DE102022124278A1

DE102022124278A1 - Energiespeichervorrichtung mit aktiver Temperierung und Verfahren zur aktiven Temperierung der Energiespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102022124278A1
Application number: DE102022124278.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kratzer; Michael Klauke
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024061630A1

Abstract

Energiespeichervorrichtung (1) mit aktiver Temperierung, umfassend: mindestens ein Batteriezellenmodul (2) umfassend: eine Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3); zwei einander gegenüberliegende Seitenplatten (6); zwei einander gegenüberliegende Stirnelemente (21), wobei die Seitenplatten (6) und die Stirnelemente (21) miteinander verbunden sind und die Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3) umgeben; und wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement (4), welches zwischen einer seitlichen Außenseite der Batteriezellen (3) und wenigstens einer der Seitenplatten (6) angeordnet ist, wobei die Energiespeichervorrichtung (1) ferner umfasst: mindestens ein aktives Temperierelement (7), das unterhalb des Batteriezellenmoduls (2) angeordnet ist und zumindest teilweise mit den Batteriezellen (3) in thermischem Kontakt steht; eine Tragstruktur (9a), die wenigstens ein Batteriezellenmodul (2) umgibt; und ein Gehäuse (9) zur Aufnahme der Tragstruktur (9a) mit dem mindestens einen Batteriezellenmodul (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit aktiver Temperierung sowie ein Verfahren zur aktiven Temperierung der Energiespeichervorrichtung.
Hintergrund
Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen werden mehrere Traktionsbatterien typischerweise elektrisch parallel verschaltet. Diese Leistungsverzweigung der Traktionsleistung hat zur Folge, dass die Traktionsbatterien bei tiefen Außentemperaturen auskühlen. Dies führt unter anderem dazu, dass die Traktionsbatterien im Winter oft auf Kosten der Reichweite elektrisch geheizt werden müssen.
Gleichzeitig werden die Betriebsverluste in Form von Wärme an die Umwelt abgegeben. Daher ist es schwierig, vorherzubestimmen, wie stark die Traktionsbatterie aktiv temperiert, insbesondere aktiv gekühlt oder beheizt werden muss, um einen optimalen Betrieb derselben zu erzielen und dabei elektrische Energie möglichst effizient zu nutzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aktive und/oder effiziente Temperierung für eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente und/oder wohldefinierbare bzw. vorherbestimmte Kühlung und/oder Heizung für eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Eigenwärme einer Energiespeichervorrichtung bei kalten Temperaturen für den Betrieb der Energiespeichervorrichtung nutzen zu können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sehr effizient zu betreiben, sodass die Temperierung der Traktionsbatterie möglichst wenig Auswirkung auf die erzielte Reichweite des Fahrzeugs hat.
Mindestens eine der besagten Aufgaben wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Mögliche Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt umfasst eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine Batterie, beispielsweise eine Traktionsbatterie, mit aktiver Temperierung: mindestens ein Batteriezellenmodul, wobei das Batteriezellenmodul umfasst: eine Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen; zwei einander gegenüberliegende Seitenplatten; zwei einander gegenüberliegende Stirnelemente bzw. Endelemente, wobei die Seitenplatten und die Stirnelemente miteinander verbunden sind und die Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen umgeben; und wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement, welches zwischen einer ersten Außenseite der Batteriezellen (insbesondere einer ersten Außenfläche der Batteriezellen) und wenigstens einer der Seitenplatten angeordnet ist, wobei die Energiespeichervorrichtung ferner umfasst: mindestens ein aktives Temperierelement, insbesondere ein aktives Kühl- und/oder Heizelement, das unterhalb des Batteriezellenmoduls angeordnet ist und zumindest teilweise mit den Batteriezellen in thermischem Kontakt steht; eine Tragstruktur, die wenigstens ein Batteriezellenmodul umgibt; und ein Gehäuse zur Aufnahme und/oder Lagerung der Tragstruktur mit dem mindestens einen Batteriezellenmodul.
Das thermische Stütz-Isolierelement vereint thermisch isolierende mit mechanisch stützenden Eigenschaften, wodurch nicht zwei, sondern lediglich ein Element verbaut werden muss, um diese Eigenschaften zu erlangen. Das thermische Stütz-Isolierelement hat also thermisch isolierende Eigenschaften, sodass an der Stelle, an der es an der Batteriezelle angeordnet ist, ein Wärmefluss hinein und/oder hinaus vermindert und insbesondere verhindert werden kann. Überdies hat das thermische Stütz-Isolierelement stützende Eigenschaften. Die stützenden Eigenschaften können puffernde, strukturgebe, (mechanisch) stabilisierende und/oder weich-lagernde Eigenschaften umfassen. Das thermische Stütz-Isolierelement kann ferner auch elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann das thermische Stütz-Isolierelement eine Gummi-Matte umfassen, die Stöße und/oder mechanische Erschütterungen von außen an der Seitenplatte so abfängt und/oder abpuffert, dass die betroffene Batteriezelle davor abgeschirmt und/oder geschützt und daher schonend gelagert wird. Das thermische Stütz-Isolierelement kann bevorzugt zwischen der seitlichen ersten Außenseite einer einzelnen Batteriezelle und wenigstens einer der Seitenplatten angeordnet sein. In diesem Fall hat das thermische Stütz-Isolierelement entweder kleinere oder etwa gleich große Dimensionen wie die seitliche erste Außenseite der Batteriezelle. Alternativ kann das thermische Stütz-Isolierelement ein einziges Element sein, das sich über die Länge mehrerer Batteriezellen entlang der Längsseite des Zell-Stacks erstreckt. Das thermische Stütz-Isolierelement kann eine Seite einer Batteriezelle im Wesentlichen vollständig bedecken. Alternativ kann das thermische Stütz-Isolierelement eine Seite einer Batteriezelle nur teilweise bedecken. Die (seitliche) erste Außenseite der Batteriezelle kann in vielen Fällen auch als (seitliche) Außenfläche bezeichnet und/oder verstanden werden.
