DE102022111446A1 - Battery arrangement with capillary arrangements - Google Patents

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Markus Wuchner
Thomas Warbeck
Tim Schmidt
Manuel Groß
Björn Pehnert
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (20) mit Kapillaranordnungen (40), insbesondere für Fahrzeuge (10) mit E-Antrieb. Die erfindungsgemäße Batterieanordnung (20) weist mindestens ein Batteriemodul (30) mit einem Batteriemodulgehäuse (70), Batteriezellen (36), einem Kältemittel (60) und Kapillaranordnungen (40) auf. Das Batteriemodulgehäuse (70) definiert einen Batteriemodulinnenraum (34), in welchem Batteriemodulinnenraum (34) die Batteriezellen (36), das Kältemittel (60) und die Kapillaranordnungen (40) angeordnet sind. Die Kapillaranordnungen (40) sind zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen (36) angeordnet und dazu eingerichtet, einen Fluidfluss des Kältemittels (60) zu ermöglichen. Das Batteriemodulgehäuse weist (70) eine erste Wand (71) und eine zweite Wand (72) auf, welche erste Wand (71) zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen (36) angeordnet ist und welche zweite Wand (72) zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen (36) angeordnet ist. Die Batteriezellen (36) weisen eine längliche Form und eine Haupterstreckungsrichtung in Längsrichtung auf, wobei sie derart übereinander im Batteriemodulinnenraum (34) angeordnet sind, dass ihre Haupterstreckungsrichtungen horizontal parallel zueinander angeordnet sind. Die Kapillaranordnungen (40) sind schlangenförmig zwischen den Batteriezellen (36) angeordnet und erstrecken sich dabei ausgehend von der zweiten Wand (72) in Richtung der ersten Wand (71).The invention relates to a battery arrangement (20) with capillary arrangements (40), in particular for vehicles (10) with electric drives. The battery arrangement (20) according to the invention has at least one battery module (30) with a battery module housing (70), battery cells (36), a coolant (60) and capillary arrangements (40). The battery module housing (70) defines a battery module interior (34), in which the battery module interior (34) the battery cells (36), the coolant (60) and the capillary arrangements (40) are arranged. The capillary arrangements (40) are at least partially arranged at least in sections between the battery cells (36) and are designed to enable fluid flow of the refrigerant (60). The battery module housing has (70) a first wall (71) and a second wall (72), which first wall (71) is arranged at least in sections above the battery cells (36) and which second wall (72) is arranged at least in sections below the battery cells ( 36) is arranged. The battery cells (36) have an elongated shape and a main extension direction in the longitudinal direction, being arranged one above the other in the battery module interior (34) in such a way that their main extension directions are arranged horizontally parallel to one another. The capillary arrangements (40) are arranged in a serpentine manner between the battery cells (36) and extend from the second wall (72) towards the first wall (71).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit Kapillaranordnungen und ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung.The invention relates to a battery arrangement with capillary arrangements and a vehicle with a battery arrangement according to the invention.

Batterieanordnungen für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb weisen üblicherweise mehrere Batteriemodule mit je einem Batteriemodulgehäuse auf, in dessen Innenraum die Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen erwärmen sich im Betrieb und müssen daher gekühlt werden. Dafür ist beispielsweise eine Verdampfungskühlung vorgesehen, bei der im Batteriemodulgehäuse ein Kältemittel vorgesehen ist, das Abwärme der Batteriezellen aufnehmen kann und sich üblicherweise als Sumpf am Boden des Batteriemodulgehäuses sammelt.Battery arrangements for motor vehicles with electric drives usually have several battery modules, each with a battery module housing, in the interior of which the battery cells are arranged. The battery cells heat up during operation and therefore need to be cooled. For this purpose, for example, evaporative cooling is provided, in which a refrigerant is provided in the battery module housing, which can absorb waste heat from the battery cells and usually collects as a sump at the bottom of the battery module housing.

Damit eine möglichst große Fläche der Batteriezellen mit dem Kältemittel in Kontakt kommt, können Kapillaranordnungen zwischen den Batteriezellen vorgesehen werden, welche in den Sumpf des Kältemittels hineinragen und das Kältemittel durch die Kapillarstruktur in sich transportieren können und somit an die Außenwand der Batteriezellen verbringen können.In order to ensure that the largest possible area of the battery cells comes into contact with the refrigerant, capillary arrangements can be provided between the battery cells, which protrude into the sump of the refrigerant and can transport the refrigerant through the capillary structure and can thus be delivered to the outer wall of the battery cells.

Hat das Kältemittel eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen, verdampft es und steigt auf. Erreicht das gasförmige Kältemittel die kühlere Außenwand des Batteriemodulgehäuses kondensiert es und tropft wieder in den Sumpf, von wo es durch die Kapillaranordnungen wieder angesaugt wird.Once the refrigerant has absorbed a certain amount of heat, it evaporates and rises. When the gaseous refrigerant reaches the cooler outer wall of the battery module housing, it condenses and drips back into the sump, from where it is sucked in again through the capillary arrangements.

Derartige oder ähnlich funktionierende Systeme sind im Stand der Technik bekannt.Such or similarly functioning systems are known in the prior art.

Die WO 2020 / 247 995 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren, als vertikal angeordnete Rundzellen ausgeführten Batteriezellen, wobei zwischen den Batteriezellen mehrere, als horizontal angeordnete Wärmerohre ausgeführte Kühlelemente angeordnet sind, wobei die Kühlelemente schlangenförmig ausgeführt sind.The WO 2020/247 995 A1 discloses a battery with a plurality of battery cells designed as vertically arranged round cells, with a plurality of cooling elements designed as horizontally arranged heat pipes being arranged between the battery cells, the cooling elements being designed in a serpentine manner.

Die DE 10 2017 005 593 A1 zeigt eine Hochvoltbatterieanordnung für einen Kraftwagen, welche Batteriezellen mit Aktivmaterial und einer Folienanordnung aufweist, welche Folienanordnung eine das Aktivmaterial umgebende erste Folie und eine die erste Folie und das Aktivmaterial umgebende zweite Folie aufweist.The DE 10 2017 005 593 A1 shows a high-voltage battery arrangement for a motor vehicle, which has battery cells with active material and a film arrangement, which film arrangement has a first film surrounding the active material and a second film surrounding the first film and the active material.

Die DE 10 2017 218 248 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren, nebeneinander angerordneten Batteriezellen, wobei an einer Seite der Batteriezellen mehrere, als Wärmerohre ausgeführte Wärmeleitelemente angeordnet sind.The DE 10 2017 218 248 A1 discloses a battery with several battery cells arranged next to one another, with several heat-conducting elements designed as heat pipes being arranged on one side of the battery cells.

