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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Gehäuse, innerhalb dessen eine Batteriezelle angeordnet ist. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriemodul und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie.
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In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batterien, die meist in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Jede der Batterien wiederum umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die auch als galvanisches Element bezeichnet werden. Diese weisen jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. In einer Alternative ist die Batterie als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor. Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batterie bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger, der auch als Ableiter bezeichnet wird, aufgebrachten Schicht ist. Hierbei ist es möglich, dass in der Schicht bereits der Elektrolyt vorhanden ist, oder dieser wird nachträglich eingebracht. Zumindest jedoch ist das Aktivmaterial zur Aufnahme der Arbeitsionen, z.B. Lithium-Ionen, geeignet. Je nach Verwendung als Anode oder Kathode wird ein anderes Material für den Träger und eine unterschiedliche Art des Materials der Schicht verwendet.
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Zum Schutz der Batteriezellen sind diese üblicherweise in einem Gehäuse der Batterie angeordnet, der auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Gehäuses zudem der Elektrolyt vor Umwelteinflüssen geschützt. Damit mittels der Batterie eine vergleichsweise gro-ße Kapazität bereitgestellt ist, sind üblicherweise mehrere derartige Batteriezellen, üblicherweise mehr als 80 Stück und beispielsweise zwischen 84 Stück und 108 Stück, in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Um den vorhandenen Platz vergleichsweise effizient auszunutzen und eine Fertigung zu vereinfachen, sind die einzelnen Bestandteile der jeweiligen Batteriezellen flächig ausgestaltet und in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt. Die einzelnen Batteriezellen sind dabei in der Stapelrichtung übereinander gestapelt, sodass ein im Wesentlichen quaderförmiger Zellstapel gebildet ist.
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In einer Alternative hängen die einzelnen Elektroden und/oder die einzelnen Separatoren aneinander und sind mittels eines jeweiligen Bandes erstellt. Das Band sowie die daran befestigten weiteren Bestandteile der Batterie, wie die verbleibenden Elektroden, sind zu einem Wickel aufgerollt, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Bei dieser Variante ist eine mechanische Stabilität erhöht, wobei jedoch etwaigen Eckbereiche des Gehäuses aufgrund der gerundeten Ausgestaltung des Winkels nicht befüllt sind.
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Bei der Entnahme sowie dem Einspeisen von elektrischer Energie in die jeweilige Batterie entstehen thermische Verluste, die zu einer beschleunigten Alterung der Materialien der Elektroden führen können. Zum Verhindern hiervon werden die Gehäuse der Batterien üblicherweise mit einem Kühlmedium umspült, das mittels entsprechender Leitungen des Batteriemoduls geführt wird. Infolgedessen ist es jedoch erforderlich, zwischen den Gehäusen der Batterien jeweils einen Spalt vorzusehen, sodass die Baugröße des Batteriemoduls vergrößert und somit die Energiedichte verringert ist. Auch ist es bekannt, an die Gehäuse außenseitig Kühlrippen an zu formen, sodass die Oberfläche der Gehäuse vergrößert ist, weswegen ein Wärmeabtransport von den Gehäusen verbessert ist. Aufgrund der Kühlrippen ist jedoch ebenfalls eine Baugröße der Batterien und somit auch des Batteriemoduls vergrößert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batterie sowie ein besonders geeignetes Batteriemodul als auch ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batterie anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Energiedichte erhöht und/oder eine Alterung verringert ist.
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Hinsichtlich der Batterie wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs, hinsichtlich des Batteriemoduls durch die Merkmale des Anspruchs 7 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorzugsweise ist die Batterie im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batterie geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batterie beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batterien aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batterien auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Batterien sind insbesondere in einem Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespeicher/Batteriemodul anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Batterien bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batterien dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht. Zusammenfassend weist jedes Batteriemodul bzw. der Energiespeicher mehrere der Batterien auf, wobei es jedoch auch möglich ist, dass das Batteriemodul bzw. der Energiespeicher mittels lediglich einer einzigen Batterie gebildet ist.
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Das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren, Tiefzugverfahren, Gießpressen oder Strangpressen verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls eine Schnittstelle eingebracht, die einen Anschluss des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Batterien kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Batterien von außerhalb des Energiespeichers möglich ist, sofern an den Anschluss ein entsprechender Stecker gesteckt ist.
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Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, geeigneterweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs angetrieben sind. Insbesondere ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
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Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.
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In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batterie im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.
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Die Batterie weist eine Batteriezelle auf, die geeigneterweise eine Anode und eine Kathode umfasst, die insbesondere die Elektroden der Batterie bilden. Zweckmäßigerweise ist zwischen der Anode und der Kathode ein Separator angeordnet. Die Elektroden umfassen vorzugsweise einen metallischen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet ist. Dieser ist aus einem Metall gefertigt und mit einem Aktivmaterial versehen. Das Aktivmaterial dient zur Aufnahme von Arbeitsionen, wie Lithium-Ionen, und ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Als Aktivmaterial wird für die Kathode beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA oder LFP, und für die Anode GIC, LTO oder Graphit, Si-basiert, verwendet. Insbesondere ist das Aktivmaterial ein Bestandteil einer jeweiligen Schicht, die auf den jeweiligen Ableiter aufgetragen ist. Die Schicht umfasst dabei zweckmäßigerweise ein Leitadditiv, wie Leitruß, und beispielsweise einen Binder. Als Metall des Ableiters der Kathode wird beispielsweise Aluminium und als Metall des Ableiter der Anode Kupfer verwendet. Insbesondere sind die Ableiter folienförmig ausgestaltet und weisen zweckmäßigerweise eine Dicke unter 0,1 mm auf. Insbesondere ist die Batteriezelle mittels der Anode, der Kathode sowie des Separators gebildet. Zum Beispiel sind mehrere derartige Batteriezellen zu einem Stapel aufeinandergestapelt, wobei zwischen den einzelnen Batteriezellen jeweils ein Separator angeordnet ist. Alternativ hierzu sind beispielsweise die Separatoren oder zumindest ein Teil der etwaigen Ableiter mittels eines durchgängigen Bandes erstellt, das somit mit unterschiedlichen Batteriezellen zugeordnet sind. Zweckmäßigerweise ist das Band und somit auch die Batteriezellen zu einem Winkel gewickelt, sodass die Batterie eine gewickelte Ausführung aufweist.
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Die Batterie umfasst ferner ein Gehäuse, das insbesondere auch als Batteriegehäuse oder Zellgehäuse bezeichnet ist. Mittels des Gehäuses ist die Batteriezelle umgeben, die somit innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist das Gehäuse fluiddicht verschlossen und insbesondere im Montagezustand mit einem Elektrolyten befüllt.