Das thermische Stütz-Isolierelement ist ein Stützelement, das eine für die Batteriezelle(n) thermisch abschirmende Wirkung hat, um eine Wärmeleitung zur umgebenden Seitenwand zu unterbinden. Dafür kann zwischen der Batteriezelle und der Seitenplatte eines Zellmoduls eine thermische Isolationsmatte, die dem thermischen Stütz-Isolierelement entspricht, eingelegt werden. Mit dem thermischen Stütz-Isolierelement kann verringert, vermieden und/oder verhindert werden, dass Wärme zwischen einer Batteriezelle und der Außenwelt bzw. der Umwelt über einen mechanischen Lastpfad ausgetauscht wird. Der thermisch isolierte mechanische Lastpfad kann beispielsweise dem Wärmepfad entsprechen, entlang dessen eine Wärmedissipation erfolgen würde, sofern keine thermische Isolierung mittels des thermischen Stütz-Isolierelements erfolgen würde, und zwar entlang folgender Elemente: Batteriezelle - Seitenplatte - Tragwerk - Gehäuse. Ein mechanischer Lastpfad kann mechanische Bauelemente einer Energiespeichervorrichtung und ggf. weitere Bauelemente, die nicht zur Energiespeichervorrichtung gehören, umfassen. Die mechanischen Bauelemente können zur Lagerung und/oder zum Einschließen und/oder Abschirmen der Batteriezellen dienen. Der mechanische Lastpfad - sofern er nicht thermisch an einer oder mehreren Stellen thermisch entkoppelt bzw. isoliert ist - kann Bauelemente aufweisen, die miteinander in thermischem Kontakt stehen und sich dazu eignen, Wärme zu leiten.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung hat insbesondere wegen des thermischen Stütz-Isolierelements den technischen Effekt, dass eine aktive und/oder effiziente Temperierung der Energiespeichervorrichtung verwirklicht werden kann. Ein Vorteil der Energiespeichervorrichtung liegt auch darin, dass eine effiziente und wohldefinierbare Kühlung und/oder Heizung erzielt werden kann. Die Eigenwärme der Energiespeichervorrichtung kann zumindest teilweise bei kalten Temperaturen für den Betrieb der Energiespeichervorrichtung genutzt werden. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann daher mittels der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sehr effizient betrieben werden, wobei die Temperierung der Traktionsbatterie kaum Auswirkung auf die erzielte Reichweite des Fahrzeugs hat, da die Temperaturschwankungen aufgrund von Wärmeableitung oder Wärmezufuhr verringert werden.
Die Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen kann als Zell-Stack bezeichnet werden. Die Batteriezellen können als Pouchzellen und/oder prismatische Zellen ausgebildet sein. Die Batteriezellen können gruppiert, gestapelt, aneinandergereiht und/oder gepresst werden, wozu diese mittels der gegenüberliegenden Seitenplatten und der gegenüberliegenden Stirnelemente umgeben werden und diese an den Stirnflächen des Zell-Stacks verschweißt werden. Somit wird der Zell-Stack von einer Außenummantelung umgeben. Diese Außenummantelung ist so gebildet, dass sie den Zell-Stack trägt. Zwischen Außenummantelung und Außenwandung der Batteriezellen ist mindestens ein thermisches Stütz-Isolierelement angeordnet, wodurch eine thermische Entkopplung der Batteriezelle(n) von der Außenummantelung und damit vom mechanischen Lastpfad der Zellbefestigung erzielt werden kann.
Das thermische Stütz-Isolierelement kann an einer Innenseite, also einer der Batteriezellen zugewandten Seite der Seitenplatte angeordnet und insbesondere fixiert sein. Beispielsweise kann das wenigstens eine thermische Stütz-Isolierelement an der besagten Innenseite angeklebt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das thermische Stütz-Isolierelement an einer ersten Außenseite einer oder mehrerer Batteriezellen angeklebt sein.
