse 101 und damit an den Kühlmittelpfad 113 erfolgt über Koppler 133 des thermischen Verbindungselements 111. Diese greifen in entsprechende Gegenkoppler 135 im Elektronikgehäuse 101 ein. Die thermische Kontaktierung der Koppler 133 des thermischen Verbindungselements 111 und der Gegenkoppler 135 des Elektronikgehäuses 101 erfolgt vorzugsweise über einen thermisch leitfähigen Kleber oder eine thermisch leitfähige Vergussmasse. Zusätzlich oder alternativ sind „Gap-Filler“ oder „Gap-Pads“ denkbar, wenn die mechanische Fixierung durch die Verschraubung dargestellt wird. Entsprechend können hier Wärmeleitmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, da die mechanische Anbindung über die Verschraubung realisiert wird.The thermal connection of the thermal connection element 111 to the electronics housing 101 and thus to the coolant path 113 takes place via couplers 133 of the thermal connection element 111. These engage in corresponding counter-couplers 135 in the electronics housing 101. The thermal The coupler 133 of the thermal connection element 111 and the counter-coupler 135 of the electronics housing 101 are preferably contacted via a thermally conductive adhesive or a thermally conductive casting compound. Additionally or alternatively, "gap fillers" or "gap pads" are conceivable if the mechanical fixation is represented by the screw connection. Correspondingly, thermally conductive materials with high thermal conductivity can be used here, since the mechanical connection is realized via the screw connection.

Die thermische Anbindung des DC-Breakers 107 an das thermische Verbindungselement 111 erfolgt vorzugsweise über einen thermischen Koppler, wie bspw. einen Gap-Filler oder ein Gap-Pad. Auch ist eine Anbindung mittels thermisch leitfähigem Kleber denkbar.The thermal connection of the DC breaker 107 to the thermal connection element 111 preferably takes place via a thermal coupler, such as a gap filler or a gap pad. A connection by means of a thermally conductive adhesive is also conceivable.

Die mechanische Anbindung der Platine des DC-Breakers 107 an das thermische Verbindungselement 111 kann mittels Verschraubung 138 erfolgen, sodass ein entsprechender Koppler nur die thermische Anbindung übernehmen muss. Entsprechend können hier Wärmeleitmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, da die mechanische Anbindung über die Verschraubung realisiert wird.The circuit board of the DC breaker 107 can be mechanically connected to the thermal connection element 111 by means of a screw connection 138, so that a corresponding coupler only has to take over the thermal connection. Correspondingly, thermally conductive materials with high thermal conductivity can be used here, since the mechanical connection is realized via the screw connection.

In 9 ist ein thermischer Pfad für eine Entwärmung des DC-DC-Wandlers 105 durch Pfeile 137 dargestellt. Der thermische Pfad von der Platine des DC-DC-Wandlers 105 zur Wärmesenke ist sehr kurz. Die Wärme gelangt von einer Platine des DC-DC-Wandlers 105 über einen thermischen Koppler 133 durch eine Gehäusewand in den ersten Kühlmittelpfad 113 und damit in das darin strömende Kühlmittel.In 9 a thermal path for cooling the DC-DC converter 105 is represented by arrows 137 . The thermal path from the DC-DC converter 105 board to the heat sink is very short. The heat passes from a circuit board of the DC-DC converter 105 via a thermal coupler 133 through a housing wall into the first coolant path 113 and thus into the coolant flowing therein.