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In das Gehäuse sind zwei Anschlüsse eingebracht, die sich insbesondere auf der gleichen Seite des Gehäuses befinden und durch diese ragen. Die Anschlüsse sind elektrisch leitfähig ausgestaltet und beispielsweise mittels eines Kupferstabs oder eines Kupferdrahts gebildet. Vorzugsweise sind die beiden Anschlüsse elektrisch gegen das Gehäuse isoliert. Die beiden Anschlüsse sind elektrischen mit der Batteriezelle kontaktiert, wobei zum Beispiel einer der Anschlüsse elektrisch mit der bzw. sämtlichen Anode und der andere mit der Kathode bzw. sämtlichen Kathoden elektrisch kontaktiert ist. Alternativ hierzu sind die einzelnen Anoden/Kathoden in einer bestimmten Weise miteinander elektrisch kontaktiert, wobei jeder Anschlüsse mit jeweils einem der Enden der Verschaltung elektrisch kontaktiert ist. Somit liegt, wenn die Batterie geladen ist, an den Anschlüssen eine bestimmte elektrische Spannung an, und über die Anschlüsse ist es insbesondere möglich, elektrische Energie in die Batterie einzuspeisen. Hierfür ist die Batterie insbesondere wiederaufladbar ausgestaltet, und es handelt sich somit um eine sogenannte Sekundärbatterie.
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In das Gehäuse, insbesondere eine Wand des Gehäuses, ist außenseitig, also von der der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite, ein außenseitig offener Kühlkanal eingebracht, der dem Führen eines Kühlfluids dient. Hierfür ist der Kühlkanal geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal somit mittels des Gehäuses gebildet. Als Kühlfluid wird bei Betrieb beispielsweise ein Gas oder besonders bevorzugt eine Flüssigkeit verwendet. Insbesondere wird als Flüssigkeit Wasser herangezogen, weswegen eine Umwelt- oder Gesundheitsgefährdung ausgeschlossen ist. Alternativ hierzu wird als Kühlfluid ein Glykol, ein Wasser/Glykol-Gemisch, ein Öl oder eine perfluorierte Flüssigkeit verwendet.
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Beispielsweise ist der Kühlkanal geradlinig oder schlangen- oder mäanderförmig. Alternativ oder in Kombination hierzu ist der Kühlkanal zumindest abschnittsweise dreiecksförmig und/oder abschnittsweise dreiecks- bzw. zickzackförmig ausgestaltet. In einer weiteren Alternative umfasst der Kühlkanal beispielsweise mehrere zueinander fluidtechnisch parallel geschaltete Abschnitte.
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Der Kühlkanal ist zweckmäßigerweise über dessen vollständigen Verlauf außenseitig offen und somit insbesondere nach Art einer Kerbe oder eines Spalts ausgestaltet. Besonders bevorzugt weist der Kühlkanal zwei Enden auf, wobei eines hiervon einen Zulauf und das andere einen Ablauf bildet, über die das Kühlfluid in den Kühlkanal eingeleitet bzw. aus diesem ausgeleitet werden kann. Zum Beispiel ist hierbei der Zulauf und/oder Ablauf bündig mit dem Gehäuse. Alternativ steht der Zulauf und/oder Ablauf über das Gehäuse außenseitig über, sodass ein Anschluss von etwaigen Leitungen vereinfacht ist. Besonders bevorzugt ist im Bereich des Zulaufs/ Ablaufs jeweils ein O-Ring vorgesehen, der zweckmäßigerweise aus einem Gummi oder einem Kautschuk erstellt ist. Auf diese Weise ist eine Dichtigkeit erhöht.
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Da der Kühlkanal außenseitig offen ist, ist einerseits ein Herstellen vereinfacht. So ist es insbesondere möglich, den Kühlkanal nach Erstellen des Gehäuses in dieses einzubringen, beispielsweise mittels Fräsens, Schmiedens oder Laserns. Alternativ hierzu wird das Gehäuse bereits mit dem offenen Kühlkanal gefertigt, wobei eine zur Erstellung verwendete etwaige Form eine entsprechende Kontur zur Formung des Kühlkanals aufweist. Beispielsweise ist das Gehäuse aus einem Metall, wie einem Aluminium oder einem Stahl erstellt. In diesem Fall erfolgt das Erstellen des Gehäuses zweckmäßigerweise mittels Fließpressens oder Tiefziehens. In einer weiteren Alternative hierzu ist das Gehäuse zum Beispiel aus einem Kunststoff gefertigt, wobei zum Erstellen insbesondere einem Kunststoffspritzgussverfahren verwendet wird. Insbesondere weist hierbei das Gehäuse einen metallischen Diffusionsschutz auf, der auf den Kunststoff appliziert ist.
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Die Batterie umfasst ferner eine Polymerfolie, die außenseitig an dem Gehäuse befestigt ist. Zum Beispiel weist die Polymerfolie eine auf der dem Gehäuse zugewandten Seite angeordnete Klebeschicht auf, mittels derer die Polymerfolie an dem Gehäuse befestigt ist. Alternativ hierzu erfolgt zumindest teilweise an Stoffschluss zwischen der Polymerfolie und dem Gehäuse, wobei der Stoffschluss zum Beispiel mittels zumindest partiellen Erwärmens erstellt wird. In einer weiteren Alternative wird die Folie mittels Beschichtens des Gehäuses mit dem Polymer erstellt, das hierbei vorzugsweise zumindest teilweise filmförmig ist. Zusammenfassend dient die Polymerfolie somit als Polymerfilm und weist insbesondere eine Dicke geringer als 0,1 mm auf.
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Mittels der Polymerfolie ist der Kühlkanal zumindest teilweise abgedeckt. Insbesondere ist der Kühlkanal mit Ausnahme des etwaigen Zulaufs und des etwaigen Ablaufs vollständig mit der Polymerfolie bedeckt. Mittels der Polymerfolie wird somit ein Austritt des Kühlfluids aus dem Kühlkanal zumindest teilweise unterbunden. Bevorzugt wird zur Fertigung zunächst der vollständige Kühlkanal mit der Polymerfolie abgedeckt, und erst bei Montage Zulaufs und/oder Ablaufs bzw. entsprechender Bauteile, die dem Einführen und Abführen des Kühlfluid in den Kühlkanal dienen, wird die Polymerfolie zumindest teilweise durchstochen. Somit wird mittels der Polymerfolie sichergestellt, dass das Kühlfluid innerhalb des Kühlkanals geführt wird. Als Polymer, also als das Material der Polymerfolie, wird insbesondere ein Polyimid verwendet. Auf diese Weise ist eine Robustheit der Batterie erhöht. Auch bleibt bei einer etwaigen Überhitzung der Batterie zumindest teilweise eine mechanische Integrität der Batterie erhalten.
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Mittels des Kühlfluids wird bei Betrieb thermische Energie von den Teilen des Gehäuses, in die der Kühlkanal eingebracht ist, abtransportiert. Folglich wird eine Alterung der Batterie bei Betrieb verringert. Da der Kühlkanal in das Gehäuse eingebracht ist, ist kein zusätzlicher Bauraum erforderlich. Aufgrund des Kühlkanals ist eine Dicke des Gehäuses reduziert im Bereich des Kühlkanals, sodass auch ein Gewicht verringert ist. Folglich ist eine Energiedichte erhöht. Da der Kühlkanal außenseitig in das Gehäuse eingebracht ist und nachfolgend mittels des Polymerfolie verschlossen ist, ist eine Fertigung vereinfacht. Zudem dient die Polymerfolie der elektrischen Isolierung des Gehäuses gegenüber weiteren Bauteilen, sodass ein elektrischer Kurzschluss oder eine sonstige ungewünschte Reaktion, beispielsweise eine chemische Reaktion des innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektrolyten oder des Gehäuses mit der Umgebung, unterbunden ist.