Das aktive Temperierelement kann ein Kühlelement und/oder ein Heizelement (beispielsweise eine Kühlplatte und/oder eine Heizplatte) umfassen oder sein und dient zur aktiven Temperierung, also zum Kühlen und/oder zum Heizen und kann beispielsweise regel- und/oder steuerbar sein. Das aktive Temperierelement kann gleichzeitig ein Kühlelement und ein Heizelement darstellen, je nachdem, in welche Richtung der Wärmefluss verläuft. Läuft der Wärmefluss zum aktiven Temperierelement hin (Temperierelement nimmt Wärme auf), dann wirkt es in diesem Moment als ein Kühlelement. Läuft der Wärmefluss vom aktiven Temperierelement weg (Temperierelement gibt Wärme ab), dann wirkt es in diesem Moment als ein Heizelement. Das aktive Temperierelement kann ein elektrisches Temperierelement umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das aktive Temperierelement von einem Fluid (z.B. Kühlflüssigkeit) durchströmt werden, um Wärme abzutransportieren oder zuzuführen. Das Temperierelement kann auch lediglich eine Kühlplatte aufweisen, welche Wärme in einem kühlenden Betrieb aufnimmt und später in einem heizenden Betrieb wieder abgibt. Ob ein Temperierelement als Kühl- oder als Heizelement wirkt, richtet sich also danach, ob es Wärme vom Batteriezellenmodul aufnimmt oder an das Batteriezellenmodul abgibt. Das Temperierelement kann dabei ein gesondertes Kühlelement und/oder ein gesondertes Heizelement aufweisen. Das Temperierelement kann auch ein Kühlelement aufweisen, das in einem kühlenden Betrieb kühlt, also Wärme aufnimmt, und das in einem heizenden Betrieb als Heizelement wirkt und heizt, also Wärme abgibt. Das Temperierelement kann dabei ggf. Wärme über einen definierten Wärmepfad aus der Energiespeichervorrichtung ausleiten (möglichst nicht über einen Wärmepfad, der das Gehäuse beinhaltet). Das Temperierelement kann zusätzlich oder alternativ ggf. Wärme über einen definierten Wärmepfad in die Energiespeichervorrichtung einleiten (möglichst nicht über einen Wärmepfad, der das Gehäuse beinhaltet). Ein solcher Wärmepfad kann beispielsweise mittels einer Kühlflüssigkeit realisiert werden, die von außen in die Energiespeichervorrichtung hinein und/oder aus der Energiespeichervorrichtung hinausläuft, insbesondere zirkuliert. Das Temperierelement kann bevorzugt bei niedrigen Außentemperaturen als Heizelement und ggf. bei hohen Außentemperaturen als Kühlelement wirken.
Ein thermischer Kontakt zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Elemente so in Kontakt stehen, dass Wärme ausgetauscht werden kann, insbesondere in verschiedene und/oder entgegengesetzte Wärmeflussrichtungen.
Es kann ein einziges aktives Temperierelement unterhalb mehrerer Batteriezellenmodule angeordnet sein und zumindest teilweise mit den Batteriezellen in thermischem Kontakt stehen. In dem Fall muss nur ein einziges aktives Temperierelement zum Temperieren mehrerer Batteriezellenmodule bereitgestellt werden, was besonders effizient, insbesondere kosteneffizient ist.
Alternativ kann auch jedes einzelne Batteriezellenmodul einer Mehrzahl von Batteriezellenmodule individuell mit einem eigens dafür vorgesehenen aktiven Temperierelement in thermischem Kontakt stehen. Mit anderen Worten kann jedes einzelne Batteriezellenmodul einer Mehrzahl von Batteriezellenmodule ein eigenes aktives Temperierelement aufweisen. Dies hat zum Vorteil, dass jedes einzelne Batteriezellenmodul individuell temperiert werden kann. Daher kann auf individuelle Erfordernisse verschiedener Batteriezellenmodule eingegangen werden, indem jedes aktive Temperierelement für jedes einzelne Batteriezellenmodul eingestellt, gesteuert und/oder geregelt wird. Zur Steuerung bzw. Regelung können am Batteriezellenmodul und/oder innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung ein oder mehrere Temperatursensoren angeordnet sein.
Die Tragstruktur kann einen Rahmen (Tragstruktur-Rahmen) und/oder ein Fachwerk umfassen. Auch das Gehäuse kann einen Rahmen (Gehäuse-Rahmen) umfassen. Die Tragstruktur die im Wesentlichen der sicheren Aufnahme eines Batteriezellenmoduls oder von mehreren Batteriezellenmodulen.
Das thermische Stütz-Isolierelement kann umfassen: ein sich verformendes oder elastisches Material, ein Schaumstoff, eine Matte, insbesondere eine Gummi-Matte und/oder eine Platte, insbesondere eine reversibel verformbare Platte.
Die besagten Materialien eignen sich besonders für thermische Stütz-Isolierelemente, da sie eine sehr stabilisierende, insbesondere eine gut puffernde Wirkung aufweisen und gleichzeitig eine hohe thermische Abschirmung ermöglichen. Solche thermischen Stütz-Isolierelemente vereinen daher in geeigneter Weise die Wirkung der thermischen Isolation und der mechanischen Stabilisierung und/oder Stützung der Batteriezelle(n). Überdies lassen sich diese Materialien leicht verbauen und sind kostengünstig in der Herstellung. Daher kann eine besonders energie- und kosteneffiziente Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden.