Die Druckschriften US 2008/292949 A1 und WO 2017/003504 A1 offenbaren eine Batterie mit mehreren, als Rundzellen ausgeführten Batteriezellen, wobei die Batteriezellen Wärmerohre, d.h. durch Verdampfungskühlung, gekühlt werden.The printed matter US 2008/292949 A1 and WO 2017/003504 A1 disclose a battery with several battery cells designed as round cells, the battery cells being cooled by heat pipes, ie by evaporative cooling.

Die WO 2020/207718 A1 offenbart eine Kühlanordnung zur Kühlung von Batteriemodulen, wobei eine Verbindungseinrichtung zwischen zwei Batteriemodulen mittels einer Kühleinrichtung der Kühlanordnung gekühlt werden, wobei die Kühleinrichtung ein Wärmerohr umfasst.The WO 2020/207718 A1 discloses a cooling arrangement for cooling battery modules, wherein a connection device between two battery modules is cooled by means of a cooling device of the cooling arrangement, the cooling device comprising a heat pipe.

Vor dem geschilderten Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Batterieanordnung und ein neues Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.Against the background described, it is the object of the invention to provide an improved battery arrangement and a new vehicle.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst.This task is solved by the subjects of the independent claims.

Die erfindungsgemäße Batterieanordnung weist mindestens ein Batteriemodul mit einem Batteriemodulgehäuse, Batteriezellen, ein Kältemittel und Kapillaranordnungen auf. Das Batteriemodulgehäuse definiert einen Batteriemodulinnenraum, in welchem Batteriemodulinnenraum die Batteriezellen, das Kältemittel und die Kapillaranordnungen angeordnet sind, welche Kapillaranordnungen zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, einen Fluidfluss des Kältemittels zu ermöglichen. Das Batteriemodulgehäuse weist eine erste Wand und eine zweite Wand auf, welche erste Wand zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen angeordnet ist und welche zweite Wand zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen angeordnet ist. Die Batteriezellen weisen eine längliche Form und eine Haupterstreckungsrichtung in Längsrichtung der länglichen Form auf, wobei die Batteriezellen derart im Batteriemodulinnenraum angeordnet sind, dass ihre Haupterstreckungsrichtungen horizontal parallel zueinander angeordnet sind und wenigstens zwei Batteriezellen wenigstens teilweise übereinander angeordnet sind. Die Kapillaranordnungen sind schlangenförmig zwischen den Batteriezellen angeordnet und erstrecken sich dabei ausgehend von der zweiten Wand im Wesentlichen in Richtung der ersten Wand.The battery arrangement according to the invention has at least one battery module with a battery module housing, battery cells, a coolant and capillary arrangements. The battery module housing defines a battery module interior, in which battery module interior the battery cells, the refrigerant and the capillary arrangements are arranged, which capillary arrangements are at least partially arranged at least in sections between the battery cells and are designed to enable a fluid flow of the refrigerant. The battery module housing has a first wall and a second wall, which first wall is arranged at least in sections above the battery cells and which second wall is arranged at least in sections below the battery cells. The battery cells have an elongated shape and a main extension direction in the longitudinal direction of the elongated shape, the battery cells being arranged in the battery module interior in such a way that their main extension directions are arranged horizontally parallel to one another and at least two battery cells are arranged at least partially one above the other. The capillary arrangements are arranged in a serpentine manner between the battery cells and extend from the second wall essentially in the direction of the first wall.

Durch die schlangeförmig angeordneten Kapillaranordnungen zwischen den Batteriezellen, kann eine große Kontaktfläche zwischen den Kältemittel transportierenden Kapillaranordnungen und den zu kühlenden Batteriezellen sichergestellt werden. Somit kann durch die erfindungsgemäße Anordnung eine hohe Kühlleistung sichergestellt werden.The serpentine capillary arrangements between the battery cells enable a large contact area to be ensured between the capillary arrangements transporting coolant and the battery cells to be cooled. A high cooling performance can therefore be ensured by the arrangement according to the invention.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Batteriezellen als Rundzellen, vorzugsweise mit einer zylindrischen Form ausgebildet. Aufgrund des runden Querschnitts der Rundzellen in Längsrichtung werden Zwischenkanäle zwischen Rundzellen und Kapillaranordnungen gebildet, die es dem verdampften und damit gasförmigen Kältemittel ermöglichen in Richtung der Wände des Batteriemodulgehäuses zu entweichen, um dort zu kondensieren.In an advantageous embodiment, the battery cells are round cells, preferably with a cylindrical shape. Due to the round cross-section of the round cells in the longitudinal direction, intermediate channels are formed between round cells and capillary arrangements, which enable the evaporated and therefore gaseous refrigerant to escape towards the walls of the battery module housing in order to condense there.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei übereinander angeordnete Batteriezellen versetzt zueinander angeordnet. Somit kann eine ausreichende Umschlingung der Batteriezellen durch die Kapillaranrodnung, und damit eine gute Wärmeaufnahme der Abwärme durch das Kältemittel sichergestellt werden.In an advantageous embodiment of the invention, at least two battery cells arranged one above the other are arranged offset from one another. This ensures that the battery cells are sufficiently wrapped around the capillary arrangement, and thus good heat absorption of the waste heat by the refrigerant.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei direkt aneinandergrenzende Batteriezellen direkt übereinander angeordnet. Durch die Anordnung der Batteriezellen direkt übereinander kann ein größerer Umschlingungswinkel der Batteriezellen durch die Kapillaranordnung erreicht werden, sodass das Kältemittel in der Kapillaranordnung einen größeren Bereich der Oberfläche der Batteriezellen bedeckt, wodurch die übertragene Wärmemenge zwischen Kältemittel und Batteriezellen erhöht wird.In a further advantageous embodiment of the invention, at least two directly adjacent battery cells are arranged directly one above the other. By arranging the battery cells directly one above the other, a larger wrap angle of the battery cells can be achieved by the capillary arrangement, so that the refrigerant in the capillary arrangement covers a larger area of the surface of the battery cells, thereby increasing the amount of heat transferred between the refrigerant and battery cells.

Gleichzeitig kann bei Ausführungsformen mit einer Rundzelle die Ausbildung ausreichend großer Zwischenkanäle zum Entweichen des gasförmigen Kältemittels sichergestellt werden.At the same time, in embodiments with a round cell, the formation of sufficiently large intermediate channels for the escape of the gaseous refrigerant can be ensured.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können sowohl versetzt zueinander als auch direkt übereinander angeordnete Batteriezellen in einem Batteriemodul vorgesehen sein.In a further embodiment according to the invention, battery cells arranged both offset from one another and directly one above the other can be provided in a battery module.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kapillaranordnung zumindest teilweise wenigstens ein erstes Material auf aus der Materialgruppe bestehend aus:

  • - Metallschaum,
  • - Titanschwamm, und
  • - Metallwolle.
In a further advantageous embodiment of the invention, the capillary arrangement at least partially has at least one first material from the group of materials consisting of:
  • - metal foam,
  • - titanium sponge, and
  • - metal wool.