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Beispielsweise umfasst die Batterie lediglich den einzigen Kühlkanal. Besonders bevorzugt jedoch umfasst die Batterie einen weiteren Kühlkanal, der im Wesentlichen baugleich oder zumindest ähnlich zu dem Kühlkanal ist, der jedoch in einen anderen Teil des Gehäuses eingebracht ist. Zumindest ist der weitere Kühlkanal außenseitig in das Gehäuse eingebracht sowie außenseitig offen. Zudem ist der mittels des Gehäuses gebildete weitere Kühlkanal mit der Polymerfolie oder einer weiteren Polymerfolie zumindest teilweise abgedeckt, die an dem Gehäuse befestigt ist. Insbesondere ist der weitere Kühlkanal fluidtechnisch zu dem Kühlkanal getrennt und im Montagezustand beispielsweise fluidtechnisch parallel zu diesem geschaltet. Aufgrund des weiteren Kühlkanals ist eine Kühlwirkung verbessert.
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Beispielsweise ist das Gehäuse lediglich im Bereich des Kühlkanals mit der Polymerfolie versehen. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse flächig, geeigneterweise vollständig, mit der Polymerfolie umgeben, wobei als Ausnahme insbesondere lediglich die Anschlüsse frei verbleiben. Folglich dient die Polymerfolie der Versiegelung des Gehäuses und bildet somit einen Polymerfilm. Auf diese Weise ist eine Robustheit der Batterie erhöht und insbesondere eine chemische Reaktion des Gehäuses mit der Umgebung verhindert. Zudem erfolgt im Wesentlichen eine vollständige elektrische Isolierung des Gehäuses, weswegen ein Einbau und/oder eine Montage der Batterie vereinfacht ist. Alternativ hierzu ist das Gehäuse beispielsweise an einer Seite nicht mit der Polymerfolie versehen, sodass dort auch weiterhin eine direkte mechanische und/oder elektrische Kontaktierung des Gehäuses ermöglicht ist.
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Besonders bevorzugt weist das Gehäuse eine erste Gehäusehälfte und eine daran befestigte zweite Gehäusehälfte auf. Auf diese Weise ist ein Einführen der Batteriezelle in das Gehäuse vereinfacht. Besonders bevorzugt sind die beiden Gehäusehälfte miteinander mechanisch verbunden, beispielsweise lösbar oder besonders bevorzugt unlösbar. Insbesondere sind die beiden Gehäusehälfte stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise mittels Schweißens oder Verschmelzens. Auf diese Weise ist ein Austritt einer Flüssigkeit aus dem Gehäuse, insbesondere des etwaigen Elektrolyten, und/oder ein Eindringen von Fremdpartikeln in das Gehäuse sicher verhindert. Zum Beispiel ist die erste Gehäusehälfte nach Art einer Schale oder eines Bechers und/oder die zweite Gehäusehälfte nach Art eines Deckels geformt oder jeweils umgekehrt. Bevorzugt ist das Gehäuse mittels der beiden Gehäusehälften gebildet. Alternativ umfasst das Gehäuse eine oder mehrere weitere Gehäusehälften, die jeweils aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist der Kühlkanal über die beiden Gehäusehälften geführt. Sofern mehr Gehäusehälften vorhanden sind, ist der Kühlkanal zum Beispiel über sämtliche oder zumindest einige der Gehäusehälften geführt. Besonders bevorzugt jedoch ist der Kühlkanal lediglich in die erste Gehäusehälfte eingebracht. Auf diese Weise kann bei dem Fügen der beiden Gehäusehälften aneinander der Kühlkanal nicht beschädigt werden. Somit ist eine Fertigung vereinfacht und ein Ausschuss reduziert.
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Beispielsweise ist die zweite Gehäusehälfte frei von derartigen Kühlkanälen. Besonders bevorzugt jedoch weist die Batterie einen außenseitig offenen zweiten Kühlkanal auf, der lediglich in die zweite Gehäusehälfte eingebracht ist, nämlich deren Außenseite. Somit sind die beiden Kühlkanäle fluidtechnisch zueinander getrennt, und der zweite Kühlkanal weist somit ebenfalls einen Zulauf und einen Ablauf auf. Insbesondere ist der zweite Kühlkanal entsprechend des Kühlkanals ausgestalteten und weist insbesondere den gleichen Querschnitt und/oder Tiefe auf.
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Zweckmäßigerweise ist der zweite Kühlkanal schlaufen-, mäander- oder schlangenförmig ausgestaltet und/oder umfasst zumindest abschnittsweise eine Zickzackform. Beispielsweise bildet der etwaige weitere Kühlkanal den zweiten Kühlkanal. Der zweite Kühlkanal ist mittels einer zweiten Polymerfolie zumindest teilweise abgedeckt, die an dem Gehäuse befestigt ist. Beispielsweise ist die zweite Polymerfolie separat zu der Polymerfolie und insbesondere aus einem hiervon abweichenden Material gefertigt. Alternativ hierzu ist zweite Polymerfolie aus dem gleichen Material wie die Polymerfolie erstellt, was eine Lagerhaltung vereinfacht. Besonders bevorzugt sind die beiden Polymerfolien miteinander einstückig, sodass eine Montage dieser in einem Arbeitsschritt erfolgt. Mit anderen Worten sind die beiden Polymerfolien aneinander angeformt und aus einem einzigen gemeinsamen Stück erstellt.
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Beispielsweise ist das Gehäuse zumindest teilweise flexibel ausgestaltet und insbesondere mittels einer Folie erstellt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Batterie geeigneterweise um eine sogenannte Pouch-Zelle. Besonders bevorzugt jedoch ist das Gehäuse starr. Zum Beispiel ist das Gehäuse zylinderförmig ausgestaltet, wobei das Gehäuse insbesondere zumindest teilweise aus einem Stahl erstellt ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Batterie um eine sogenannte Rundzelle. Besonders bevorzugt jedoch ist das Gehäuse quaderförmig, sodass es sich bei der Batterie um eine sogenannte prismatische Zelle handelt. Beispielsweise ist der Kühlkanal lediglich in eine Seite eingebracht, sodass eine Fertigung vereinfacht ist. Alternativ hierzu ist der Kühlkanal über zumindest eine Kante des Gehäuses geführt und verläuft somit auf zumindest zwei zueinander benachbarten Seiten des quaderförmigen Gehäuses. Dabei befindet sich insbesondere der Zulauf und der Ablauf auf einer gemeinsamen Seite des Gehäuses, wobei der sich dazwischen befindende Teil des Gehäuses zum Beispiel teilweise auf einer anderen Seite des quaderförmigen Gehäuses verläuft. In einer weiteren Alternative befinden sich der Zu- und der Ablauf auf gegenüberliegenden Seiten des quaderförmigen Gehäuses, sodass der Kühlkanal zumindest in drei Seiten des Gehäuses eingebracht ist. Infolgedessen ist es möglich, mittels des Kühlkanals eine Seite des Gehäuses zu kühlen, die im Montagezustand an weiteren Bauteilen anliegt, wobei das Zu- und Abführen des Kühlmittels auf einer hiervon beabstandeten Seiten erfolgt. Auf diese Weise ist ein vergleichsweise effizientes Ausnutzen des zur Verfügung stehenden Platzes ermöglicht.