Das thermische Stütz-Isolierelement kann auf mindestens einer Seite eine adhäsive Fläche, insbesondere eine klebende und/oder mit einem Klebstoff versehene Fläche aufweisen. Das thermische Stütz-Isolierelement kann daher in praktischer und/oder einfacher Weise auf einer ersten Außenseite der Batteriezelle und/oder auf einer Innenseite der Seitenplatte angeordnet und/oder fixiert werden, was dazu führt, dass die Energiespeichervorrichtung einfach hergestellt werden kann. Der Schritt des Aufbringens einer zusätzlichen Adhäsionsschicht oder das Anbringen von Fixier-Elementen kann daher vermieden werden. Überdies kann das Verrutschen eines thermischen Stütz-Isolierelements auf der Oberfläche einer Batteriezelle und/oder einer Seitenplatte verhindert werden.
An jeder der Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen kann wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann jeweils auf beiden gegenüberliegenden ersten Außenseiten der Batteriezelle ein thermisches Stütz-Isolierelement angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine einzelne Batteriezelle des Zell-Stacks, vorzugsweise jede Batteriezelle des Zell-Stacks, mit dem einen oder mit den auf beiden Seiten vorgesehenen thermischen Stütz-Isolierelementen thermisch isoliert werden.
Möglicherweise können die einzelnen thermischen Stütz-Isolierelemente individuelle Eigenschaften für die Erfordernisse der jeweiligen Batteriezellen aufweisen, beispielsweise unterschiedliche Materialien und/oder Maße aufweisen. Überdies kann jede Batteriezelle individuell gestützt und daher mechanisch gegenüber Erschütterungen abgeschirmt werden.
Ein einzelnes thermisches Stütz-Isolierelement kann die erste Außenseite einer oder mehrerer Batteriezellen vollständig bedecken. Alternativ kann das thermische Stütz-Isolierelement die erste Außenseite einer oder mehrerer Batteriezellen lediglich teilweise bedecken. In einer weiteren Ausführungsform kann ein einzelnes thermisches Stütz-Isolierelement eine Seite entlang einer Längsachse des Batteriezellenstapels bzw. des Zell-Stacks über eine Vielzahl von Batteriezellen vollständig abdecken. In wieder einer anderen Ausführungsform kann ein einzelnes thermisches Stütz-Isolierelement entlang aller vier Seiten zwischen den Batteriezellen und den Seitenplatten sowie zwischen den Batteriezellen und den Stirnelementen angeordnet sein.
Optimal ist die Anordnung von thermischen Stütz-Isolierelementen auf den gegenüberliegenden ersten Außenseiten zwischen den Seitenplatten und den Batteriezellen und zwischen den Stirnelementen und den jeweiligen außenliegenden zweiten Außenseiten der Batteriezellen. Dadurch kann eine Wärmeableitung bzw. ein Wärmeeintrag von der Außenummantelung zum Zell-Stack unterbunden oder wenigstens reduziert werden.
Das mindestens eine Batteriezellenmodul kann wenigstens zwei prismatische oder Pouch-Batteriezellen umfassen. Prismatische Batteriezellen eignen sich besonders zum Stapeln von Batteriezellen in Energiespeichervorrichtungen.
Die Energiespeichervorrichtung kann mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt aufweisen, der bevorzugt an mindestens einer der Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen angeordnet sein kann, insbesondere an einer Oberseite der jeweiligen Batteriezelle. Alternativ oder zusätzlich kann ein elektrischer Anschlusskontakt auch an einer Unterseite einer Batteriezelle angeordnet sein. Möglicherweise kann ein elektrischer Anschlusskontakt auch an einer Seitenfläche einer Batteriezelle angeordnet sein, sofern die entsprechende Position nicht von einer Seitenplatte oder einem anderen Element bedeckt ist.
Die Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen kann quaderförmig ausgebildet sein, sodass zwei gegenüberliegende seitliche erste Außenseiten zu den Seitenplatten ausgerichtet sind und/oder mindestens eine von zwei anderen bzw. zweiten gegenüberliegenden Außenseiten an einer benachbarten Batteriezelle anliegt. Quaderförmige Batteriezellen haben den Vorteil, dass sie besonders gut miteinander gestapelt werden können und derart besonders kompakte Batteriezellenmodule bilden, die platzsparend in Tragstrukturen und/oder Gehäusen verbaut werden können.
Mindestens eine, insbesondere jede der Mehrzahl der Batteriezellen kann jeweils ein Batteriezellengehäuse mit einer Oberseite und einer gegenüberliegenden Unterseite, zwei ersten Außenseiten und zwei zweiten Außenseiten aufweisen. Insgesamt hat ein quaderförmiges Batteriezellengehäuse sechs Seiten bzw. Seitenflächen, wovon sich jeweils zwei gegenüberliegen. Ein Batteriezellengehäuse und/oder eine Batteriezelle kann eine Batteriezellen(gehäuse)-Längsachse aufweisen, die senkrecht zur Längsachse des Batteriezellenmoduls steht. Die Seitenflächen mit einer langen Seitenkante von benachbarten Batteriezellen bzw. Batteriezellengehäusen sind so aneinandergereiht oder gestapelt, dass sie sich einander gegenüber liegen bzw. aneinander liegen, wobei die Seitenflächen mit kurzer Seitenkante (die erste Außenseite der Batteriezellen) gestapelt entlang der Längsachse des Batteriezellenmoduls die seitliche Außenfläche des Batteriezellenmoduls bilden. Das Batteriezellengehäuse kann eine Batteriezellendose, ein Aluminiumgehäuse und insbesondere ein Gehäuse mit thermischer Isolierung zur Innenseite umfassen. Das Batteriezellengehäuse schirmt die Batteriezelle vor der Umwelt ab, und zwar in erster Funktion chemisch, thermisch, elektrisch und/oder mechanisch, sodass die Batteriezelle vor Wärme, elektrischen Feldern und/oder mechanischen Einflüssen, wie Vibrationen, Schlägen und/oder Stößen geschützt werden kann.
