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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit einem solchen Batteriemodul.
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Hybrid-, Plug-In-Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsenergiespeicher, welche zur Aufnahme von elektrischer Rekuperationsenergie und Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie dienen können. Traktionsenergiespeicher können auf Basis von Akkumulatoren, z. B. Li-lonen-Batterien, gebildet sein. Derartige Traktionsenergiespeicher können beispielsweise modular aufgebaut sein, wobei einzelne Batteriezellen stapelartig angeordnet und elektrisch zu einzelnen Batteriemodulen zusammengefasst sind, die wiederum innerhalb eines Gehäuses in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Durch die hohen Ströme, die für das Antreiben eines Fahrzeugs notwendig sind, entsteht in den Batteriemodulen viel Wärme, sei es durch das Entladen oder Laden des Batteriemoduls. Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Batteriemodule ist es jedoch wichtig, dass Grenzen von zulässigen Betriebstemperaturen des Batteriemoduls nicht überschritten werden. Daher ist es bereits bekannt aktive Kühlungen vorzusehen, die das Batteriemodul unter einer kritischen maximalen Temperatur halten können, die nicht überschritten werden darf.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, die Batteriezellen eines Batteriemoduls auf einer Kühlplatte mit Hilfe einer Wärmeleitpaste zu positionieren, um damit die Temperatur des Batteriemoduls zu regulieren. Problematisch an dieser Lösung ist allerdings, dass eine solche Kühlung unter Umständen nicht ausreichend ist. Alternativ können Batteriezellen durch das komplette eintauchen in eine Kühlflüssigkeit gekühlt werden, was jedoch große Aufwände hinsichtlich Dichtheit der einzelnen Zellen aber auch des Batteriemoduls als solches mit sich bringt, wodurch diese Art Kühlung nachteilig ist.
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Ferner erfolgt bei den aus der Praxis bekannten Batteriemodulen bei einer Herstellung zuerst die Verschaltung der Batteriezellen über stromschienenartige Zellverbinder (engl. busbars), die jeweils einzeln an den jeweiligen Polen positioniert und anschließend an diesen befestigt werden, z. B. verschweißt, werden. Anschließend wird ein Berührschutz auf die verschalteten Zellen zum Verschließen des Batteriemoduls angebracht.
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Nachteilig hieran ist, dass die Herstellung derartiger Batteriemodule die Handhabung einer vergleichsweisen hohen Teileanzahl erfordert. Der Montageprozess ist dadurch relativ kompliziert, was Montagefehler begünstigt. Es resultiert ferner ein erhöhter technischer Aufwand.
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Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Batteriemodul, vorzugsweise Batteriezellstapelmodul, bereitzustellen, das Nachteile herkömmlicher Batteriemodule vermeidet. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Aufbau eines Batteriemoduls bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Verschaltung und/oder Kühlung der Batteriezellen des Batteriemoduls ermöglicht wird.
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Die Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Batteriemodul. Das Batteriemodul ist vorzugsweise ein Batteriezellstapelmodul. Das Batteriemodul umfasst ein Modulgehäuse und mehrere Zellen zur Speicherung elektrischer Energie, vorzugsweise ausgeführt als Batteriezellenstapel, wobei die Zellen in dem Modulgehäuse angeordnet sind. Ferner umfasst das Batteriemodul eine Kontaktiervorrichtung zur elektrischen Verschaltung der Pole der Zellen. Beispielsweise kann eine Verschaltung als Reihenschaltung ausgeführt sein.
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Ferner umfasst das Batteriemodul eine Modulabdeckung, die auf dem Modulgehäuse zur Abdeckung der Pole positioniert und/oder positionierbar ist. Die Modulabdeckung umfasst einen im Innern der Modulabdeckung verlaufenden Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit. Der Kühlkanal ist dazu ausgebildet, die Kühlflüssigkeit entlang einer Oberseite der Zellen zu führen, vorzugsweise zur Ausbildung einer Zellenoberseitenkühlung des Batteriemoduls. Die Oberseiten der Zellen kommen somit direkt in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit. Zusätzlich kann der Kühlkanal dazu ausgebildet sein, die Kühlflüssigkeit über Teile der Kontaktiervorrichtung zu führen.