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Besonders bevorzugt ist die Tiefe des Kühlkanals, also dessen Ausdehnung senkrecht zu dessen Verlauf und/oder parallel zu der Dicke der Gehäusewand, in die der Kühlkanal eingebracht ist, kleiner als 10 µm und insbesondere kleiner als 5 µm oder 1 µm. Auf diese Weise ist einerseits das Einbringen des Kühlkanals in das Gehäuse vereinfacht. Zudem erfolgt aufgrund des Kühlkanals keine übermäßige Beeinträchtigung der mechanischen Integrität des Gehäuses, sodass eine Robustheit nicht wesentlich reduziert ist. Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Tiefe des Kühlkanals maximal 10 % der Wandstärke, also der Dicke der Gehäusewand, in die der Kühlkanal eingebracht ist. Folglich erfolgt keine substantielle Schwächung. Alternativ oder in Kombination hierzu ist der Querschnitt des Kühlkanals rechteckförmig. Auf diese Weise ist das Einbringen in das Gehäuse vereinfacht, wobei dennoch mittels des Kühlkanals ein vergleichsweise großer Volumenstrom geführt werden kann, auch wenn dieser lediglich eine geringe Tiefe aufweist. Alternativ hierzu ist der Querschnitt zumindest teilweise halbrund ausgestaltet. Die Form des Kühlkanals ist dabei beispielsweise (halb)rund oder eckig ausgestaltet.
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Das Batteriemodul weist mehrere Batterien auf, die insbesondere elektrisch miteinander kontaktiert sind. Die Verschaltung der Batterien ist vorzugsweise gegen einen elektrischen Anschluss des Batteriemoduls geführt, sodass an dem elektrischen Anschluss des Batteriemoduls die mittels der Verschaltung bereitgestellte elektrische Spannung anliegt. Zum Beispiel weist das Batteriemodul zwischen zwei Batterien und 100 Batterien auf, die insbesondere zueinander baugleich sind. Zumindest umfassen die Batterien jeweils ein Gehäuse, innerhalb dessen jeweils eine Batteriezelle angeordnet ist, und in das zwei Anschlüsse eingebracht sind, die elektrisch mit der Batteriezelle kontaktiert sind. Vorzugsweise sind die Anschlüsse jeder Batterie mittels der Verschaltung gegen die elektrischen Anschlüsse des Batteriemoduls geführt, beispielsweise direkt oder indirekt. In das Gehäuse jeder Batterie ist außenseitig ein außenseitig offener Kühlkanal für ein Kühlfluid eingebracht, wobei der Kühlkanal außenseitig mit einer an dem Gehäuse befestigten Polymerfolie zumindest teilweise abgedeckt ist. Beispielsweise weist das Batteriemodul lediglich derartige Batterien auf oder zum Beispiel noch weitere, deren Aufbau hierzu unterschiedlich ist. Das Batteriemodul ist zweckmäßigerweise im Montagezustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens.
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Insbesondere weist das Batteriemodul ein Gehäuse oder zumindest eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Batterien zueinander auf, sodass das Batteriemodul als einziges Bauteil montiert werden kann. Insbesondere die Vorrichtung oder zumindest ein Teil des Gehäuses mittels eines Trägers gebildet, an dem zum Beispiel die Batterien im Montagezustand gehalten sind. An dem Träger ist zumindest eine Anzahl an Anschlussstutzen befestigt. Besonders bevorzugt ist jeder Kühlkanal fluidtechnisch mit zweien der Anschlussstutzen verbunden. Somit entspricht die Anzahl der Anschlussstutzen dem Doppelten der Anzahl der mittels der Batterien bereitgestellten Kühlkanäle. Hierbei ist jeweils einer der Anschlussstutzen insbesondere dem Zulauf und der andere dem Ablauf des jeweils zugeordneten Kühlkanal zugeordnet, sodass mittels der beiden Anschlussstutzen ein Befüllen und Abführen des Kühlfluid aus dem jeweiligen Kühlkanal bei Betrieb erfolgt.
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Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul ein Schlauchsystem, das an die Anschlussstutzen angeschlossen ist, und mittels dessen diese fluidtechnisch mit einer Pumpe verbunden ist. Insbesondere sind mittels des Schlauchsystems die Kühlkanäle zueinander parallel geschaltet. Mittels der Pumpe wird bei Betrieb insbesondere das Kühlfluid gepumpt, sodass dieses über einen der Anschlussstutzen in den jeweiligen Kühlkanal eindringt und über den anderen aus diesem herausgeführt wird, sodass jede der Batterien vergleichsweise effizient gekühlt wird. Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul zudem einen Wärmetauscher oder einen sonstigen Kühler, durch den das mittels der Batterien erwärmte Kühlfluid zur Abkühlung geleitet wird. Alternativ hierzu umfasst das Batteriemodul zumindest einen fluidtechnischen Anschluss hierfür.
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Beispielsweise ist jeder Anschlussstutzen mittels einer Vertiefung bereitgestellt. Besonders bevorzugt steht jeder der Anschlussstutzen hervor, und zum Beispiel ist jeder der Batterien auf die jeweiligen Anschlussstutzen derart aufgesetzt, dass diese in den jeweiligen Kühlkanal reichen. Dabei befinden sich die Anschlussstutzen beispielsweise in einer vertikalen Richtung unterhalb oder oberhalb der Batterien, oder sind zu diesen in horizontaler Richtung versetzt, sodass zur Montage die jeweilige Batterie in horizontaler Richtung bewegt wird. Zum Beispiel wird mittels der Anschlussstutzen bei Montage die Polymerfolie zumindest teilweise durchstochen, die davor insbesondere unversehrt ist und den Kühlkanal vollständig abdeckt. Somit wird mittels der Anschlussstutzen der Zulauf und der Ablauf in die Polymerfolie eingestochen, weswegen eine Dichtheit gegeben ist. Insbesondere ist auf jeden der Anschlussstutzen ein O-Ring aufgesetzt, sodass eine Dichtigkeit zwischen jedem Anschlussstutzen und dem jeweils zugeordneten Kühlkanal erhöht ist.
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Beispielsweise sind die Batterien zueinander fluchtend angeordnet und liegen aneinander an, wobei die Anschlussstutzen geeigneterweise von einer den jeweils anderen Batterien abgewandten Seite in den jeweiligen Kühlkanal eingeführt sind. Alternativ hierzu sind die Batterien zumindest teilweise zueinander versetzt angeordnet, sodass auch ein Einführen der Anschlussstutzen in die Kühlkanälen von der Seite des Gehäuses ermöglicht ist, auf der sich eine andere Batterie befindet.