Die Mehrzahl von Batteriezellen kann miteinander entlang einer Längsachse des Batteriezellenstapels bzw. des Zell-Stacks zu dem Batteriezellenmodul in der Außenummantelung verpresst sein. Dazu können die Stirnelemente bzw. Endelemente jeweils mit den beiden gegenüberliegenden Seitenplatten des Batteriezellenmoduls verschweißt sein, sodass die Stirnelemente mit den Seitenplatten ein Batteriezellenmodul umgeben und im Wesentlichen eine Einheit damit bilden. Ein gepresstes Batteriezellenmodul ist besonders kompakt, insbesondere wenn die Seitenplatten und die Stirnelemente, die ebenfalls Platten sein können, miteinander verschweißt sind. Die Seitenplatten und die Stirnelemente können gleiche oder unterschiedliche Materialien, insbesondere Metall umfassen. Sie können jeweils aber auch ein Polymer oder einen Kunststoff umfassen. Die Elemente können auch verschweißt und/oder miteinander verklebt und/oder verschraubt oder anderweitig verbunden sein.
Die Energiespeichervorrichtung kann ferner Halterungselemente und/oder Fixierelemente umfassen, die an einer nach außen gerichteten Fläche der Seitenplatten und/oder der Stirnelemente angeordnet und/oder dazu ausgelegt sein können, das mindestens eine Batteriezellenmodul an der Tragstruktur und/oder dem Gehäuse abzustützen, zu fixieren, zu halten, zu tragen und/oder zu lagern. Halterungselemente und/oder Fixierelemente ermöglichen den unkomplizierten, schnellen und/oder einfachen Einbau von Batteriezellenmodulen in und/oder an eine Tragstruktur und/oder ein Gehäuse. Ein defektes und/oder veraltetes Batteriezellenmodul kann überdies schnell und einfach ausgebaut und ausgetauscht werden. Die Halterungselemente und/oder Fixierelemente können ein Batteriezellenmodul ferner an wenigen Stellen an der Tragstruktur und/oder dem Gehäuse (quasi-schwebend) lagern und/oder befestigen, sodass nur wenige Kontaktstellen bestehen und somit die Stellen für Übertragung äußerer Einflüsse, wie Wärmedissipation, elektrische Kontakte und Vibration reduziert und lokalisiert werden können.
Die Energiespeichervorrichtung kann ferner umfassen: eine Bodenplatte, auf der das aktive Temperierelement angeordnet ist; und/oder einen Gehäuseboden als Teil des Gehäuses, auf dem die optionale Bodenplatte angeordnet sein kann, und ggf. eine Stützplatte, die zwischen dem Temperierelement bzw. der optionalen Bodenplatte und dem Gehäuseboden angeordnet ist, wobei das aktive Temperierelement bevorzugt mittels einer Mehrzahl von thermisch isolierenden Verbindungselementen an der Bodenplatte, der Tragstruktur, dem Gehäuse und/oder der Stützplatte fixiert sein kann. Die Bodenplatte, auf der das aktive Temperierelement angeordnet sein kann, ist ausdrücklich optional. Die Bodenplatte kann mit einem (thermisch und/oder elektrisch) isolierenden Material ausgekleidet sein, um einen Wärmefluss zwischen Gehäuse und Temperierelement insbesondere auf der Unterseite zu verhindern.
Eine solche Bodenplatte, auf der das aktive Temperierelement angeordnet sein kann, kann das aktive Temperierelement daher vor äußeren Einflüssen, die von unterhalb der Bodenplatte auftreten können, abschirmen bzw. schützen. So kann die Bodenplatte das aktive Temperierelement vor thermischen, elektrischen und/oder mechanischen Einflüssen und/oder vor Kontamination abschirmen. Die Bodenplatte kann auch zum Lagern und/oder Halten des aktiven Temperierelements geeignet sein, sodass das aktive Temperierelement nicht selbst sondern die Bodenplatte an und/oder in der Tragstruktur und/oder dem Gehäuse angeordnet sein kann. Dazu kann das aktive Temperierelement mit/an der Bodenplatte gelagert, verbunden, fixiert und/oder befestigt sein.
Ggf. kann eine Stützplatte zwischen der Bodenplatte und dem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuseboden angeordnet sein, sodass ein weiterer Puffer bzw. eine weitere Abschirmung für thermische, elektrische und/oder mechanische Einflüsse bereitgestellt werden kann. Die Stützplatte kann beispielsweise ein Gerüst sein, das Verstrebungen und Öffnungen, bzw. mit Luft gefüllte Lücken dazwischen aufweist, wobei die Luft als Puffer für elektrische und thermische Einflüsse wirkt.