Die genannten ersten Materialien ermöglichen einen sehr guten kapillaren Transport des Kältemittels und damit eine gute Kühlleistung.The first materials mentioned enable very good capillary transport of the refrigerant and thus good cooling performance.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste Material Metallschaum aufweist, enthält dieser vorteilhafterweise Nickel, Kupfer oder Eisen. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Ausführungsform, wenn der Metallschaum Edelstall enthält. Die genannten Materialien ermöglichen eine stabile Struktur und eine gute Herstellung des Metallschaums.In a preferred embodiment of the invention, in which the first material has metal foam, this advantageously contains nickel, copper or iron. Such an embodiment is particularly advantageous if the metal foam contains stainless steel. The materials mentioned enable a stable structure and good production of the metal foam.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung mit Metallschaum aufweisendem ersten Material, wenn der Metallschaum als anisotroper Metallschaum mit Poren ausgebildet ist, welche Poren zumindest bereichsweise in mindestens eine erste Richtung senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen der Batteriezellen gedehnt sind relativ zu einer zweiten Richtung parallel zu den Haupterstreckungsrichtungen der Batteriezellen. Hierdurch kann das Kältemittel gut zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand fließen.Furthermore, an embodiment of the invention with a first material comprising metal foam is preferred if the metal foam is designed as an anisotropic metal foam with pores, which pores are stretched at least in regions in at least a first direction perpendicular to the main extension directions of the battery cells relative to a second direction parallel to the main extension directions of the battery cells. This allows the refrigerant to flow easily between the first wall and the second wall.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste Material Titanschwamm aufweist, ist der Titanschwamm aus Titanschwammpulver gesintert. In a preferred embodiment of the invention, in which the first material comprises titanium sponge, the titanium sponge is sintered from titanium sponge powder.

Titan ist zwar ein vergleichsweise teurer Werkstoff, es ist aber als Titanschwammpulver vergleichsweise günstig erhältlich. Zudem ist Titan bei hoher Festigkeit relativ leicht. Die gesinterte Herstellungsweise ergibt eine vorteilhafte poröse Struktur.Although titanium is a comparatively expensive material, it is available comparatively cheaply as titanium sponge powder. In addition, titanium is relatively light and has high strength. The sintered production method results in an advantageous porous structure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material zumindest bereichsweise offenporig ausgebildet. Die offenporige Ausbildung ermöglicht einen guten Transport des Kältemittels innerhalb der Kapillaranordnung.According to a preferred embodiment, the first material is designed to be open-pored at least in some areas. The open-pored design enables good transport of the refrigerant within the capillary arrangement.

Alternativ oder zusätzlich dazu ist das erste Material zumindest bereichsweise offenporös ausgebildet. Die offenporöse Ausbildung ermöglicht einen guten Transport des Kältemittels innerhalb der Kapillaranordnung und ggf. einen guten Übergang des Kältemittels in die Zwischenkanäle oder in entsprechend vorgesehene Fluidkanäle, welche beispielsweise in manchen Ausführungsformen entlang der Seitenwände des Batteriemodulgehäuses zwischen dem Batteriemodulgehäuse und den Batteriezellen oder innerhalb der Kapillaranordnung gebildet sind.Alternatively or additionally, the first material is designed to be open-pored at least in some areas. The open-porous design enables good transport of the refrigerant within the capillary arrangement and, if necessary, a good transfer of the refrigerant into the intermediate channels or into correspondingly provided fluid channels, which, for example, in some embodiments, are formed along the side walls of the battery module housing between the battery module housing and the battery cells or within the capillary arrangement are.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Batterieanordnung mindestens ein Kühlelement auf, welches mindestens eine Kühlelement dazu eingerichtet ist,

  • - die erste Wand,
  • - die zweite Wand, oder
  • - die erste Wand und die zweite Wand
zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen.According to a preferred embodiment, the battery arrangement has at least one cooling element, which at least one cooling element is set up to
  • - the first wall,
  • - the second wall, or
  • - the first wall and the second wall
to cool at least in sections in order to enable condensation of the refrigerant there.

Die erste Wand und/oder zweite Wand können hierdurch als effektive Kondensationsflächen wirken. Die erste Wand ist vorteilhaft, da das verdampfte Kältemittel durch die geringe Dichte nach oben transportiert wird und nach der Kondensation direkt im oberen Bereich und auch im unteren Bereich die Batteriezellen kühlen kann.The first wall and/or second wall can thereby act as effective condensation surfaces. The first wall is advantageous because the evaporated refrigerant is transported upwards due to the low density and, after condensation, can cool the battery cells directly in the upper area and also in the lower area.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C niedriger als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen. Das Kältemittel arbeitet besonders effektiv, wenn es zwischen dem flüssigen und gasförmigen Zustand hin und her wechselt, und dieser Wechsel wird durch den niedrigen Druck begünstigt.According to a preferred embodiment, the absolute pressure in the battery module housing at 20 ° C is lower than 1.0 bar in order to reduce the evaporation temperature of the refrigerant compared to an absolute pressure of 1.0 bar. The refrigerant works particularly effectively when it switches back and forth between the liquid and gaseous states, and this change is promoted by the low pressure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar, bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar, und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar. Dies ermöglicht einen Wechsel des Aggregatzustands des Kältemittels bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen.According to a preferred embodiment, the absolute pressure in the battery module housing at 20 ° C is between 0.1 bar and 0.8 bar, preferably between 0.2 bar and 0.6 bar, and particularly preferably between 0.3 bar and 0.5 bar . This enables the physical state of the refrigerant to change at comparatively low temperatures.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein äußerer Fluidkanal zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse ausgebildet, über welchen äußeren Fluidkanal der Batteriemodulinnenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen äußeren Fluidkanal zu ermöglichen. Insbesondere das flüssige Kältemittel kann hierdurch gut in den unteren Bereich gelangen, wo es wieder zur Kühlung zur Verfügung steht.According to a preferred embodiment, at least one external fluid channel is formed between the battery cells and the battery module housing, via which external fluid channel the battery module interior is in fluid communication between the first wall and the second wall in order to enable a coolant flow through this at least one external fluid channel. In particular, the liquid refrigerant can easily reach the lower area, where it is available again for cooling.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterieanordnung weisen die Kapillaranordnungen (40) zumindest teilweise einen inneren Fluidkanal auf, über welchen der Batteriemodulinnenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss in gasförmiger oder flüssiger (kondensierter) Form durch diesen mindestens einen inneren Fluidkanal zu ermöglichen.In a further advantageous embodiment of the battery arrangement according to the invention, the capillary arrangements (40) at least partially have an inner fluid channel, via which the battery module interior is in fluid communication between the first wall and the second wall in order to allow a flow of refrigerant in gaseous or liquid (condensed) form through it to enable at least one inner fluid channel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Batteriezellen und der zweiten Wand zumindest bereichsweise ein Hohlraum vorgesehen, um in diesem Hohlraum eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs zu ermöglichen. Zum einen wird hierdurch eine gute Kühlung auch im unteren Bereich ermöglicht, und zum anderen kann das Kältemittel von den Kapillaranordnungen aufgenommen werden.According to a preferred embodiment, a cavity is provided at least in some areas between the battery cells and the second wall in order to enable accumulation of liquid refrigerant and the formation of a refrigerant sump in this cavity. On the one hand, this enables good cooling even in the lower area, and on the other hand, the refrigerant can be absorbed by the capillary arrangements.

Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine solche Batterieanordnung und einen Elektromotor auf. Ein solches Fahrzeug ermöglicht eine gute Kühlung der Batterieanordnung und damit eine hohe Leistung und eine große Reichweite.A vehicle according to the invention has such a battery arrangement and an electric motor. Such a vehicle enables good cooling of the battery arrangement and thus high performance and a long range.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:

  • 1 eine Batterieanordnung mit schlangenförmigen Kapillaranordnungen in einer schematischen Darstellung,
  • 2 eine erste Ausführungsform einer Kapillaranordnung von 1 in einem Querschnitt entlang der Linie II-II
  • 3 eine zweite Ausführungsform einer Kapillaranordnung von 1 in einem Querschnitt entlang der Linie II-II
  • 4 ein Fahrzeug mit der Batterieanordnung von 1.
Further details and advantageous developments of the invention result from the exemplary embodiments described below and shown in the drawings, which are in no way to be understood as a limitation of the invention, and from the subclaims. It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention. It shows:
  • 1 a battery arrangement with serpentine capillary arrangements in a schematic representation,
  • 2 a first embodiment of a capillary arrangement from 1 in a cross section along line II-II
  • 3 a second embodiment of a capillary arrangement from 1 in a cross section along line II-II
  • 4 a vehicle with the battery arrangement of 1 .

Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.In the following, identical or identically acting parts are provided with the same reference numbers and are usually only described once. The description builds on each other across characters in order to avoid unnecessary repetition.

1 zeigt eine Batterieanordnung 20, welche mindestens ein Batteriemodul 30 mit einem Batteriemodulgehäuse 70, Batteriezellen 36 in Form von Rundzellen, ein Kältemittel 60 und Kapillaranordnungen 40 aufweist. 1 shows a battery arrangement 20, which has at least one battery module 30 with a battery module housing 70, battery cells 36 in the form of round cells, a coolant 60 and capillary arrangements 40.

Das Batteriemodulgehäuse 70 definiert einen Batteriemodulinnenraum 34, in welchem Batteriemodulinnenraum 34 die Batteriezellen 36, das Kältemittel 60 und die Kapillaranordnungen 40 angeordnet sind.The battery module housing 70 defines a battery module interior 34, in which battery module interior 34 the battery cells 36, the coolant 60 and the capillary arrangements 40 are arranged.

Die Kapillaranordnungen 40 sind zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen 36 angeordnet und dazu eingerichtet, einen Fluidfluss des Kältemittels 60 zu ermöglichen. Die Batteriezellen 36 weisen in der gezeigten Ausführungsform eine zylindrische Form und eine Haupterstreckungsrichtung auf. Diese ist die Längsrichtung der zylindrischen Form und erstreckt sich in 1 in die Zeichenebene hinein.The capillary arrangements 40 are at least partially arranged at least in sections between the battery cells 36 and are designed to enable a fluid flow of the refrigerant 60. In the embodiment shown, the battery cells 36 have a cylindrical shape and a main direction of extension. This is the longitudinal direction of the cylindrical shape and extends in 1 into the drawing plane.

Die Batteriezellen 36 sind so angeordnet, dass ihre Haupterstreckungsrichtungen horizontal und parallel zueinander verlaufen. Dabei sind die Batteriezellen 36 möglichst platzsparend gestapelt, sodass eine Batteriezellen 36 einer oberen Reihe immer versetzt zwischen zwei Batteriezellen 36 einer unteren Reihe angeordnet ist. Zwei übereinander angeordnete direkt aneinandergrenzende Batteriezellen 36 sind also in der gezeigten Ausführungsform immer versetzt angeordnet. Es sind andere Ausführungsformen mit aneinandergrenzenden direkt übereinander angeordneten Batteriezellen 36 denkbar.The battery cells 36 are arranged so that their main extension directions are horizontal and parallel to one another. The battery cells 36 are stacked to save as much space as possible, so that a battery cell 36 in an upper row is always arranged offset between two battery cells 36 in a lower row. Two directly adjacent battes arranged one above the other Rie cells 36 are therefore always arranged offset in the embodiment shown. Other embodiments with adjacent battery cells 36 arranged directly one above the other are conceivable.

Unabhängig von einer versetzten oder nichtversetzten Anordnung der Batteriezellen 36 bilden sich zwischen den Batteriezellen 36 in der gezeigten Ausführungsform aufgrund deren zylindrischen Form Zwischenkanäle 45 aus, durch welche verdampftes Kältemittel 60 aus den Zwischenräumen zwischen den Batteriezellen 36 entweichen kann.Regardless of an offset or non-offset arrangement of the battery cells 36, in the embodiment shown, intermediate channels 45 are formed between the battery cells 36 due to their cylindrical shape, through which evaporated refrigerant 60 can escape from the spaces between the battery cells 36.

Die Kapillaranordnungen 40 sind schlangenförmig zwischen den übereinander versetzt angeordneten Batteriezellen 36 vorgesehen. Das heißt, wird eine untenliegende Batteriezellen 36 auf der in Zeichenebene rechten Seite teilweise umschlungen, so wird die schräg nach rechts versetzte darüber liegende Batteriezellen 36 von der Kapillaranordnung 40 auf der linken Seite teilweise umschlungen. Die wiederum darüber angeordnete dann nach links versetzte Batteriezellen 36, welche sich somit wieder exakt oberhalb der erstgenannten Batteriezellen 36 befindet, wird entsprechend wieder auf der rechten Seite teilweise umschlungen, usw.The capillary arrangements 40 are provided in a serpentine manner between the battery cells 36 which are arranged staggered one above the other. This means that if a battery cell 36 lying underneath is partially wrapped around on the right side in the plane of the drawing, the battery cells 36 located above it, which are offset obliquely to the right, are partially wrapped around by the capillary arrangement 40 on the left side. The battery cells 36, which are again arranged above them and are then offset to the left, which are therefore again located exactly above the first-mentioned battery cells 36, are accordingly partially wrapped around again on the right side, etc.