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In einer Variante der Erfindung sind die Kühlkanäle derart ausgestaltet und die Batterien derart angeordnet, dass die Kühlkanäle benachbarter Batterien zueinander nicht deckungsgleich sind. Infolgedessen erfolgt eine Kühlung jeder Batterie auch mittels des Kühlkanals zumindest einer der benachbarten Batterien. Hierbei liegen die Batterien des Batteriemoduls bevorzugt aneinander an und/oder sind thermisch miteinander verbunden, z.B. mittels Wärmeleitpaste oder eines Wärmeleitpads. Beispielsweise ist der Kühlkanal umlaufend in das jeweilige Gehäuse eingebracht. Alternativ befindet sich dieser lediglich auf einer Seite des Gehäuses. Somit ist eine Herstellung vereinfacht. Aufgrund der Anordnung der Kühlkanäle der benachbarten Batterien erfolgt dabei bei Betrieb dennoch eine Kühlung von zumindest zwei Seiten.
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Das Verfahren dient der Herstellung einer Batterie, die im Montagezustand zweckmäßigerweise ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist. Die Batterie umfasst ein Gehäuse, innerhalb dessen eine Batteriezelle angeordnet ist, und in das zwei Anschlüsse eingebracht sind, die elektrisch mit der Batteriezelle kontaktiert sind. In das Gehäuse ist außenseitig ein außenseitig offener Kühlkanal für ein Kühlfluid eingebracht, wobei der Kühlkanal außenseitig mit einer an dem Gehäuse befestigten Polymerfolie zumindest teilweise abgedeckt ist.
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Bei dem Verfahren wird zunächst ein Gehäuse bereitgestellt. Das Gehäuse ist beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Metall erstellt. Nachfolgend wird außenseitig von dem Gehäuse Material abgetragen. Dies erfolgt derart, dass ein außenseitig offener Kühlkanal für ein Kühlfluid in das Gehäuse eingebracht wird. Zusammenfassend wird somit in das Gehäuse von der Außenseite der Kühlkanal eingebracht, was mittels Materialabtragens erfolgt, sodass der Kühlkanal außenseitig offen ist. Das Abtragen erfolgt beispielsweise mittels Fräsens, Laserns oder Schneidens.
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Nachfolgend wird an dem Gehäuse außenseitig eine Polymerfolie befestigt, mittels derer dabei der Kühlkanal zumindest teilweise abgedeckt wird. Beispielsweise wird der Kühlkanal dabei vollständig mittels der Polymerfolie abgedeckt, und nachfolgend wird insbesondere die Polymerfolie zur Formung eines Zulaufs bzw. eines Ablaufs teilweise geöffnet. Insbesondere wird das Gehäuse außenseitig vollständig mit der Polymerfolie umgeben, die somit nach Art einer Beschichtung wirkt. Mit anderen Worten wird das Gehäuse mittels des Polymers beschichtet. Auf diese Weise ist eine Robustheit des Gehäuses erhöht.
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Besonders bevorzugt wird nach Einbringen des Kühlkanals in das Gehäuse innerhalb dessen eine Batteriezelle angeordnet, die elektrisch mit in das Gehäuse eingebrachten Anschlüssen kontaktiert ist. Beispielsweise weist das Gehäuse zwei Gehäusehälften auf, und die Batteriezelle wird in eine der Gehäusehälfte eingesetzt. Nachfolgend wird an diese Gehäusehälfte die verbleibende Gehäusehälfte gefügt und das Gehäuse somit verschlossen. Beispielsweise erfolgt das Befestigen der Polymerfolie vor dem Einsetzen der Batteriezelle und/oder vor dem Fügen der beiden Gehäusehälften aneinander. Besonders bevorzugt jedoch wird erst danach die Polymerfolie an dem Gehäuse befestigt, sodass eine etwaige Fügestelle, insbesondere eine Schweißnaht oder Schmelznaht, mittels der Polymerfolie abgedeckt wird. Folglich wird diese mittels der Polymerfolie geschützt, und eine Dichtigkeit ist verbessert.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das vorzugsweise landgebunden ist. Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder Bus. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw). Das Kraftfahrzeug weist einen Antrieb mit einem Elektromotor auf. Beispielsweise ist der Antrieb ein Bestandteil eines Nebenaggregats oder besonders bevorzugt ein Hauptantrieb, mittels dessen eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs erfolgt. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug eine Batterie, mittels derer der Elektromotor bestromt ist. Die Batterie umfasst ein Gehäuse, innerhalb dessen eine Batteriezelle angeordnet ist, und in das zwei Anschlüsse eingebracht sind, die elektrisch mit der Batteriezelle kontaktiert sind. In das Gehäuse ist außenseitig ein außenseitig offener Kühlkanal für ein Kühlfluid eingebracht, wobei der Kühlkanal außenseitig mit einer an dem Gehäuse befestigten Polymerfolie zumindest teilweise abgedeckt ist.
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Bei Betrieb des Kraftfahrzeugs wird zweckmäßigerweise durch den Kühlkanal ein Kühlfluid, also ein Kühlmedium geleitet, insbesondere eine Flüssigkeit. Das Kühlfluid wird beispielsweise Wasser, Glykol, ein Öl, eine perfluorierte Flüssigkeit oder eine Kombination hieraus herangezogen. Zweckmäßigerweise weist die Flüssigkeit vergleichsweise geringe Viskosität auf. Zweckmäßigerweise ist das Kraftfahrzeug gemäß einem Verfahren betrieben, bei dem durch den Kühlkanal das entsprechende Kühlfluid geleitet wird. Hierfür wird zum Beispiel eine Fluidpumpe betrieben, die zum Beispiel ein Bestandteil eine entsprechenden Batteriemoduls ist, das die Batterie aufweist
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Die im Zusammenhang mit der Batterie beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das Batteriemodul / das Verfahren / das Kraftfahrzeug sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das mehrere baugleiche Batteriemodule umfasst,
- 2 in einer Draufsicht eines der Batteriemodule, das mehrere baugleiche Batterien aufweist,
- 3 schematisch perspektivisch in einer Explosionsdarstellung eine der Batterien, die ein mit einer Polymerfolie umgebenes Gehäuse umfasst,
- 4 schematisch perspektivisch die Batterie, wobei die Polymerfolie nicht gezeigt ist,
- 5 - 7 jeweils Varianten der Batterie gemäß 4,
- 8 schematisch ausschnittsweise das Batteriemodul und eine der Batterien, und
- 9 ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Anzahl an Rädern 4 auf, von denen zumindest einige mittels eines Antriebs 6 angetrieben sind, der einen Elektromotor umfasst. Somit ist das Kraftfahrzeug 2 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antrieb 6 weist einen Umrichter auf, mittels dessen der Elektromotor gespeist ist. Der Umrichter des Antriebs 6 wiederum ist mittels eines Energiespeichers 8 in Form einer Hochvoltbatterie bestromt. Hierfür ist der Antrieb 6 mit einer Schnittstelle 10 des Energiespeichers 8 verbunden, die in ein Energiespeichergehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist.