Das aktive Temperierelement kann bevorzugt mittels einer Mehrzahl von thermisch und möglicherweise auch elektrisch isolierenden Verbindungselementen an der Bodenplatte, der Tragstruktur, dem Gehäuse und/oder der Stützplatte fixiert sein, wobei die Verbindungselemente Isolierhülsen, Schrauben und/oder Unterlegscheiben umfassend ein isolierendes Material, wie ein Kunststoff und/oder Polymer umfassen können. Ein Vorteil besteht darin, dass das aktive Temperierelement lediglich mit dem Batteriezellenmodul in thermischem Kontakt steht, sodass vermieden wird, dass andere Elemente versehentlich oder mittelbar gekühlt und/oder beheizt werden, was thermisch ineffizient und unbeabsichtigt wäre. Es kann überdies genau vorbestimmt werden, welche Wärmemenge von dem Batteriezellenmodul durch aktive Kühlung/Heizung abgeführt/zugeführt werden muss, wobei anderweitige unbeabsichtigte Kühlung/Heizung von anderen Elementen dabei außer Acht gelassen werden kann.
Auf diese Art und Weise kann ein weiterer mechanischer Lastpfad thermisch isoliert bzw. entkoppelt werden, wodurch eine aktive und besonders effiziente Temperierung der Energiespeichervorrichtung verwirklicht werden kann und energetische Verluste durch unbeabsichtigte Wärmeabfuhr verringert oder gar vermieden werden. Ein Vorteil dieser Energiespeichervorrichtung liegt auch darin, dass eine besonders effiziente und wohl definierbare Kühlung bzw. Heizung erzielt werden kann. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann daher mittels der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sehr effizient betrieben werden, wobei die Temperierung der Traktionsbatterie kaum Auswirkung auf die erzielte Reichweite des Fahrzeugs hat.
Die Mehrzahl von isolierenden Verbindungselementen kann zwei bis acht isolierende Verbindungselementen aufweisen, insbesondere drei oder vier isolierende Verbindungselemente. Je mehr Kontaktstellen an Verbindungselementen zwischen dem aktiven Temperierelement und dem Gehäuse und/oder der Tragstruktur bestehen, desto stabiler ist die Lagerung, allerdings kann auch mehr Wärme ausgetauscht werden. Daher ist es vorteilhaft, die Anzahl der Kontaktstellen so zu reduzieren, dass einerseits noch eine sichere und zuverlässige Lagerung gewährleistet werden kann und andererseits möglichst wenig Wärme ausgetauscht wird.
Das aktive Temperierelement kann steuer- und/oder regelbar sein. Das aktive Temperierelement kann so gesteuert und/oder geregelt werden. Überschreitet ein Batteriezellenmodul beispielsweise eine bestimmte Temperatur, so kann das aktive Temperierelement aktiviert werden und solange kühlen/heizen, bis eine Solltemperatur erreicht wird. Wird die Solltemperatur erreicht oder unterschritten, so kann das aktive Temperierelement wieder deaktiviert werden. Das aktive Temperierelement, das bevorzugt eine Kühlplatte ist oder aufweist, kann beispielsweise mit einer Kühlflüssigkeit zum Abführen oder Zuführen von Wärme betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das aktive Temperierelement einen Ventilator, ein elektrisches Element (z.B. Peltier) und/oder einen (kontaktierbaren) Kühlblock umfassen. Ein regel- und/oder steuerbares Temperierelement kann effizient, gezielt und vorbestimmbar Wärme von einem Batteriezellenmodul abführen, sodass die dafür verwendete Energie effizient genutzt werden kann.
Wärme kann von dem mindestens einen Batteriezellenmodul im Wesentlichen nur mittels des aktiven Temperierelements über einen Wärmepfad und/oder im Wesentlichen nicht passiv über die Tragstruktur und/oder das Gehäuse über einen mechanischen Lastpfad abgeführt/zugeführt werden. Ein definierter Wärmepfad von dem Batteriezellenmodul zum aktiven Temperierelement führt zu einer effizienten, gezielten und vorbestimmbaren Wärmeabfuhr und ein umgekehrter Wärmefluss führt zu einer entsprechenden Wärmezufuhr, sodass die dafür verwendete Energie effizient genutzt werden kann.
Zwischen Bodenflächen der Batteriezellen und dem aktiven Temperierelement kann zumindest teilweise ein thermisch leitendes Füllelement angeordnet sein, wobei das Füllelement bevorzugt ein flexibles und/oder formbares Material aufweist. Das Füllelement kann Materialen umfassen, die besonders wärmeleitfähig sind, wie bspw. Metalle. Gleichzeitig kann das jeweilige Metall in ein flexibles und/oder verformbares Material eingebettet sein, sodass die Oberflächen des aktiven Temperierelements und der Batteriezellen besonders vollflächig, vollständig, zuverlässig und/oder dicht kontaktiert werden und Wärme effizient von den Batteriezellen zu (von) dem aktiven Temperierelement fließen kann. Das Füllelement, auch Gapfiller genannt, kann daher in geeigneter Weise als thermische Brücke bzw. als thermisches Kontaktelement zwischen den Bodenflächen der gestapelten Batteriezellen und dem Temperierelement, insbesondere der Kühlplatte und/oder Heizplatte wirken. Daher kann überschüssige Wärme schnell und effizient von den Batteriezellen abgeführt oder zugeführt werden, sofern erforderlich.