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Die Modulabdeckung weist ferner zur Ausbildung des Kühlkanals einen Kühlrahmen auf, der auf einer die Pole der Zellen aufweisenden Oberseite der mehreren Zellen befestigt ist und durch den die Kontaktiervorrichtung gehaltert und relativ zu den Zellen positioniert ist. Ferner weist die Modulabdeckung zur Ausbildung des Kühlkanals einen Moduldeckel auf, der auf dem Kühlrahmen angeordnet ist.
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Durch die Halterung der Kontaktiervorrichtung in dem Kühlrahmen bietet sich der Vorteil, dass eine Teileanzahl während eines Montageprozesses reduziert wird und bereits eine Positionierung der Kontaktiervorrichtung gegenüber den Zellen in dem Kühlrahmen vorbestimmbar ist und nicht jeder einzelne Bestandteil der Kontaktiervorrichtung platziert werden muss.
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Ferner bietet der Aufbau den Vorteil, dass die Zellen an ihrer Oberseite direkt mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommen, was die Kühlwirkung verbessert. Die an der Zellenoberseite entstehende Wärme beim Laden / Entladen der Zellen kann entsprechend direkt am Entstehungsort ins Kühlwasser geleitet werden. Eine effiziente Zellkühlung wird ermöglicht. Diese Kühlung der Zellenoberseiten kann zusätzlich zu einer Kühlung mittels einer Kühlplatte an der Unterseite der Zellen vorgesehen sein. Durch die Kühlung der Zellenoberseiten kann vermieden werden, dass das komplette Batteriemodul in die Kühlflüssigkeit getaucht werden muss, was hinsichtlich der Anforderungen an die Dichtigkeit wesentlich aufwändiger zu realisieren wäre. Die genutzte Kühlflüssigkeit kann eine wasserbasierte oder Ester-basierte Kühlflüssigkeit sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Zellen jeweils an ihrer Oberseite eine Sollversagungsstelle zur Bereitstellung einer Notentgasung im thermischen Notfall aufweisen. Die Sollversagungsstelle kann eine Entgasungsvorrichtung, z. B. ein Entgasungsventil, sein. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Kühlkanal dazu ausgebildet, die Kühlflüssigkeit über die Sollversagungsstellen zu führen.
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Das Führen der Kühlflüssigkeit über derartige Sollversagungsstellen bietet den Vorteil, dass bei einem thermischen Notfall, beispielweise wenn ein Druck in einer einzelnen Zelle einen Berstdruck der Entgasungsvorrichtung übersteigt, die Kühlflüssigkeit die im thermischen Notfall entstehende Hitze herunterkühlen kann, was die Sicherheit erhöht. Da in diesem Fall die Zelle ohnehin defekt ist, kann in Kauf genommen werden bzw. ist es sogar vorteilhaft, dass die Kühlflüssigkeit in die (defekte) Zelle eindringt.
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Derartige Entgasungsvorrichtungen bzw. Entgasungsventile sind an sich aus der Praxis bekannt. Diese öffnen, sobald der Druck im Zellengehäuse den atmosphärischen Luftdruck um mehr als ein vorbestimmter Schwellenwert übersteigt, zur Vermeidung von Drücken innerhalb der Zellen, die zu einem explosionsartigen Bersten ganzer Zellen führen können.
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Ferner kann die Kühlflüssigkeit bevorzugt eine feuerlöschende Eigenschaft aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann auf jeder Zellenoberseite ein Dichtelement, vorzugsweise ein O-Ring, angeordnet sein, auf dem sich der Kühlrahmen abstützt. Hierbei ist das Dichtelement an der Zellenoberseite umlaufend angeordnet, vorzugsweise zur Abdichtung des Kühlkanals hin zu den Zellenseitenbereichen. Das Dichtelement kann weiter vorzugsweise an einem äußeren Randbereich der Zellenoberseite umlaufend angeordnet sein.
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Dies bietet den Vorteil, dass eine Abdichtung der Zellenoberseite, die mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt gerät, auf einfache Weise von den anderen Bereichen der Zelle ermöglicht wird. Es wird vermieden, dass die Kühlflüssigkeit von den Zellenoberseiten hin zu den Seitenbereichen der Zellen gelangt. Ferner bietet die Anordnung des Dichtelements an einem äußeren Randbereich der Zellenoberseite den Vorteil, dass eine Fläche maximiert wird, über die die Kühlflüssigkeit auf der Oberseite der Zelle strömen kann.