Der thermische Pfad des DC-Breakers 107 ist wie folgt aufgebaut: Die Wärme gelangt von einer Platine 122 des DC-Breakers 107 über einen weiteren thermischen Koppler 133 zwischen Platine und thermischem Verbindungselement 111 in das thermische Verbindungselement 111. Danach gelangt die Wärme durch thermischen Koppler 133 am thermischen Verbindungselement 111 und weitere thermische Koppler 133 und Gegenkoppler 135 am Elektronikgehäuse 101 durch dessen Gehäusewand in den ersten Kühlmittelpfad 113 und damit in das darin strömende Kühlmittel, wie durch Pfeile 140 angedeutet.The thermal path of the DC breaker 107 is structured as follows: The heat passes from a board 122 of the DC breaker 107 via a further thermal coupler 133 between the board and the thermal connecting element 111 into the thermal connecting element 111. The heat then passes through the thermal coupler 133 on the thermal connecting element 111 and further thermal couplers 133 and counter-couplers 135 on the electronics housing 101 through its housing wall into the first coolant path 113 and thus into the coolant flowing therein, as indicated by arrows 140 .

Das Abdeckelement 129 gibt die Wärme zumindest tlw. an die Umgebung ab.The cover element 129 at least partially gives off the heat to the environment.

Das Verbindungselement 111 ist über Verschraubungen 142 an dem Elektronikgehäuse 101 angeordnet.The connecting element 111 is arranged on the electronics housing 101 via screw connections 142 .

In 10 und 11 ist eine Gehäuseoberseite des Zellgehäuses 103 mit thermischen Kontaktflächen 139 dargestellt. Ein Kühlmitteleintritt 141 und ein Kühlmittelaustritt 143 sind im Zellgehäuse 103 ausgebildet. Der Kühlmitteleintritt 141 stellt hier eine Schnittstelle zum Elektronikgehäuse 101 dar. Der Kühlmittelaustritt 143 stellt eine Schnittstelle zu einem Kühlsystem von bspw. einem Fahrzeug dar.In 10 and 11 a housing top side of the cell housing 103 with thermal contact surfaces 139 is shown. A coolant inlet 141 and a coolant outlet 143 are formed in the cell housing 103 . The coolant inlet 141 represents an interface to the electronics housing 101 here. The coolant outlet 143 represents an interface to a cooling system of a vehicle, for example.

In 12 und 13 ist eine Unterseite des Zellgehäuses 103 mit dem zweiten Kühlmittelpfad 115, wie durch Pfeile 153 angedeutet, und optionalen Kühlstrukturen in Form von Strömungselementen 145 dargestellt. Über einen Schweißrand 155 wird das Zellgehäuse mit einem Abdeckelement kühlmitteldicht versiegelt.In 12 and 13 An underside of the cell housing 103 is shown with the second coolant path 115, as indicated by arrows 153, and optional cooling structures in the form of flow elements 145. The cell housing is sealed coolant-tight with a cover element via a welding edge 155 .

Der Aufbau des thermischen Pfades 115 des Zellgehäuses 103 ist in 14 in Kombination mit Peltierelementen 157 dargestellt. Dazu wird auf Podeste des Zellgehäuses 103 ein thermischer Koppler 133 aufgetragen. Die Peltierelemente 157 werden mithilfe eines thermisch leitfähigen Klebers 163 an eine Wärmeverteilerplatte 159 geklebt. Die Wärmeverteilerplatte 159 mit den Peltierelementen 157 wird mit dem Zellgehäuse 103 verschraubt. Die Schichtdicke des Gap-Fillers wird durch die Verschraubung auf ein definiertes Maß eingestellt. Ein Batteriezellstapel 161 wird mittels eines thermisch leitfähigen Klebers auf die Wärmeverteilerplatte 159 geklebt.The structure of the thermal path 115 of the cell housing 103 is shown in 14 shown in combination with Peltier elements 157. For this purpose, a thermal coupler 133 is applied to pedestals of the cell housing 103 . The Peltier elements 157 are bonded to a heat spreader plate 159 using a thermally conductive adhesive 163 . The heat distribution plate 159 with the Peltier elements 157 is screwed to the cell housing 103 . The layer thickness of the gap filler is set to a defined level by screwing. A battery cell stack 161 is bonded to the heat spreader plate 159 using a thermally conductive adhesive.