Die Tragstruktur kann eine Gitterstruktur mit Profilverstrebungen und Öffnungen zwischen den Profilverstrebungen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass ein hauptsächlich mit Luft gefüllter Raum zwischen den Batteriezellmodulen und dem Gehäuse besteht, wodurch thermische und/oder elektrische Brückenverbindungen reduziert oder gar vermieden werden können. Überdies wirkt auch in diesem Fall Luft als Puffer für thermische Wärmeflüsse.
Das Gehäuse dient der Aufnahme von Tragstruktur, Temperierelement und von wenigstens einem Batteriezellenmodul. Das Gehäuse kann Gehäusewände umfassen, wobei das Gehäuse auf einer Innenseite bevorzugt ein thermisches Gehäuse-Isolierelement aufweisen kann. Die Gehäusewände können die Batteriezellenmodule vor äußeren Einflüssen umfassend thermische, elektrische und/oder mechanische Einflüsse und/oder Kontamination schützen, insbesondere wenn ein thermisches Gehäuse-Isolierelement verbaut ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung mit aktiver Temperierung angegeben, umfassend die Schritte: Aneinanderreihen einer Mehrzahl von Batteriezellen; Anordnen von zwei einander gegenüberliegende Seitenplatten an den aneinandergereihten Batteriezellen; Anordnen von zwei einander gegenüberliegenden Stirnelementen an den aneinandergereihten Batteriezellen; Verbinden der Seitenplatten mit den Stirnelementen; Anordnen eines thermischen Stütz-Isolierelements zwischen einer ersten Außenseite der Batteriezellen und wenigstens einer der Seitenplatten; Anordnen mindestens eines aktiven Temperierelements unterhalb des Batteriezellenmoduls und zumindest teilweise thermisches Kontaktieren des aktiven Temperierelements mit den Batteriezellen; Anordnen des Batteriezellenmoduls auf und/oder in einer Tragstruktur; und Aufnahme der Tragstruktur mit dem mindestens einen Batteriezellenmodul in einem Gehäuse. Das Verfahren zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen hat all die Vorteile und technischen Wirkungen der entsprechenden Energiespeichervorrichtung.
Eine Reduzierung oder Vermeidung der thermischen Wärmeleitung von einer Batteriezelle an die Umgebung kann zusammenfassend also folgendermaßen erfolgen:
Erfindungsgemäß erfolgt eine thermische Entkopplung des (primären) mechanischen Lastpfads zwischen Batteriezelle und Seitenplatte, um einen Wärmeaustausch zwischen Batteriezelle und Tragstruktur, insbesondere Fachwerk und Gehäuse zu verhindern. Zwischen den Batteriezelle(n) und der oder den Seitenplatten des Batteriezellmoduls wird dafür wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement, insbesondere eine thermische Isolationsmatte angeordnet.
Zusätzlich kann eine weitere thermische Entkopplung an einer Stelle zwischen einer Bodenfläche einer Batteriezelle, dem aktiven Temperierelement (insbesondere einer aktiven Kühlplatte und/oder Heizplatte) ggf. der Stützplatte und dem Gehäuse erfolgen, und zwar zwischen dem aktiven Temperierelement und der Stützplatte und/oder dem Gehäuse, wobei eine gute oder optimale thermische Kontaktierung zwischen der Bodenfläche der Batteriezelle und dem aktiven Temperierelement vorliegt. Das aktive Temperierelement kann eine aktive Kühlplatte und/oder Heizplatte sein oder umfassen und kann lokal über wenige thermisch isolierte Kontaktpunkte (z.B. Kunststoff-Unterlegscheiben) mit dem Gehäuse und/oder der Tragstruktur mechanisch in Verbindung stehen, wobei thermische und/oder elektrische Flüsse über diese Kontaktpunkte möglichst vermieden werden sollen.
Überdies kann eine thermische Wärmestrahlung dadurch reduziert werden, dass einige oder alle Innenflächen des Gehäuses mit thermischem Isolationsmaterial ausgekleidet sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Aufsicht einer schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Seitenansicht eines schematisch dargestellten Batteriezellenmoduls gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Seitenansicht von Teilen einer schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine perspektivische Seitenansicht von Teilen eines schematisch dargestellten Batteriezellenmoduls gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine schematische Darstellung von thermischen Kontaktierungen innerhalb einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine Auf- oder Unteransicht einer schematisch dargestellten aktiven Kühl- und/oder Heizplatte mit Ankopplung an einen Rahmen gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine Detailansicht einer schematisch dargestellten aktiven Kühl- und/oder Heizplatte mit Ankopplung an einen Rahmen gemäß einer Ausführungsform;
8 ist eine Auf- oder Unteransicht einer schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
9 ist eine Detailansicht der schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung der 8.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Eine redundante Beschreibung wiederkehrender Merkmale und ggf. eine redundante Verwendung wiederkehrender Bezugszeichen wird teilweise vermieden. Die verschiedenen Ausführungsformen und Merkmale der nachfolgend beschriebenen Figuren sind ausdrücklich kombinierbar und nicht als abgeschlossene Ausführungen zu verstehen.