Bei Ausführungsformen mit direkt übereinander angeordneten Batteriezellen 36 wird eine Batteriezellen 36 auf der einen Seite teilweise umschlungen, während die direkt darüber angeordnete Batteriezellen 36 auf der anderen Seite teilweise umschlungen.In embodiments with battery cells 36 arranged directly one above the other, a battery cell 36 is partially wrapped around one side, while the battery cells 36 arranged directly above it are partially wrapped around the other side.

Das Batteriemodulgehäuse 70 weist eine erste obere Wand 71 und eine zweite untere Wand 72 auf. Die erste Wand 71 ist zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen 36 angeordnet, und die zweite Wand 72 ist zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen 36 angeordnet.The battery module housing 70 has a first upper wall 71 and a second lower wall 72. The first wall 71 is arranged at least in sections above the battery cells 36, and the second wall 72 is arranged at least in sections below the battery cells 36.

Bei Ausführungsformen, bei denen keine Rundzellen als Batteriezellen 36, sondern beispielsweise Zellen mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt werden, können die Kapillaranordnungen 40 ebenfalls schlangenförmig in der oben beschriebenen Weise angeordnet werden. Die Kapillaranordnungen 40 sind dabei analog zu den Rundzellen 36 allerdings nicht rund ausgeführt, sondern entsprechend dem Querschnitt in Längsrichtung der in dieser Ausführungsform eingesetzten Batteriezellen 36.In embodiments in which no round cells are used as battery cells 36, but rather, for example, cells with a rectangular cross section, the capillary arrangements 40 can also be arranged in a serpentine manner in the manner described above. Analogous to the round cells 36, the capillary arrangements 40 are not designed to be round, but rather correspond to the cross section in the longitudinal direction of the battery cells 36 used in this embodiment.

Die Batterieanordnung 20 weist ein oberes Kühlelement 51 und ein unteres Kühlelement 52 auf und die Kühlelemente 51, 52 sind dazu eingerichtet, die erste Wand 71 und/oder die zweite Wand 72 zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels 60 zu ermöglichen. Es ist auch möglich, bspw. nur das obere Kühlelement 51 oder nur das untere Kühlelement 52 vorzusehen, oder aber in kalten Regionen eine Kühlung direkt durch das Batteriemodulgehäuse 70 zu bewirken. Die Kühlelemente 51, 52 haben im Ausführungsbeispiel Kanäle 54, durch welche ein Kühlmittel fließen kann, um die Wärme abzutransportieren. Die Kühlelemente 51, 52 sind im Ausführungsbeispiel als Kühlplatten ausgebildet.The battery arrangement 20 has an upper cooling element 51 and a lower cooling element 52 and the cooling elements 51, 52 are set up to cool the first wall 71 and/or the second wall 72 at least in sections in order to enable condensation of the refrigerant 60 there. It is also possible, for example, to provide only the upper cooling element 51 or only the lower cooling element 52, or to effect cooling directly through the battery module housing 70 in cold regions. In the exemplary embodiment, the cooling elements 51, 52 have channels 54 through which a coolant can flow in order to transport away the heat. The cooling elements 51, 52 are designed as cooling plates in the exemplary embodiment.

Zwischen den Batteriezellen 36 und dem Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt mindestens ein äußerer Fluidkanal 43 ausgebildet, und über den äußeren Fluidkanal 43 steht der Batteriemodulinnenraum 34 zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 in Fluidverbindung. Hierdurch wird ein Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen äußeren Fluidkanal 43 ermöglicht.At least one outer fluid channel 43 is preferably formed between the battery cells 36 and the battery module housing 70, and the battery module interior 34 is in fluid communication between the first wall 71 and the second wall 72 via the outer fluid channel 43. This enables refrigerant to flow through this at least one external fluid channel 43.

Im unteren Bereich ist zwischen den Batteriezellen 36 und der zweiten Wand 72 bevorzugt zumindest bereichsweise ein Hohlraum 75 vorgesehen, um in diesem Hohlraum 75 eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel 60 und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs zu ermöglichen.In the lower area, a cavity 75 is preferably provided at least in some areas between the battery cells 36 and the second wall 72 in order to enable an accumulation of liquid refrigerant 60 and the formation of a refrigerant sump in this cavity 75.

Das Kältemittel 60 kann als Fluid sowohl flüssig als auch gasförmig sein, und durch Aufnahme von Wärmeenergie kann es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Hierdurch kann eine vergleichsweise große Wärmeenergie aufgenommen und abtransportiert werden. Im Ausführungsbeispiel ist das Batteriemodulgehäuse 70 quaderförmig ausgebildet, und es weist neben der ersten Wand 71 und zweiten Wand 72 eine linke dritte Wand 73 und eine rechte vierte Wand 74 sowie - nicht dargestellte - vordere und hintere Wände auf. Es sind auch andere Grundformen des Batteriemodulgehäuses 70 möglich, beispielsweise eine Zylinderform oder Kugelform.The refrigerant 60 can be both liquid and gaseous as a fluid, and by absorbing thermal energy it can change from the liquid to the gaseous state. This allows a comparatively large amount of heat energy to be absorbed and transported away. In the exemplary embodiment, the battery module housing 70 is cuboid-shaped and, in addition to the first wall 71 and second wall 72, it has a left third wall 73 and a right fourth wall 74 as well as front and rear walls (not shown). Other basic shapes of the battery module housing 70 are also possible, for example a cylindrical shape or a spherical shape.

Das Batteriemodulgehäuse 70 bewirkt bevorzugt, dass das Kältemittel 60 im normalen Betrieb nicht oder nur gering aus dem Batteriemodulgehäuse 70 entweichen kann. Im Betrieb entsteht an den Batteriezellen 36 Wärme, und das flüssige Kältemittel 60 kann diese Wärme aufnehmen und dabei verdampfen. Hierdurch kann das Kältemittel 60 eine große Menge Wärmeenergie aufnehmen. Das verdampfte Kältemittel 60 strömt durch die Zwischenkanäle 45 in Richtung der Seitenwände des Batteriemodulgehäuse 70 und dann durch die äußeren Fluidkanäle bspw. nach oben in Richtung zur ersten Wand 71 und wird dort gekühlt. Durch die Abkühlung kondensiert das Kältemittel 60 und kann über die äußeren Fluidkanäle 43 nach unten fließen bzw. tropfen. Im unteren Bereich des Batteriemodulgehäuses 70 kann sich das Kältemittel 60 ansammeln und einen Kältemittelsumpf ausbilden, wobei die Batteriezellen 36 bevorzugt bei 20 °C zumindest teilweise im Kältemittelsumpf stehen.The battery module housing 70 preferably ensures that the coolant 60 cannot escape from the battery module housing 70 or can only escape to a small extent during normal operation. During operation, heat is generated on the battery cells 36, and the liquid refrigerant 60 can absorb this heat and evaporate in the process. This allows the refrigerant 60 to absorb a large amount of thermal energy. The evaporated refrigerant 60 flows through the intermediate channels 45 towards the side walls of the battery module housing 70 and then through the outer fluid channels, for example upwards towards the first wall 71 and is cooled there. As a result of the cooling, the refrigerant 60 condenses and can flow or drip downwards via the outer fluid channels 43. In the lower region of the battery module housing 70, the refrigerant 60 can accumulate and form a refrigerant sump, with the battery cells 36 preferably being at least partially in the refrigerant sump at 20 ° C.