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Innerhalb des Energiespeichergehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere Batteriemodule 14 angeordnet, von denen ein Teil zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule 14 ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule 14 erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die in diesem Beispiel 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit jedem der Batteriemodule 14 bereitgestellten elektrischen Spannung.
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In 2 ist eines der zueinander baugleichen Batteriemodule 14 in einer Draufsicht dargestellt Jedes der zueinander baugleichen Batteriemodule 14 weist ein Modulgehäuse 16 auf, das aus einem Metall, nämlich einem Edelstahl erstellt ist. Innerhalb des Modulgehäuses 16 sind mehrere quaderförmige Batterien 18 angeordnet, die aneinander anliegen, sodass ein Block gebildet ist. In der dargestellten Variante sind lediglich acht Batterien 18 vorhanden, die in zwei Reihen angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass das Batteriemodul 14 zwischen 50 und 100 derartige Batterien 18 umfasst. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt jede der Batterien 18 mit an zumindest zwei weiteren der verbleibenden Batterien 18 an, und dieses in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Jede der Batterien 18 weist zwei Anschlüsse 20 auf, die mittels nicht näher dargestellter Stromschiene miteinander elektrisch kontaktiert sind, sodass zumindest ein Teil der Batterien 18 elektrisch parallel und der verbleibende Teil elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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In 3 ist perspektivisch und schematisch vereinfacht eine der zueinander baugleichen Batterien 18 gezeigt. Die Batterie 18 weist ein Gehäuse 22 auf, dass eine erste Gehäusehälfte 24 und eine zweite Gehäusehälfte 26 umfasst. Die beiden Gehäusehälften 24, 26 sind aus einem Aluminium erstellt und im Montagezustand mittels Schweißens aneinander befestigt, wobei die Schweißnaht umlaufen ist, sodass das Gehäuse 22 fluiddicht ist. Die erste Gehäusehälfte 24 ist kasten- oder becherförmig ausgestaltet sind, und die zweite Gehäusehälfte 26 ist ein flacher Deckel, der im Wesentlichen ein einer Ebene angeordnet ist. Wenn die beiden Gehäusehälften 24, 26 aneinander befestigt sind, ist bildet das Gehäuse 22 somit einen Quader.
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In die zweite Gehäusehälfte 26 sind die beiden Anschlüsse 20 eingebracht, die jeweils aus einem Kupferstreifen erstellt sind. Die Anschlüsse 20 sind senkrecht zu der zweiten Gehäusehälfte 26 angeordnet und ragen durch diese hindurch. Dabei sind die Anschlüsse 20 gegenüber der der zweiten Gehäusehälfte 26 mittels eines nicht näher dargestellten Isolationsobjekts elektrisch isoliert. Die Batterien 18 sind in dem Batteriemodul 14 derart angeordnet, dass alle zweiten Gehäusehälfte 26, also die Deckel, in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, sodass sich alle Anschlüsse 20 auf einer Seite des Batteriemoduls 14 befinden. Somit ist eine elektrische Kontaktierung vereinfacht. Dabei liegen die Batterien 18 lediglich im Bereich der jeweiligen ersten Gehäusehälfte 24 aneinander an.
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Die beiden Anschlüsse 20 sind mit mehreren Batteriezellen 28 elektrisch kontaktiert, die jeweils aus einer Anode, einer Kathode sowie einem dazwischen angeordneten Separator gebildet sind. Die Batteriezellen 28 wiederum sind zumindest teilweise miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die die Anschlüsse 20 entweder direkt oder zumindest indirekt mit allen Batteriezellen 28 elektrisch kontaktiert sind. Die Batteriezellen 28 sind zu einem Wickel 30 aufgewickelt, der sich auf einer Seite der zweiten Gehäusehälfte 26 befindet, und mittels dessen die Anschlüsse 20 teilweise umschlungen sind. Im Montagezustand befindet sich dabei der Wickel 30 vollständig innerhalb des Gehäuses 22. Zudem ist das Gehäuse 22 mit einem nicht näher dargestellten flüssigen Elektrolyten befüllt.
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Das Gehäuse 22 oder zumindest die erste Gehäusehälfte 26 ist vollständig mit einer Polymerfolie 32 umgeben, die aus einem Polyimid erstellt ist. Falls auch die zweite Gehäusehälfte 24 mit der Polymerfolie 32 umgeben ist, sind die Anschlüsse 20 ausgespart, sodass diese nicht abgedeckt sind. Die Polymerfolie 32 liegt an dem Gehäuse 22 flächig an und ist an diesem befestigt. Hierfür weist die Polymerfolie 32 beispielsweise eine dem Gehäuse 22 zugewandten Klebeschicht auf, und/oder die Polymerfolie 32 ist nach Art eines Films erstellt, mittels dessen das Gehäuse 22 beschichtet ist. Aufgrund der Polymerfolie 32 sind die ersten Gehäusehälften 24 der einzelne Batterien 18 beim innerhalb des Batteriemoduls 14 zueinander elektrische isoliert, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Batterien 18 vermieden ist. Aufgrund der Verwendung des Polyimids wird auch bei einer Erwärmung die Polymerfolie 32 nicht beschädigt. Zudem ist aufgrund der Robustheit des Polyimids eine Montage der Batterien 18 zu dem Batteriemodul 14 vereinfacht.
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In 4 ist ebenfalls die Batterie 18 dargestellt, bei der die erste Gehäusehälfte 24 an der zweiten Gehäusehälfte 26 mittels Schweißens befestigt ist, sodass das Gehäuse 22 geschlossen ist. Jedoch ist die Polymerfolie 32 nicht dargestellt. In eine Seite 34 des quaderförmigen Gehäuses 22, nämlich eine Seitenwand der ersten Gehäusehälfte 24, ist ein Kühlkanal 36 eingebracht. Somit ist der Kühlkanal 36 lediglich in die erste Gehäusehälfte 24 eingebracht, und die Seite 34 stellt eine Längsseite des Gehäuses 22 dar und weist somit eine vergleichsweise große Ausdehnung auf. Der Kühlkanal 36 befindet sich an der Außenseite des Gehäuses 22 und ist außenseitig offen. Dabei verläuft der Kühlkanal 36 zwischen einem Zulauf 38 und einem Ablauf 40, die die Enden des Kühlkanal 36 bilden. Dazwischen ist der Verlauf des Kühlkanals 36 mäander- oder schlangenförmig, und der Kühlkanal 36 verläuft im Wesentlichen über die vollständige Breite der Seite 34. Dabei befinden sich der Zulauf 38 und der Ablauf 40 im Bereich gegenüberliegender Kanten der Seite 34. Die Tiefe des Kühlkanals 36 beträgt 5 µm, und der Querschnitt des Kühlkanals 36 ist rechteckförmig.