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Das Dichtelement kann auf dem Kühlrahmen, vorzugsweise in einer Nut, vorpositioniert sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Dichtelement fest mit dem Kühlrahmen verbunden sein. Dies bietet den Vorteil, dass die häufig nicht formsteifen Dichtelemente bereits platziert sind und eine Montage dadurch insgesamt vereinfacht wird. Alternativ kann das Dichtelement auf der Zellenoberseite vorpositioniert sein, vorzugsweise in einer dafür vorgesehenen Nut. Dies verhindert effektiv ein Verrutschen des Dichtelements bei einem Montieren des Kühlrahmens auf der Zellenoberseite.
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In einer Ausführungsform kann der Kühlrahmen als ein rechteckförmiges, gitterartiges Bauteil ausgeführt sein, vorzugsweise einstückig ausgeführt sein. Der Kühlrahmen kann sich kreuzende Längsstreben und Querstreben umfassen, wobei die Längsstreben in Stapelrichtung der Zellen verlaufen. Die Längsrichtung des Moduldeckels kann der Stapelrichtung der Zellen bzw. des Batteriezellstapelmoduls entsprechen. Die Gitterstruktur kann vorteilhaft eine Doppelfunktion ausbilden: Die Gitterstruktur kann zur Halterung und Vorpositionierung der Kontaktiervorrichtung verwendet werden und gleichzeitig Teile der Kühlkanalwandungen ausbilden.
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In einer Ausführungsform kann das auf einer Zellenoberseite angeordnete Dichtelement jeweils zwei benachbarte Querstreben und die zwei äußeren Längsstreben kontaktieren. Hierdurch können auf vorteilhafte Weise jeweils Teilabschnitte der Gitterstruktur, die einer Zelle zuzuordnen sind und eine der Zelle zugeordnete Teilwandung des Kühlkanals ausbilden, durch das Dichtelement umlaufend abgedichtet werden.
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In einer Ausführungsform können die äußeren Längsstreben und die Querstreben Wandungen des Kühlkanals ausbilden. Somit werden bei der Herstellung des Kühlrahmens auf vorteilhafte Weise bereits Teile des Kühlkanals hergestellt.
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In einer Ausführungsform kann der Kühlkanal im Innern der Modulabdeckung mäanderförmig verlaufen, vorzugsweise derart, dass eine Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit bei der Kühlung von Oberseiten benachbarter Zellen entgegengesetzt ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine gute Strömungsgeschwindigkeit und damit eine effiziente Kühlung bei vergleichsweise geringer Volumenstrommenge ermöglicht wird. Alternativ ist es auch möglich, z. B. den Kühlkanal so auszuführen, dass der Kühlmittelstrom nicht mäanderförmig verläuft, sondern von einem Endbereich gerade zum gegenüberliegenden Endbereich der Modulabdeckung verläuft. Um hierbei ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen, sind im Vergleich zum mäanderförmigen Verlauf bei dieser Ausführungsvariante jedoch größere Volumenstrommengen der Kühlflüssigkeit vonnöten.
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In einer Ausführungsform kann ein Abschnitt einer Querstrebe, die eine Wandung des Kühlkanals ausbildet, doppelwandig ausgeführt sein. Ferner kann der Kühlrahmen in Querrichtung verlaufende Dehnungsfugen aufweisen, die jeweils zwischen den beiden Wandabschnitten des Kühlkanals angeordnet sind, die durch den doppelwandigen Abschnitt der Querstreben gebildet sind.
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Dies bietet den Vorteil, dass im Hinblick auf eine alterungsbedingte Ausbauchung der Zellen die Modulabdeckung durch die Dehnungsfugen relative Verschiebungen der Zellen zueinander in gewissem Maße kompensieren kann, indem sich der Moduldeckel entsprechend mitbewegen kann. Dies reduziert die Spannungen auf die Modulabdeckung und damit eine Lebensdauer der Modulabdeckung. Ferner reduziert dies Spannungen, die auf die Kontaktiervorrichtung wirken können, wodurch die Verbindung der Kontaktiervorrichtung zu den Zellen sicher gewährleistet ist.