Die Kapillaranordnungen 40, die in der gezeigten Ausführungsform ausschließlich zwischen den Batteriezellen 36 angeordnet sind, ermöglichen durch die Kapillarwirkung ein Ansteigen des Kältemittels 60 im Batteriemodulgehäuse 70 von der zweiten Wand 72 in Richtung der ersten Wand 71. Hierdurch kann flüssiges Kältemittel 60 großflächig im Bereich zwischen den Batteriezellen 36 bereitgestellt werden und dort Wärmeenergie aufnehmen. Dies erhöht die Kühlleistung der Batterieanordnung 20. Die Kapillaranordungen 40 erstrecken sich ebenfalls wenigstens teilweise unter die Batteriezellen 36, um das Kältemittel 60 noch besser aufnehmen zu können.The capillary arrangements 40, which in the embodiment shown are arranged exclusively between the battery cells 36, enable the refrigerant 60 in the battery module housing 70 to rise from the second wall 72 in the direction of the first wall 71 due to the capillary action. This allows liquid refrigerant 60 to flow over a large area in the area between the battery cells 36 are provided and absorb thermal energy there. This increases the cooling capacity of the battery arrangement 20. The capillary arrangements 40 also extend at least partially under the battery cells 36 in order to be able to absorb the coolant 60 even better.

Durch die schlangenförmige Anordnung der Kapillaranordnung 40 wird ein hoher Umschlingungswinkel der Batteriezellen 36 erreicht. Somit kann sichergestellt werden, dass eine möglichst große Menge des Kältemittels 60 mit den Batteriezellen 36 in Kontakt kommt, um die Wärmeaufnahme und damit die Kühlleistung der Batterieanordnung 20 zu verbessern.Due to the serpentine arrangement of the capillary arrangement 40, a high wrap angle of the battery cells 36 is achieved. It can thus be ensured that the largest possible amount of refrigerant 60 comes into contact with the battery cells 36 in order to improve the heat absorption and thus the cooling performance of the battery arrangement 20.

2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine der Kapillaranordnungen 40 und schematisch angedeutet zwei Batteriezellen 36. Im Ausführungsbeispiel weist die Kapillaranordnung 40 Bereiche mit einem ersten Material 41 auf, welches kapillare Eigenschaften hat. Zusätzlich sind bevorzugt innere Fluidkanäle 42 vorgesehen, über welche das Kältemittel 60 im gasförmigen Zustand schnell aus der Kapillaranordnung 40 entweichen kann. 2 shows an example of a cross section through one of the capillary arrangements 40 and two battery cells 36 indicated schematically. In the exemplary embodiment, the capillary arrangement 40 has areas with a first material 41 which has capillary properties. In addition, internal fluid channels 42 are preferably provided, via which the refrigerant 60 can quickly escape from the capillary arrangement 40 in the gaseous state.

Das Kältemittel 60 wird also durch das erste Material 41 mit den kapillaren Eigenschaften im flüssigen Zustand nach oben transportiert, und nach der Aufnahme von Wärme und dem Übergang des Kältemittels 60 in den gasförmigen Zustand kann dieses über die inneren Fluidkanäle 42 schnell und ohne großen fluidtechnischen Widerstand nach oben oder unten entweichen. Im Ausführungsbeispiel sind immer abwechselnd ein Bereich mit dem ersten Material 41 und der Kapillarwirkung und ein innerer Fluidkanal 42 vorgesehen.The refrigerant 60 is therefore transported upwards in the liquid state by the first material 41 with the capillary properties, and after the absorption of heat and the transition of the refrigerant 60 into the gaseous state, it can be transported via the internal fluid channels 42 quickly and without great fluid resistance escape upwards or downwards. In the exemplary embodiment, an area with the first material 41 and the capillary action and an inner fluid channel 42 are always alternately provided.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kapillaranordnung 40, welche eine erste Schicht 81 mit einem ersten Material 41A und eine zweite Schicht 82 mit einem ersten Material 41 B aufweist, wobei zwischen den Schichten 81, 82 mit dem ersten Material 41A und 41 B eine Gitterstruktur 44 vorgesehen ist, welche die Fluidkanäle 42 ausbildet. Hierdurch kann das flüssige Kältemittel 60 großflächig in den Bereich der Batteriezellen 36 gelangen, und nach einer Verdampfung kann es durch die inneren Fluidkanäle 42 entweichen. Bevorzugt stehen die erste Wand 71 und die zweite Wand 72 über die inneren Fluidkanäle 42 in Fluidverbindung, ein Fluid kann also von der ersten Wand 71 zur zweiten Wand 72 gelangen und hierbei zumindest abschnittsweise durch die inneren Fluidkanäle 42 fließen. 3 shows a further embodiment of the capillary arrangement 40, which has a first layer 81 with a first material 41A and a second layer 82 with a first material 41B, a grid structure 44 being provided between the layers 81, 82 with the first material 41A and 41B is, which forms the fluid channels 42. As a result, the liquid refrigerant 60 can reach the area of the battery cells 36 over a large area, and after evaporation it can escape through the internal fluid channels 42. The first wall 71 and the second wall 72 are preferably in fluid communication via the inner fluid channels 42, so a fluid can pass from the first wall 71 to the second wall 72 and flow through the inner fluid channels 42 at least in sections.

Der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt bei 20 °C niedriger als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels 60 gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen. Der absolute Druck von 1,0 bar entspricht näherungsweise einem Normaldruck im Außenbereich.The absolute pressure in the battery module housing 70 is preferably lower than 1.0 bar at 20 ° C in order to reduce the evaporation temperature of the refrigerant 60 compared to an absolute pressure of 1.0 bar. The absolute pressure of 1.0 bar corresponds approximately to a normal pressure outdoors.

Der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse 70 liegt bevorzugt bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar, weiter bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar. Hierdurch wird eine niedrige Verdampfungstemperatur ermöglicht.The absolute pressure in the battery module housing 70 is preferably between 0.1 bar and 0.8 bar at 20 ° C, more preferably between 0.2 bar and 0.6 bar and particularly preferably between 0.3 bar and 0.5 bar. This enables a low evaporation temperature.