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Zudem ist auf die gleiche Seite 34 ein weiter Kühlkanal 48 eingebracht, der ebenfalls schlangenförmig ausgestaltet ist, und im Wesentlichen baugleich zu dem Kühlkanal 36 ist. So ist auch der weitere Kühlkanal 42 außenseitig offen und die Tiefe der beiden Kühlkanäle 36, 42 ist gleich. Der weitere Kühlkanal 42 weist einen weiteren Zulauf 44 und einen weiteren Ablauf 46 auf, die sich jedoch, abweichend von der Anordnung des Zulauf 38 und des Ablaufs 40 des Kühlkanals 36, lediglich an einem Ende der Seite 34 befinden, an dem sich auch der Ablauf 40 des Kühlkanals 36 befindet. Im Montagezustand sind mit Ausnahme der Zuläufe 38, 44 sowie der Abläufe 40, 46 die beiden Kühlkanäle 36, 42 vollständig mittels der Polymerfolie 32 abgedeckt, und durch diese wird bei Betrieb ein Kühlfluid, nämlich Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch geleitet. Hierbei wird mittels der Polymerfolie 32 ein Austritt des Kühlfluids aus den mittels des Gehäuses 22 bereitgestellten Kühlkanälen 36, 42 zwischen den Zuläufen 38, 44 und den Abläufen 40, 46 verhindert, obwohl diese außenseitig offen sind. Da die beiden Kühlkanäle 36, 42 lediglich in die erste Gehäusehälfte 36 eingebracht sind, werden diese bei der Befestigung des zweiten Gehäuseteils 26 nicht beschädigt. Mittels der Kühlfluids, das bei Betrieb durch die Kühlkanäle 36, 42 geführt wird, wird die Seite 34 gekühlt, sodass innerhalb des Gehäuses 22 entstehende Wärme, die insbesondere bei einem Laden und/oder Entladen der Batteriezellen 28 auftritt, abtransportiert wird. Infolgedessen wird eine Alterung der Batteriezelle 28 verlangsamt.
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In 5 ist eine Abwandlung der Batterie 18 dargestellt. Das erste Gehäuseteile 24 sowie der Kühlkanal 36 als auch der weitere Kühlkanal 42 sind nicht verändert. Jedoch ist zusätzlich in das zweite Gehäuseteil 26 ein zweiter Kühlkanal 48 eingebracht, der sich zwischen den beiden Anschlüssen 20 befindet. Der zweite Kühlkanal 48 ist zickzackförmig, wobei in einer nicht näher dargestellten Variante der zweite Kühlkanal 48, der sich zwischen einem zweiten Zulauf 50 und einem zweiten Ablauf 52 erstreckt, ebenfalls schlangenförmig ausgestaltet ist. Auch ist es bei einer nicht näher dargestellten Variante der Kühlkanal 36 und der weitere Kühlkanal 42 ebenfalls zickzackförmig ausgestaltet, unabhängig davon, ob der zweite Kühlkanal 48 vorhanden ist. In einer weiteren, nicht gezeigten Variante, ist lediglich der Kühlkanal 36 vorhanden.
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Bei der dargestellten Varianten ist der zweite Kühlkanal 48, mit Ausnahme des in Form, im Wesentlichen baugleich zu dem Kühlkanal 36 und somit ebenfalls außenseitig offen. Dabei ist der zweite Kühlkanal 48 lediglich in die zweite Gehäusehälfte 26 eingebracht. Somit wird auch der zweite Kühlkanal 48 bei einem Fügen der beiden Gehäusehälften 24, 26 aneinander nicht beschädigt. Im Montagezustand ist der zweite Kühlkanal 48, mit Ausnahmen des zweiten Zulaufs 50 und des zweiten Ablaufs 52, mit einer nicht näher dargestellten zweiten Polymerfolie vollständig abgedeckt, die an der zweiten Gehäusehälfte 26 befestigt ist. Dabei ist die zweite Polymerfolie einstückig mit der Polymerfolie 32 und an dieser somit angeformt. Infolgedessen ist das Gehäuse 22, mit Ausnahme der Anschlüsse 20, vollständig mit der Polymerfolie 32 umgeben. In einer nicht näher dargestellten Alternative ist die zweite Polymerfolie separat von der Polymerfolie 32, und mittels der zweiten Polymerfolie 32 ist lediglich die zweite Gehäusehälfte 26 abgedeckt.
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In 6 ist eine weitere Variante der Batterie 18 dargestellt, wobei ebenfalls die Polymerfolie 32 nicht dargestellt ist. Diese Abwandlung basiert im Wesentlichen auf der in 4 gezeigten Varianten, und die zweite Gehäusehälfte 26 ist frei von einem Kühlkanal. Es ist jedoch auch hier möglich, dass der zweite Kühlkanal 48 vorhanden ist. Es sind wiederum der Kühlkanal 36 und der weitere Kühlkanal 42 vorhanden, die sich hauptsächlich auf der Seite 34 befinden. Jedoch sind die Zuläufe 38, 44 und die Abläufe 40, 46 auf eine der benachbarten Schmalseiten geführt, sodass die beiden Kühlkanäle 36, 42 über eine Kante 54 des quaderförmigen Gehäuses 22 geführt sind. Auf der Schmalseite befinden sich hier mit Ausnahmen der Zuläufe 38, 44 sowie der Abläufe 40, 46 im Wesentlichen keine weiteren Bestandteile des jeweiligen Kühlkanals 36, 42. Aufgrund des Versetzen Zuläufe 38, 44 sowie der Abläufe 40, 46 auf die Schmalseite ist ein fluidtechnischer Anschluss an diese erleichtert, auch wenn die Batterien 18 entsprechend der in 2 dargestellten Anordnung bündig aneinander anliegen.
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Bei den 7 dargestellten Weiterbildung der Batterie 18, die auf der in 6 gezeigten Variante basiert, sind die beiden Kühlkanäle 36, 42 insgesamt über zwei Kanten 54 geführt, sodass sich diese auf den gegenüberliegenden Schmalseiten des Gehäuses 22 befinden. Dabei befindet sich auf jeder der Schmalseiten ein signifikanter Teil der Kühlkanäle 36, 42, die dort ebenfalls schlangenförmig ausgestaltet sind. Die Zuläufe 38, 44 der beiden Kühlkanäle 36, 42 befinden sich dabei auf einer gemeinsamen der beiden Schmalseiten, und die Abläufe 40, 46 sind auf der hierzu gegenüberliegenden Schmalseite angeordnet. Bei dieser Ausführung wird das Gehäuse 22 somit auf zumindest drei Seiten gekühlt, was einen Wärmeabtransport verbessert. Es ist jedoch auch hier möglich, dass der zweite Kühlkanal 48 vorhanden ist, sodass insgesamt zumindest vier Seiten bei Betrieb gekühlt werden.
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In 8 ist eine weitere Abwandlung der Batterie 18 dargestellt, die zu dem Batteriemodul 14 montiert wird. Bei der Batterie 18 ist ebenfalls wiederum die Polymerfolie 32 nicht gezeigt. Es sind wiederum der Kühlkanal 36 sowie der weitere Kühlkanal 42 vorhanden, die in die Seite 34 eingebracht sind. Jedoch ist die Zuläufe 38, 44 und die Abläufe 40, 46 über eine der horizontalen Kanten 54 geführt, sodass sich diese auf der Unterseite des Gehäuses 22, und zwar des ersten Gehäuseteils 24, befinden. Vor Montage innerhalb des Modulgehäuses 16 sind hierbei die beiden Kühlkanäle 36, 42 vollständig mit der Polymerfolie 32 abgedeckt. In einer näher nicht näher dargestellten Variante ist auch hier der zweite Kühlkanal 48 vorhanden.