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Die Dehnungsfugen können quer zu einer Längsrichtung oder Stapelrichtung des Batteriemoduls verlaufen. Ferner können sich die Dehnungsfugen nicht über eine gesamte Breite des Moduldeckels erstrecken. Die Dehnungsfugen können gewollte Schwächungen des Materials des Kühlrahmens sein, vorzugsweise durch eine Reduzierung der Materialstärke des Kühlrahmens. Die Reduzierung der Materialstärke des Kühlrahmens kann durch eine Nut oder Einkerbung erzeugt werden, die vorzugsweise von einer von den Zellen wegragenden Seite des Kühlrahmens eingebracht ist. Durch die gezielte Schwächung des Materials kann eingestellt werden, welche Kräfte notwendig sind, um eine Dehnung zuzulassen. Unter Dehnung kann auch verstanden werden, dass das Material des Kühlrahmens entlang der Dehnungsfuge zumindest teilweise reißt.
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In einer Ausführungsform kann der Kühlrahmen an mehreren Befestigungsstellen mit den Zellen verbunden sein. Dies bietet den Vorteil, dass sich die relative Position der Zellen zu dem Kühlrahmen nicht mehr verändern kann, wenn dieser mit den Zellen verbunden wurde. Dies ist insbesondere von Vorteil und notwendig, weil die Dichtheit des Kühlkanals maßgeblich von der korrekten Positionierung des Kühlrahmens relativ zu den Zellen abhängt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zumindest einige der Zellen, vorzugsweise alle Zellen, an ihrer Oberseite ein, vorzugsweise stiftförmiges, abragendes Befestigungselement zur Ausbildung einer Befestigungsstelle aufweisen, an welchem der Kühlrahmen kraftschlüssig befestigt ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Zellen bereits ein Befestigungselement bereitstellen und keine Befestigung notwendig ist, die ein Eindringen eines Befestigungselements in das Zellinnere vorsieht. Durch die Befestigungsstelle wird auf vorteilhafte Weise ermöglicht den Kühlrahmen mit ausreichend Anpressdruck auf den Zellen zu befestigen, sodass das Dichtelement sicher den Kühlkanal zu einer Umgebung hin abdichten kann.
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In einer Ausführungsform kann das abragende Befestigungselement als Stehbolzen ausgeführt sein. Ferner kann der Kühlrahmen Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Stehbolzen aufweisen. Der Stehbolzen kann mit seinem freien Ende aus der Durchgangsöffnung herausragen und kraftschlüssig am Kühlrahmen befestigt sein. Vorzugsweise kann der Stehbolzen ein Gewinde aufweisen und mittels einer Mutter kraftschlüssig am Kühlrahmen befestigt sein. Alternativ kann der Stehbolzen eine Riffelung aufweisen und mittels einer Klemmscheibe kraftschlüssig am Kühlrahmen befestigt sein.
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Die Aufnahme der Stehbolzen durch die Durchgangsöffnungen des Kühlrahmens bieten den Vorteil, dass eine Positionierung des Kühlrahmens relativ zu den Zellen festgelegt ist und eine Montage des Batteriemoduls dadurch erleichtert wird. Ferner bietet dies den Vorteil, dass ein Anpressdruck des Kühlrahmens auf die Zellen bestimmbar wird, indem ein Drehmoment der Mutter festgelegt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Kühlrahmen an den mehreren Befestigungsstellen mittels Befestigungsclips mit den Zellen verbunden sein. Dies bietet den Vorteil, dass kein zusätzliches Werkzeug zum Befestigen des Kühlrahmens benötigt wird. Hierfür zweckmäßige Befestigungsclips sind aus dem Kraftfahrzeugbereich bekannt. Beispielsweise können die Durchgangsöffnungen des Kühlrahmens ein Widerlager bilden, falls ein Befestigungsclip so ausgeführt ist, dass dieser durch eine Durchgangsöffnung hindurchragen kann und ein Endbereich des Befestigungsclips gespreizt wird, sobald der Endbereich weit genug aus der Durchgangsöffnung hinausragt.
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In einer Ausführungsform kann die Kontaktiervorrichtung lediglich an gegenüberliegenden seitlichen Endbereichen des Kühlrahmens angeordnet sein und sich in Längsrichtung des Kühlrahmens erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktiervorrichtung mehrere Zellverbinder umfassen, die jeweils dazu ausgebildet sind, zwei Pole zweier benachbarter Zellen elektrisch leitend, vorzugweise in Reihenschaltung, miteinander zu verbinden. Vorzugsweise können die Zellverbinder als Stromschienen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Zellverbinder aus Aluminium hergestellt sein. Beispielsweise können zwei Reihen von Zellverbindern vorgesehen sein, die jeweils an einem der seitlichen Endbereichen des Kühlrahmens oberhalb der Zellpole gehaltert sind.