Das erste Material 41 mit den Kapillareigenschaften ist bevorzugt aus der Materialgruppe bestehend aus:

  • - Metallschaum,
  • - Titanschwamm, und
  • - Metallwolle.
The first material 41 with the capillary properties is preferably from the material group consisting of:
  • - metal foam,
  • - titanium sponge, and
  • - metal wool.

Dies sind Materialien mit kleinen Strukturen und damit einer guten Kapillarwirkung. Die Strukturen können bspw. Breiten im Bereich von 10 nm bis zu wenigen mm aufweisen. Es sind aber auch mikroporöse Strukturen mit einer Breite von weniger als 2 nm möglich. Die genannten Metallstrukturen haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise stabil sind und durch das Metall eine gute Wärmeleitung möglich ist. Die Stabilität ist bspw. vorteilhaft, wenn die Batteriezellen 36 gegeneinander verpresst sind, wie dies bspw. bei Pouch- Batteriezellen üblich ist.These are materials with small structures and therefore good capillary action. The structures can, for example, have widths in the range from 10 nm to a few mm. However, microporous structures with a width of less than 2 nm are also possible. The metal structures mentioned have the advantage that they are comparatively stable and the metal enables good heat conduction. The stability is advantageous, for example, if the battery cells 36 are pressed against each other, as is common, for example, with pouch battery cells.

Das erste Material 41 ist bevorzugt zumindest bereichsweise offenporig bzw. offenporös ausgebildet, um einen guten Fluss des Kältemittels 60 zu ermöglichen.The first material 41 is preferably at least partially open-pored or open-porous in order to enable a good flow of the refrigerant 60.

Metallschäume sind bspw. aus den Metallen Nickel, Kupfer, Eisen und/oder aus Metalllegierungen wie Edelstahl erhältlich. Sie weisen eine gute Kapillarwirkung auf und können bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen verwendet werden.Metal foams are available, for example, from the metals nickel, copper, iron and/or metal alloys such as stainless steel. They have good capillary action and can be used, for example, for pouch, round or prism battery cells.

Bevorzugt wird ein anisotroper Metallschaum verwendet, dessen Poren in mindestens eine Richtung zumindest teilweise eine höhere Ausdehnung haben als in eine andere Richtung. Bevorzugt werden die gedehnten Poren derart positioniert, dass sich die gedehnten Poren in eine Richtung zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 erstrecken, also im gezeigten Ausführungsbeispiels aus 1 senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Batteriezellen 36. Geeignete Metalle bzw. Metalllegierungen sind bspw. Nickel, Nickellegierungen und Edelstahl. Anisotroper Metallschaum ermöglicht eine höhere Kühlleistung durch einen größeren Massenstrom des Kältemittels 60 bei gleichem Bauraum.An anisotropic metal foam is preferably used, the pores of which are at least partially larger in at least one direction than in another direction. Preferably, the stretched pores are positioned such that the stretched pores extend in a direction between the first wall 71 and the second wall 72, i.e. in the exemplary embodiment shown 1 perpendicular to the main direction of extension of the battery cells 36. Suitable metals or metals Examples of alloys include nickel, nickel alloys and stainless steel. Anisotropic metal foam enables higher cooling performance due to a larger mass flow of the refrigerant 60 in the same installation space.

Offenporöse Metallschäume können beispielsweise mittels Schmelzeinfiltration von Platzhalterstrukturen erzeugt werden. Die Platzhalterstrukturen werden nach der Erstarrung der Metallschmelze aus der Schaumstruktur entfernt. Als Platzhalterstrukturen werden beispielsweise Salzgranulate, Polymerplatzhalter oder Sandgranulate genutzt. Alternativ können die Metallschäume durch einen Sintervorgang erzeugt werden.Open-porous metal foams can be produced, for example, by melt infiltration of placeholder structures. The placeholder structures are removed from the foam structure after the molten metal has solidified. Salt granules, polymer placeholders or sand granules, for example, are used as placeholder structures. Alternatively, the metal foams can be produced by a sintering process.

Titanschwamm ist eine Struktur, welche Titan oder eine Titanlegierung aufweist. Titanschwamm kann bspw. aus Titanschwammpulver durch einen Sintervorgang hergestellt werden. Titanschwammpulver ist als Abfallprodukt unterschiedlicher Fertigungsprozesse erhältlich. Titanschwamm ermöglicht einen großen Massenstrom des Kältemittels 60. Eingesetzt werden kann Titanschwamm bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen.Sponge titanium is a structure containing titanium or a titanium alloy. Titanium sponge can, for example, be made from titanium sponge powder through a sintering process. Titanium sponge powder is available as a waste product from various manufacturing processes. Titanium sponge enables a large mass flow of the refrigerant 60. Titanium sponge can be used, for example, for pouch, round or prism battery cells.

Titanschwamm kann beispielsweise durch den Kroll-Prozess hergestellt werden. Hierbei wird Titantetrachlorid mit Magnesium zu metallischem Titan reduziert. Magnesium und Magnesiumchlorid werden entfernt.For example, titanium sponge can be produced using the Kroll process. Here, titanium tetrachloride is reduced with magnesium to form metallic titanium. Magnesium and magnesium chloride are removed.

Metallwolle wird in der Technik vielfältig eingesetzt. Es weist ebenfalls eine gute Kapillarstruktur auf und ermöglicht eine hohe Kühlleistung durch Förderung des Kältemittels 60 zwischen den Batteriezellen 36. Eingesetzt werden kann Metallwolle bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen, und durch die gute Verformbarkeit kann es auch an kurvige Strukturen angepasst werden, wie diese bspw. bei liegenden oder stehenden Rund-Batteriezellen auftreten.Metal wool is used in many different ways in technology. It also has a good capillary structure and enables high cooling performance by conveying the coolant 60 between the battery cells 36. Metal wool can be used, for example, for pouch, round or prism battery cells, and its good deformability means it can also be used on curved structures be adjusted, as these occur, for example, with lying or standing round battery cells.