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Das Modulgehäuse 16 weist einen umlaufenden Rand 56 auf, der einen Träger 58 umgibt, der den Boden des Modulgehäuses 16 bildet. Mittels des Trägers 58 sind mehrere Montageplätze 60 bereitgestellt, wobei im Montagezustand auf jedem der Montageplätze 60 jeweils eine der Batterien 18 angeordnet ist. An dem Träger 60 ist eine Anzahl an Anschlussstutzen 62 befestigt, wobei auf jeden Anschlussstutzen 62 jeweils ein nicht näher dargestellter O-Ring aufgesetzt ist. Die Anschlussstutzen 62 ragen durch den Träger 60 hindurch und sind gegen ein an der Unterseite des Modulgehäuse 16 angeordnetes und nicht näher dargestelltes Schlauchsystem geführt. Mittels des Schlauchsystems ist ein Teil der Anschlussstutzen 62 mit einer nicht näher dargestellten Pumpe und der Rest der Anschlussstutzen 62 mit einem Wärmetauscher fluidtechnisch verbunden.
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Jedem der Montageplätze 60 sind vier der Anschlussstutzen 62 zugeordnet, und diese sind derart angeordnet, dass, wenn die jeweilige Batterie 18 auf den zugeordneten Montageplatz 60 aufgesetzt wird, diese die Polymerfolie 32 durchstechen, wobei dem Zulauf 38, dem Ablauf 40, dem weiteren Zulauf 44 sowie dem weiteren Ablauf 46 jeweils einer der Anschlussstutzen 62 zugeordnet ist. Mit anderen Worten sind ist im Montagezustand jede der auf die jeweils zugeordneten Anschlussstutzen 62 derart aufgesetzt, dass diese in den jeweiligen Kühlkanal 36 bzw. den weiteren Kühlkanal 42 reichen. Infolgedessen ist der Kühlkanal 36 sowie der weitere Kühlkanal 42 jeder Batterie 18 fluidtechnisch mit jeweils zweien der Anschlussstutzen 62 verbunden, und aufgrund des Schlauchsystems sind sämtliche Kühlkanäle 36 sowie sämtliche weitere Kühlkanäle 42 fluidtechnisch zueinander parallel geschaltet.
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Bei den vorhergehenden Ausgestaltungsformen der Batterie 18 ist der Träger 58, an dem die Anschlussstutzen 62 befestigt sind, teilweise mittels des Randes 56 gebildet. Bei nicht näher dargestellten Varianten stehen die Anschlussstutzen 62 nicht hervor, sondern liegen im Montagezustand lediglich an den Gehäusen 22 der Batterien 18 an, oder die Zuläufe 38, 44, 50 und die Abläufe 40,46, 52 stehen außenseitig hervor und greifen in den jeweiligen Anschlussstutzen 62 ein, sodass diese fluidtechnisch mit dem jeweiligen Kühlkanal 36, 42, 48 verbunden sind.
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In 9 ist ein Verfahren 64 zur Herstellung der Batterie 18 dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 66 wird das Gehäuse 22, also die aus einem Aluminium erste und die zweite Gehäusehälfte 24, 26 bereitgestellt, wobei diese noch frei von sämtlichen Kühlkanälen 36, 42, 48 sind. Auch sind diese noch zueinander separat. Hierfür werden beispielsweise die beiden Gehäusehälften 24, 26 mittels Tiefziehens oder Fließpressens aus einem Aluminium erstellt.
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In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 68 wird von dem Gehäuse 22 außenseitig Material abgetragen, nämlich der ersten Gehäusehälfte 24, sodass der außen offene Kühlkanal 36 für das Kühlfluid eingebracht wird. Sofern der weitere Kühlkanal 42 ebenfalls vorhanden ist, wird hierfür ebenfalls entsprechend das Material, also das Aluminium abgetragen. Wenn der zweite Kühlkanal 48 ebenfalls vorhanden sein soll, wird entsprechend das Material von der zweiten Gehäusehälfte 26 abgetragen. Zum Abtragen des Materials wird ein Laser oder eine Fräse herangezogen.
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In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 70 wird der Wickel 30 an der zweiten Gehäusehälfte 26 befestigt und die erste Gehäusehälfte 24 teilweise mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt. Nachfolgend wird der an der zweiten Gehäusehälfte 26 befestigte Wickel 30 in die erste Gehäusehälfte 24 eingeführt, wobei die erste Gehäusehälfte 24 mittels der zweiten Gehäusehälfte 26 verschlossen wird. Dann werden die beiden Gehäusehälfte 24, 26 mittels einer umlaufenden Schweißnaht verbunden, sodass das Gehäuse 22 fluiddicht ist. Folglich ist ein Austritt des Elektrolyten aus dem Gehäuse 22 verhindert, und auch ein Eindringen von Fremdpartikeln in das Gehäuse 22 ist unterbunden.
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In einem sich anschließenden vierten Arbeitsschritt 72 wird die Polymerfolie 32 an dem Gehäuse 22 befestigt, wobei mit Ausnahme der Anschlüsse 22 das Gehäuse 22 vollständig umgeben wird. So werden mittels der Polymerfolie 32 die beiden Gehäusehälfte 24, 26 abgedeckt und auch die beiden Gehäusehälfte 24, 26 verbindende Schweißnaht. Somit ist das Gehäuse 22 geschützt und elektrisch isoliert. Je nach Ausgestaltungsform der Anschlussstutzen 62 werden nachfolgend die Polymerfolie 32 zur Bildung der Zuläufe 38, 44, 50 und der Abläufe 40,46, 52 geöffnet, oder hierfür entsprechende Bauteile in die jeweiligen Kühlkanäle 36, 42, 48 eingeführt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Rad
- 6
- Antrieb
- 8
- Energiespeicher
- 10
- Schnittstelle
- 12
- Energiespeichergehäuse
- 14
- Batteriemodul
- 16
- Modulgehäuse
- 18
- Batterie
- 20
- Anschluss
- 22
- Gehäuse
- 24
- erste Gehäusehälfte
- 26
- zweite Gehäusehälfte
- 28
- Batteriezelle
- 30
- Wickel
- 32
- Polymerfolie
- 34
- Seite
- 36
- Kühlkanal
- 38
- Zulauf
- 40
- Ablauf
- 42
- weiterer Kühlkanal
- 44
- weiterer Zulauf
- 46
- weiterer Ablauf
- 48
- zweiter Kühlkanal
- 50
- zweiter Zulauf
- 52
- zweiter Ablauf
- 54
- Kante
- 56
- Rand
- 58
- Träger
- 60
- Montageplatz
- 62
- Anschlussstutzen
- 64
- Verfahren
- 66
- erster Arbeitsschritt
- 68
- zweiter Arbeitsschritt
- 70
- dritter Arbeitsschritt
- 72
- vierter Arbeitsschritt