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Die Kontaktiervorrichtung, und insbesondere die Zellverbinder, können in dem Kühlkanal angeordnet sein. Die Kontaktiervorrichtung kann entsprechend von einer Kühlflüssigkeit überströmt werden. Dies bietet den Vorteil, dass nicht nur an der Zellenoberseite Wärme abgeführt werden kann, sondern auch an der Kontaktiervorrichtung, durch welche hohe elektrische Ströme fließen können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Kontaktiervorrichtung, insbesondere die Zellverbinder, durch ein Heizpressverfahren an einer Oberfläche des Kühlrahmens befestigt sein. In anderen Worten kann die Kontaktiervorrichtung mit dem Kühlrahmen durch ein Fügeverfahren verbunden sein. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der die Kontaktiervorrichtung mit dem Kühlrahmen durch eine Schmelzverbindung, hergestellt durch ein Heizpressen der erwärmten Kontaktiervorrichtung in den Kühlrahmen, verbunden ist. Beispielsweise kann die aus einem metallischen Werkstoff hergestellte Kontaktiervorrichtung erhitzt werden, lediglich beispielhaft auf 300°C, und dann in den aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Kühlrahmen gepresst werden, der dann lokal durch die erhitzte Kontaktiervorrichtung geschmolzen wird. Beim Abkühlen entsteht dann eine fluidisch dichte und feste Verbindung zwischen dem Kühlrahmen und der Kontaktiervorrichtung im Kontaktbereich.
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Alternativ kann die Kontaktiervorrichtung durch ein Einstecken oder Einfügen in dem Kühlrahmen gehaltert sein, insbesondere in der Form einer geringfügigen Presspassung. Dies bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig ist, um die Kontaktiervorrichtung in dem Kühlrahmen vorzupositionieren und zu haltern. Ferner sind durch das Einbringen der Kontaktiervorrichtung in den Kühlrahmen auf vorteilhafte Weise bei einer Batteriemodulmontage weniger Einzelteile vorhanden, wodurch die Montage erleichtert wird.
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In einer Ausführungsform kann der Moduldeckel mit dem Kühlrahmen verschweißt, z.B. ultraschallverschweißt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Moduldeckel mit dem Modulgehäuse verschweißt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Moduldeckel zwei Fluidanschlüsse für den Kühlkanal aufweisen.
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Der Kühlrahmen und der Moduldeckel können aus Kunststoff bestehen, insbesondere Kunststoff, der schweißbar ist, z. B. mittels eines Ultraschallschweißverfahrens. Das Batteriemodul kann Anschlusskontakte umfassen, die zum elektrischen Verbinden des Batteriemoduls mit anderen Batteriemodulen und/oder Verbrauchern geeignet sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus), aufweisend ein Batteriemodul wie in diesem Dokument offenbart. Optional kann das Kraftfahrzeug ferner einen Fahrzeugrahmen, vorzugsweise Leiterrahmen, aufweisen, an dem der elektrische Energiespeicher bzw. das Batteriemodul angebracht ist.
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Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls mit Moduldeckel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 3 eine perspektivische Darstellung von unten eines Kühlrahmens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 4 eine vergrößerte Ansicht des in 1 markierten Bereichs A; und
- 5 eine Draufsicht auf ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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Das Batteriemodul 10 umfasst ein Modulgehäuse 11 und mehrere darin gehalterte Zellen 12 zur Speicherung elektrischer Traktionsenergie. Die Zellen 12 sind in der Form eines Batteriezellenstapels ausgeführt. Die Zellen 12 sind in dem Modulgehäuse 11 angeordnet. Ferner umfasst das Batteriemodul 10 eine Modulabdeckung 20, die einen Kühlrahmen 22 und einen Moduldeckel 23 umfasst. Im Gegensatz zu 2 ist auf die Darstellung des Moduldeckels 23 in 1 verzichtet worden, um einen besseren Einblick in den Aufbau des Batteriemoduls 10 zu erhalten.