4 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung 20, welche schematisch über eine elektrische Leitung 12 mit einem Elektromotor 14 verbunden ist. Bei Fahrzeugen 10 ist die Batterieanordnung 20 besonders vorteilhaft, weil sie eine gute Kühlwirkung und damit auch eine gute Reichweite des Fahrzeugs 10 ermöglicht. Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich. 4 shows a vehicle 10 with a battery arrangement 20 according to the invention, which is schematically connected to an electric motor 14 via an electrical line 12. In vehicles 10, the battery arrangement 20 is particularly advantageous because it enables a good cooling effect and thus also a good range of the vehicle 10. Naturally, a variety of variations and modifications are possible within the scope of the present invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102017005593 A1 [0007]DE 102017005593 A1 [0007]
  • DE 102017218248 A1 [0008]DE 102017218248 A1 [0008]
  • US 2008292949 A1 [0009]US 2008292949 A1 [0009]
  • WO 2017/003504 A1 [0009]WO 2017/003504 A1 [0009]
  • WO 2020/207718 A1 [0010]WO 2020/207718 A1 [0010]

Claims (13)

Batterieanordnung (20), welche mindestens ein Batteriemodul (30) mit einem Batteriemodulgehäuse (70), Batteriezellen (36), einem Kältemittel (60) und Kapillaranordnungen (40) aufweist, welches Batteriemodulgehäuse (70) einen Batteriemodulinnenraum (34) definiert, in welchem Batteriemodulinnenraum (34) die Batteriezellen (36), das Kältemittel (60) und die Kapillaranordnungen (40) angeordnet sind, welche Kapillaranordnungen (40) zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen (36) angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, einen Fluidfluss des Kältemittels (60) zu ermöglichen, welches Batteriemodulgehäuse (70) eine erste Wand (71) und eine zweite Wand (72) aufweist, welche erste Wand (71) zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen (36) angeordnet ist und welche zweite Wand (72) zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen (36) angeordnet ist, welche Batteriezellen (36) eine längliche Form und eine Haupterstreckungsrichtung in Längsrichtung aufweisen und ihre Haupterstreckungsrichtung horizontal im Batteriemodulinnenraum (34) parallel zueinander angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Batteriezellen (36) wenigstens teilweise übereinander angeordnet sind, und welche Kapillaranordnungen (40) schlangenförmig zwischen den Batteriezellen (36) angeordnet sind und sich dabei ausgehend von der zweiten Wand (72) in Richtung der ersten Wand (71) erstrecken.Battery arrangement (20), which has at least one battery module (30) with a battery module housing (70), battery cells (36), a coolant (60) and capillary arrangements (40), which battery module housing (70) defines a battery module interior (34), in which Battery module interior (34), the battery cells (36), the refrigerant (60) and the capillary arrangements (40) are arranged, which capillary arrangements (40) are at least partially arranged at least in sections between the battery cells (36) and are designed to ensure a fluid flow of the refrigerant (60), which battery module housing (70) has a first wall (71) and a second wall (72), which first wall (71) is arranged at least in sections above the battery cells (36) and which second wall (72) at least is arranged in sections below the battery cells (36), which battery cells (36) have an elongated shape and a main direction of extension in the longitudinal direction and their main direction of extension are arranged horizontally in the battery module interior (34) parallel to one another, with at least two battery cells (36) being arranged at least partially one above the other , and which capillary arrangements (40) are arranged in a serpentine manner between the battery cells (36) and extend from the second wall (72) towards the first wall (71). Batterieanordnung (20) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Batteriezellen (36) als Rundzellen ausgeführt sind.Battery arrangement (20) according to the preceding claim, wherein the battery cells (36) are designed as round cells. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei übereinander angeordnete direkt aneinandergrenzende Batteriezellen (36) versetzt zueinander angeordnet sind.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, wherein at least two directly adjacent battery cells (36) arranged one above the other are arranged offset from one another. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei direkt aneinandergrenzende Batteriezellen (36) direkt übereinander angeordnet sind.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, wherein at least two directly adjacent battery cells (36) are arranged directly one above the other. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapillaranordnungen (40) zumindest teilweise wenigstens ein erstes Material (41) aufweisen aus der Materialgruppe bestehend aus: - Metallschaum, - Titanschwamm, und - Metallwolle.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, wherein the capillary arrangements (40) at least partially have at least one first material (41) from the material group consisting of: - metal foam, - titanium sponge, and - metal wool. Batterieanordnung (20) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher das erste Material (41) zumindest bereichsweise offenporig und/oder offenporös ausgebildet ist.Battery arrangement (20) according to the preceding claim, in which the first material (41) is at least partially open-pored and / or open-porous. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mindestens ein Kühlelement (51, 52) aufweist, welches mindestens eine Kühlelement (51, 52) dazu eingerichtet ist, - die erste Wand (71), - die zweite Wand (72), oder - die erste Wand (71) und die zweite Wand (72) zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels (60) zu ermöglichen.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, which has at least one cooling element (51, 52), which at least one cooling element (51, 52) is set up to - the first wall (71), - the second wall (72), or - to cool the first wall (71) and the second wall (72) at least in sections in order to enable condensation of the refrigerant (60) there. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse (70) bei 20 °C niedriger ist als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels (60) gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, in which the absolute pressure in the battery module housing (70) at 20 ° C is lower than 1.0 bar in order to increase the evaporation temperature of the refrigerant (60) compared to an absolute pressure of 1.0 bar humiliate. Batterieanordnung (20) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse (70) bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar liegt, bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar, und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar.Battery arrangement (20) according to the preceding claim, in which the absolute pressure in the battery module housing (70) at 20 °C is between 0.1 bar and 0.8 bar, preferably between 0.2 bar and 0.6 bar, and particularly preferably between 0.3 bar and 0.5 bar. Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mindestens ein äußerer Fluidkanal (43) zwischen den Batteriezellen (36) und dem Batteriemodulgehäuse (70) ausgebildet ist, über welchen äußeren Fluidkanal (43) der Batteriemodulinnenraum (34) zwischen der ersten Wand (71) und der zweiten Wand (72) in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen äußeren Fluidkanal (43) zu ermöglichen.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, in which at least one outer fluid channel (43) is formed between the battery cells (36) and the battery module housing (70), via which outer fluid channel (43) the battery module interior (34) is formed between the first wall (71) and the second wall (72) is in fluid communication to enable refrigerant flow through this at least one outer fluid channel (43). Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kapillaranordnungen (40) zumindest teilweise einen inneren Fluidkanal (42) aufweisen, über welchen inneren Fluidkanal (42) der Batteriemodulinnenraum (34) zwischen der ersten Wand (71) und der zweiten Wand (72) in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen inneren Fluidkanal (42) zu ermöglichen.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, in which the capillary arrangements (40) at least partially have an inner fluid channel (42), via which inner fluid channel (42) the battery module interior (34) between the first wall (71) and the second wall (72) is in fluid communication to enable refrigerant flow through this at least one inner fluid channel (42). Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zwischen den Batteriezellen (36) und der zweiten Wand (72) zumindest bereichsweise ein Hohlraum (75) vorgesehen ist, um in diesem Hohlraum (75) eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel (60) und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs zu ermöglichen.Battery arrangement (20) according to one of the preceding claims, in which a cavity (75) is provided at least in some areas between the battery cells (36) and the second wall (72) in order to prevent an accumulation of liquid refrigerant (60) in this cavity (75). and to enable the formation of a refrigerant sump. Fahrzeug (10), welches eine Batterieanordnung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Elektromotor (14) aufweist.Vehicle (10), which has a battery arrangement (20) according to one of the preceding claims and an electric motor (14).
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