Der Aufbau des thermischen Pfades ist in 15 ohne Peltierelemente 157 dargestellt. Dazu wird auf einen Boden des Zellgehäuses 103 und/oder auf jeweilige Batteriezellen des Batteriezellstapels 161 ein thermisch leitfähiger Kleber 163 aufgetragen. Die Schichtdicke des Klebers 163 wird dadurch auf ein definiertes Maß eingestellt. Die Batteriezellen werden mittels des thermisch leitfähigen Klebers 163 auf den Boden des Zellgehäuses 103 geklebt. Alternativ sind Verbindungen mit „Gap-Filler“ oder „Gap-Pad“ möglich, abhängig vom Zellverspannkonzept.The structure of the thermal path is in 15 shown without Peltier elements 157. For this purpose, a thermally conductive adhesive 163 is applied to a bottom of the cell housing 103 and/or to the respective battery cells of the battery cell stack 161 . The layer thickness of the adhesive 163 is thus set to a defined level. The battery cells are glued to the bottom of the cell housing 103 using the thermally conductive adhesive 163 . Alternatively, connections with "gap filler" or "gap pad" are possible, depending on the cell bracing concept.

Der zweite Kühlmittelpfad 115 ist als sog. „U-Flow“ ausgeführt und kann Kühlstrukturen auf der Kühlmittelseite aufweisen, die entsprechend jeweiliger thermischen Anforderungen von zu kühlenden Batteriezellen optimiert und unabhängig von der Kühlung jeweiliger Elektronikbauteile in dem Elektronikgehäuse 101 eingestellt werden können.The second coolant path 115 is designed as a so-called “U-flow” and can have cooling structures on the coolant side, which can be optimized according to the respective thermal requirements of battery cells to be cooled and set independently of the cooling of the respective electronic components in the electronics housing 101 .

Dazu werden Strömungselemente, wie bspw. Pin-Fin Strukturen, d.h. Verwirbelungselemente, nur da eingesetzt wo sie aufgrund der geforderten Temperaturen der Batteriezellen notwendig sind. Die restlichen Bereiche können strömungs- und druckverlustoptimiert ausgebildet werden, bspw. durch Strömungsleitrippen, etc. Es muss hier kein Kompromiss zwischen Zellkühlung und Kühlung der Leistungselektronik eingegangen werden, da beide Bereiche unabhängig voneinander optimiert werden können. Das Zellgehäuse 103 kann einen optionalen Schweißrand umfassen, mittels dessen ein Abdeckelement 169 an dem Zellgehäuse 103 kühlmitteldicht angeordnet wird. Durch diese Ausführung wird sichergestellt, dass bei einer Leckage des Kühlsystems kein Kühlmedium in einen Innenraum des Zellgehäuses 103 gelangen kann.For this purpose, flow elements such as pin-fin structures, ie turbulence elements, are only used where they are necessary due to the required temperatures of the battery cells. The remaining areas can be optimized in terms of flow and pressure loss, e.g between cell cooling and cooling of the power electronics must be taken into account, since both areas can be optimized independently of each other. The cell housing 103 can include an optional welding edge, by means of which a cover element 169 is arranged on the cell housing 103 in a coolant-tight manner. This design ensures that no cooling medium can get into an interior of the cell housing 103 in the event of a leak in the cooling system.

Alternativ kann sich auch ein Dichtungselement zwischen Abdeckelement 169 und dem Zellgehäuse 103 befinden.Alternatively, there can also be a sealing element between the cover element 169 and the cell housing 103 .

Das Abdeckelement 169 kann alternativ auch ein Druckgussbauteil sein.Alternatively, the cover element 169 can also be a die-cast component.

Das Abdeckelement 169 kann alternativ auch ein Kunststoffbauteil sein.Alternatively, the cover element 169 can also be a plastic component.