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Ferner umfasst das Batteriemodul 10 eine Kontaktiervorrichtung 13 zur Verschaltung der Pole der Zellen 12, die durch den Kühlrahmen 22 gehaltert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kontaktiervorrichtung 13 durch mehrere Zellverbinder 19 gebildet, die jeweils dazu ausgebildet sind, zwei Pole zweier benachbarten Zellen 12 elektrisch leitend in Reihenschaltung zu verbinden. Die Zellverbinder 19 sind aus Aluminium hergestellt, können aber auch aus anderen geeigneten leitenden Materialien, wie zum Beispiel Kupfer bestehen. Die Zellverbinder 19 sind in diesem Beispiel in einen Kühlrahmen 22 eingesteckt, der die Zellverbinder haltert und relativ zu den Zellen positioniert. Dies bietet den Vorteil, dass weniger Teile bei einer Montage einzeln zu positionieren sind und damit eine Montage einfacher erfolgen kann. Die Funktion des Kühlrahmens 22 wird in der weiteren Beschreibung erläutert.
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Die Modulabdeckung 20, die auf dem Modulgehäuse 11 zur Abdeckung der Pole positioniert ist, bildet ferner einen im Innern der Modulabdeckung 20 verlaufenden Kühlkanal 21 für eine Kühlflüssigkeit aus. Der Kühlkanal 21 ist dazu ausgebildet, die Kühlflüssigkeit entlang einer Oberseite 14 der Zellen 12 zu führen. Hierdurch wird eine Zellenoberseitenkühlung des Batteriemoduls 10 realisiert. Ferner wird in diesem Beispiel der Kühlkanal 21 auch über die Zellverbinder 19 geführt, da sich diese innerhalb des Kühlkanals 21 befinden, sodass auch eine Kühlung der Zellverbinder 19 und damit der Pole der Zellen 12 erfolgt. Zur Ausbildung des Kühlkanals 21 weist die Modulabdeckung 20 den Kühlrahmen 22 und den Moduldeckel 23 (dargestellt in 2) auf. Der Kühlrahmen 22 ist auf einer die Pole der Zellen 12 aufweisenden Oberseite 14 der mehreren Zellen 12 fluidisch dicht befestigt, so dass innerhalb des Kühlrahmens fließende Kühlflüssigkeit nicht von den Oberseiten der Zellen 12 zu den Seitenflächen der Zellen 12 gelangen kann (siehe hierzu die folgenden Ausführungen betreffend das Dichtelement 24).
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In diesem Ausführungsbeispiel weisen alle Zellen 12 an ihrer Oberseite 14 zwei stiftförmige abragende Befestigungselemente 15 in Form von Stehbolzen zur Ausbildung einer Befestigungsstelle 29 auf, an welchem der Kühlrahmen 20 kraftschlüssig jeweils mittels einer Mutter 31 befestigt ist. Hierzu weist der Stehbolzen an seinem freien Ende 16 ein Gewinde auf. Der Kühlrahmen 22 weist hierfür Durchgangsöffnungen 30 (dargestellt in 3) auf, durch die der Stehbolzen ragt. Alternativ und nicht dargestellt kann der Stehbolzen eine Riffelung aufweisen und mittels einer Klemmscheibe kraftschlüssig am Kühlrahmen 20 befestigt werden. Ferner alternativ und nicht dargestellt kann der Kühlrahmen 22 an den mehreren Befestigungsstellen 29 mittels Befestigungsclips mit den Zellen 12 verbunden sein. Durch die dargestellte Ausführungsform kann ein Anpressdruck durch das Festlegen eines Drehmoments, mit welchem die Muttern angezogen werden, bestimmt werden.
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Wie bereits angeführt wird die Kontaktiervorrichtung 13 beziehungsweise die Zellverbinder 19 der Kontaktiervorrichtung 13 durch den Kühlrahmen 22 gehaltert und relativ zu den Zellen 12 positioniert. Die Kontaktiervorrichtung 13 und damit die Zellverbinder 19 sind in diesem Ausführungsbeispiel lediglich an gegenüberliegenden seitlichen Endbereichen 18 des Kühlrahmens 22 angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung L des Kühlrahmens 22.
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Ferner ist lediglich stark schematisiert dargestellt, dass die Zellen 12 jeweils an ihrer Oberseite 14 eine Sollversagungsstelle 17 in Form einer Entgasungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Notentgasung im thermischen Notfall aufweisen. Dies ist in 1 nur für zwei Zellen 12 schematisch durch gestrichelte Kreislinien dargestellt, wobei alle Zellen 12 des Batteriemoduls entsprechende Sollversagungsstellen 17 aufweisen. Dem Fachmann ist allgemein bekannt, wie entsprechende Entgasungsvorrichtungen bzw. Sollversagungsstellen für Batteriezellen auszuführen sind. Ferner ist der Kühlkanal 21 dazu ausgebildet die Kühlflüssigkeit über die Sollversagungsstellen 17 zu führen.
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Der Kühlkanal 21 verläuft im Innern der Modulabdeckung 20 mäanderförmig (was auch durch die gestrichelte Pfeillinie in 5 illustriert ist. Damit wird ein Strömungsquerschnitt ausreichend klein gehalten, damit eine Strömungsgeschwindigkeit im Kühlkanal ausreichend hoch ist, um die Abwärme der Zellen zuverlässig abzutransportieren. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft der Kühlkanal 21 derart, dass eine Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit bei der Kühlung von Oberseiten 14 benachbarter Zellen 12 entgegengesetzt ist. Ferner weist der Kühlrahmen 22 Abschnitte 27 und Dehnungsfugen 28 auf, die entlang der Abschnitte 27 verlaufen. Die Funktionsweise der Dehnungsfugen 28 wird im weiteren Verlauf beschrieben.
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Das Batteriemodul 10 umfasst ein Dichtelement 24 (nicht dargestellt) in Form von einem O-Ring auf jeder Zellenoberseite 14, auf dem sich der Kühlrahmen 22 abstützt. Dies geschieht zur Abdichtung des Kühlkanals 21 hin zu den Zellenseitenbereichen. In diesem Zusammenhang wird auf 3 verwiesen, wo die Dichtelemente 24 in Bezug zum Kühlrahmen 22 dargestellt sind. Ferner ist aufgrund dieses Dichtelements 24 eine Bestimmung eines Anpressdrucks des Kühlrahmens 22 auf die Zellen 12 zweckmäßig einzustellen, um den Kühlkanal im Übergangsbereich zwischen Kühlrahmen und Zellenoberseite ausreichend fluidisch abzudichten. Ferner ist dargestellt, wie Wandungen des Kühlkanals 21, die durch Teile des Kühlrahmens 22 gebildet werden, in Längsrichtung L und zu dieser Richtung orthogonal nahtlos ineinander übergehen, gemäß dem mäanderförmigen Verlauf des Kühlkanals 21.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit Moduldeckel 23 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Der Moduldeckel 23 bildet den oberen Teil des Kühlkanals aus und dient ferner als Berührschutz der darunterliegenden Kontaktiervorrichtung 13, die von dem Moduldeckel wie dargestellt vollständig verdeckt wird. Gut zu erkennen ist das mäanderförmige Design des Moduldeckels 23, der korrespondierend zu einer Form des Kühlkanals 21 gefertigt ist. Ferner umfasst der Moduldeckel 23 zwei Fluidanschlüsse 32 für den Kühlkanal 21, um Kühlflüssigkeit zu- und abzuführen. Der Kühlrahmen 22 ist mit dem Moduldeckel 23 ultraschallverschweißt. Dies erzeugt vorteilhafterweise eine feste und fluiddichte Verbindung zwischen Kühlrahmen 22 und Moduldeckel 23, sodass keine Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 21, bis auf die Fluidanschlüsse 32, nach außen gelangen kann. Alternativ könnte der Kühlrahmen 22 und der Moduldeckel 23 verklebt werden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung von unten des Kühlrahmens 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Der Kühlrahmen 22 ist als ein rechteckförmiges, gitterartiges, einstückiges Bauteil ausgeführt. Der Kühlrahmen 22 umfasst sich kreuzende Längsstreben 25 und Querstreben 26, wobei die Längsstreben 25 in Stapelrichtung L der Zellen 12 (nicht dargestellt) verlaufen. Die äußeren Längsstreben 25 und die Querstreben 26 bilden Wandungen des Kühlkanals 21 aus.
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Der Kühlrahmen 22 umfasst ferner Durchgangsöffnungen 30 auf mittleren Längsstreben 25 zur Befestigung des Kühlrahmens 22 auf den Zellen 12. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Durchgangsöffnungen 30 pro Zelle 12 vorgesehen, wobei auch eine andere Anzahl Durchgangsöffnungen 30 zum Befestigen des Kühlrahmens 22 auf den Zellen 12 möglich ist, beispielsweise drei Durchgangsöffnungen 30 pro Zelle.