Das Abdeckelement 169 kann außerdem Strömungsleitkonturen, Strömungsstörkonturen, Konturen zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche, sowie Strukturen 151 zur Versteifung zur Vermeidung der Ausbeulung durch die Innendruckbelastung und/oder Kombinationen integriert werden, wie in 16, 17, 18 und 19 beispielhaft dargestellt. Dabei können die Strukturen 151 sowohl direkt im Abdeckelement 169 integriert sein, als auch in Form eines separaten Bauteils durch Fügen an dem Abdeckelement 169 angeordnet sein.The cover element 169 can also be integrated with flow guide contours, flow disturbance contours, contours to increase the heat-transferring surface, and structures 151 for stiffening to avoid bulging due to the internal pressure load and/or combinations, as in 16 , 17 , 18 and 19 shown as an example. The structures 151 can either be integrated directly in the cover element 169 or arranged in the form of a separate component by joining to the cover element 169 .

In 20 ist ein Batteriesystem 200 mit einer Batterie 201 und dem Gehäuse 100 dargestellt.In 20 a battery system 200 with a battery 201 and the housing 100 is shown.

Claims

Housing (100) for accommodating battery cells and electronic components (105, 107, 109), the housing (100) comprising: - An electronics housing (101) for accommodating the electronic components (105, 107, 109), - a cell housing (103) for accommodating the battery cells, - a first coolant path (113) which is thermally coupled to the electronics housing (101), - A second coolant path (115) which is thermally coupled to the cell housing (103).

Housing (100) according to claim 1 , characterized in that the first coolant path (113) is formed in the direction of gravity above a space for accommodating the electronic components (105, 107, 109) and is shielded from an environment by means of a first cover element (129), the first cover element (129) has a thermal buffer effect and the second coolant path (115) is formed in the direction of gravity below a space for accommodating the battery cells and is shielded from an environment by a second cover member (169), the second cover member (169) having a thermal buffer effect.

Housing (100) according to claim 2 , characterized in that the first cover element (129) and/or the second cover element (169) are designed as an integral part of the housing (100), or the first cover element (129) and/or the second cover element (169) are directly integrally bonded are connected to the housing (100), or the first cover element (129) and/or the second cover element (169) indirectly via a seal arranged between the housing (100) and the respective cover element (129, 169) with the housing (100) are connected.

Housing (100) according to claim 2 or 3 , characterized in that the first cover element (129) and/or the second cover element (169) has a number of stiffening elements for maximizing mechanical stability of the respective cover element and/or a number of flow elements for swirling coolant and for maximizing a surface area of the respective cover element ( 129, 169).

Housing (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the electronics housing (101) comprises a number of thermal contact surfaces for the direct connection of a first electronic component (105, 107, 109) to the first coolant path (113), and the electronics housing ( 101) comprises a thermally conductive connecting element (111) for indirectly connecting a second electronic component (105, 107, 109) to the first coolant path (113).

Housing (100) according to claim 5 , characterized in that flow elements are arranged in the first coolant path (113) in the area of thermal contact surfaces, which swirl a coolant flowing in the first coolant path (113) and maximize a surface of the first heat conducting path (113) in order to transfer thermal energy from the to maximize thermal contact areas with the coolant.

Housing (100) according to claim 5 or 6 , characterized in that the connecting element (111) comprises a number of couplers for mechanical and/or thermal coupling to the housing (100), and/or the connecting element (111) comprises a number of stiffening elements.

Housing (100) according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the connecting element (111) comprises a number of Peltier elements.

Housing (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (100) comprises at least one adjusting element for setting a first volumetric flow flowing through the first coolant path (113) and for setting a volumetric flow flowing through the second coolant path (115).

Housing (100) according to claim 9 , characterized in that the at least one actuating element comprises a valve and/or a pump.

Housing (100) according to claim 9 or 10 , characterized in that the actuating element is configured to the first coolant path (113) and the second coolant path (115) flow sequentially or in parallel with coolant.

Battery system (200) with a battery (201) and a housing (100) according to one of Claims 1 until 11 .