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Ferner ist eine Vielzahl von Dichtelementen 24, ausgeführt als O-Ringe, dargestellt. Die Dichtelemente sind so angeordnet, dass sie an einem äußeren Randbereich der Zellenoberseite 14 umlaufend verlaufen, wenn der Kühlrahmen 22 in dargestellter Weise auf den Zellen 12 des Batteriemoduls 10 gemäß 1 befestigt wird. Das auf einer Zellenoberseite 14 angeordnete Dichtelement 24 kontaktiert jeweils zwei benachbarte Querstreben 26 und die zwei äußeren Längsstreben 25. Die Dichtelemente können auf vorteilhafte Weise auf dem Kühlrahmen 22 wie in 3 dargestellt vorpositioniert werden.
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Ferner ist ein Abschnitt 27 einer Querstrebe 26, die eine Wandung des Kühlkanals 21 ausbildet, doppelwandig ausgeführt. Dies ist besser in 1 erkennbar. Ferner weist der Kühlrahmen 22 in Querrichtung verlaufende Dehnungsfugen 28 auf, die jeweils zwischen den beiden Wandabschnitten des Kühlkanals 21 angeordnet sind, die durch den doppelwandigen Abschnitt 27 der Querstreben 26 gebildet sind. Dies ist in 5 gut erkennbar. Die Dehnungsfugen erlauben der Modulabdeckung, und insbesondere dem Kühlrahmen, Spannungen auszugleichen, die durch Wärme, Setzverluste oder Alterserscheinungen induziert sein können.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in 1 markierten Bereichs A. Zu sehen ist ein Teil des Abschnitts 27, welcher eine doppelwandige Wandung des Kühlkanals 21 ausbildet sowie zwei Zellverbinder 19 rechts und links des Abschnitts 27. Zwischen dem Abschnitt 27 verläuft die Dehnungsfuge 28. Gut erkennbar ist, dass die Dehnungsfuge in diesem Ausführungsbeispiel eine einseitige Vertiefung und damit gewollte Schwächung des Kühlrahmens 22 darstellt, um bei Bedarf entlang der Dehnungsfuge 28 gezielt eine Dehnung oder auch ein Reißen des Materials zu ermöglichen. Andere Ausführungsformen einer Dehnungsfuge 28 sind denkbar aber nicht dargestellt, beispielsweise eine Schwächung des Kühlrahmens 22 von beiden Seiten.
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5 zeigt eine Draufsicht auf ein Batteriemodul 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Dargestellt ist der Moduldeckel 23 und dessen Fluidanschlüsse 32. Die Fluidanschlüsse 32 sind rein schematisch dargestellt. Ferner ist gut erkennbar, dass die Dehnungsfugen 28 von einem Rand der Modulabdeckung 20 bis zu einem inneren Ende des Abschnitts 27 verlaufen, sodass eine Trennung der mäanderförmigen Abschnitte des Kühlkanals 21 durch die Dehnungsfugen 28 entlang der Abschnitte 27 erfolgt beziehungsweise erfolgen kann. Dies verleiht der Modulabdeckung 20 die Möglichkeit Dehnungen, induziert durch beispielsweise Wärme oder Alterungserscheinungen, durchzuführen.
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Obwohl nicht alle Bauteile wie bspw. die Zellen 12 oder die Zellverbinder 19 mit Bezugszeichen in beispielsweise 1 oder 3 versehen sind, ist dem Fachmann eindeutig klar, dass die nicht mit Bezugszeichen versehenen Bauteile äquivalente Bauteile darstellen sollen.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriemodul
- 11
- Modulgehäuse
- 12
- Zelle
- 13
- Kontaktiervorrichtung
- 14
- Zellenoberseite
- 15
- Befestigungselement
- 16
- freies Ende
- 17
- Sollversagungsstelle
- 18
- seitlicher Endbereich
- 19
- Zellverbinder
- 20
- Modulabdeckung
- 21
- Kühlkanal
- 22
- Kühlrahmen
- 23
- Moduldeckel
- 24
- Dichtelement
- 25
- Längsstreben
- 26
- Querstreben
- 27
- Abschnitt
- 28
- Dehnungsfuge
- 29
- Befestigungsstelle
- 30
- Durchgangsöffnung
- 31
- Mutter
- 32
- Fluidanschluss
- L
- Stapel richtung/Längsrichtung