Mit der Bezeichnung „oben“ O ist die obere Seite der Energiespeichervorrichtung gemeint, wenn die Energiespeichervorrichtung dem Zweck entsprechend in ein Kraftfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug eingebaut ist. Mit der Bezeichnung „unten“ U ist die untere Seite der Energiespeichervorrichtung gemeint, wenn die Energiespeichervorrichtung dem Zweck entsprechend in ein Kraftfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug eingebaut ist. Die obere Seite O und die untere Seite U liegen einander gegenüber auf der vertikalen Achse. In allen Figuren sind Raumrichtungen x, y, z angedeutet. Die x-Achse bezeichnet die Richtung entlang der Längsachse LA eines Batteriezellenmoduls. Die y-Achse deutet die dazu senkrechte Raumrichtung an, die einer Längsachse einer einzelnen Batteriezelle entsprechen kann. Die z-Achse deutet die vertikale Raumrichtung an, auf der die obere O und die untere Seite U einander gegenüberliegen.
Mit der Bezeichnung „Außenseite“ oder „außen“ ist die Seite oder sind die Seiten gemeint, die den Batteriezellen abgewandt sind und mit der Bezeichnung „Innenseite“ oder „innen“ ist die Seite oder sind die Seiten gemeint, die den Batteriezellen zugewandt sind.
1 ist eine Ansicht von oben auf eine schematisch dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Es werden beispielhaft drei Batteriezellenmodule 2 mit jeweils vier Batteriezellen 3 gezeigt, die an den seitlichen Außenflächen 5 jeweils zwei einander gegenüberliegende thermische Stütz-Isolierelemente 4 aufweisen. Die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 sind jeweils zwischen den seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 und den Seitenplatten 6 entlang der Längsachse LA angeordnet, um einerseits den mechanischen Lastpfad thermisch zu entkoppeln und andererseits stützend und insbesondere abfedernd und/oder puffernd zu wirken, wenn Vibrationen oder andere mechanischen Einwirkungen auftreten.
An den Seiten, die senkrecht zur Längsachse LA ausgerichtet sind, und zwar den Stirnflächen 19 eines Batteriezellenmoduls sind Stirn- bzw. Endelemente 21 angeordnet, die mit den Seitenplatten 6 verbunden, verschweißt und/oder verklebt sein können. Die Seitenplatten 6 und die Stirnelemente 21 umschließen die Batteriezellen 3 daher zumindest teilweise so, dass die Batteriezellenmodule 2 wie Pakete und/oder Einheiten ausgebildet sind bzw. werden. Ein Batteriezellenmodul 2 kann daher mitsamt der gestapelten Batteriezellen 3, der thermischen Stütz-Isolierelemente 4, der Seitenplatten 6, der Stirnelemente 21 und möglicherweise der elektrischen Anschlusskontakte (hier nicht gezeigt) als eine Einheit aus der Tragstruktur 9a und/oder dem Gehäuse 9 entfernt werden. Möglicherweise hat diese Einheit, die das Batteriezellenmodul 2 bildet, auch einen oder mehrere Griffe zum Greifen beim Austauschen, Einbauen und/oder Entfernen.
Das Gehäuse 9, das Gehäusewände 14 aufweisen kann, umschließt die Tragstruktur 9a zumindest teilweise. Das Gehäuse 9 nimmt die Tragstruktur 9a auf und/oder lagert diese, wobei die Tragstruktur 9a die Batteriezellenmodule 2 aufnimmt und/oder lagert. Dazu werden Elemente 9b zur Kopplung zwischen einem Rahmen des Gehäuses 9 und der Tragstruktur 9a bereitgestellt. Solche Elemente 9b können Schrauben, Unterlegscheiben, Isolierelemente, Isolierhülsen, Träger und/oder Vorsprünge umfassen, die sich zum Abstützen, Lagern und/oder Befestigen bzw. Fixieren der Tragstruktur 9a an dem Gehäuse 9 eignen können. Überdies sind an den Seitenwänden 6 der Batteriezellenmodule 2 Halterungselemente 20 oder Stützelemente angeordnet, die dazu dienen können, ein Batteriezellenmodul 2 in und/oder an der Tragstruktur 9a zu stützen, zu lagern, zu halten und/oder zu fixieren.
In der gezeigten Ausführungsform ist unter jedem Batteriezellenmodul 2 ein aktives Temperierelement 7 (gestrichelte Linie) angedeutet. Alternativ kann jedoch auch lediglich ein einziges aktives Temperierelement für alle Batteriezellenmodule 2 bereitgestellt sein, sodass dieses die Fläche unter allen drei Batteriezellenmodulen 2 ausfüllt und mit allen Batteriezellenmodulen 2 in thermischem Kontakt steht.
2 ist eine perspektivische Seitenansicht eines schematisch dargestellten Batteriezellenmoduls 2 gemäß einer Ausführungsform. Es wird die Bestückung des Batteriezellenmoduls 2 nur von einer Seite in Explosionsdarstellung angedeutet. Dies kann entsprechend analog für die gegenüberliegende Seite auch zutreffen.
Das in 2 gezeigte Batteriezellenmodul 2 hat eine Oberseite O und eine Unterseite U. In dieser Orientierung kann das Batteriezellenmodul 2 in einem Gehäuse (hier nicht gezeigt) und einem Fahrzeug verbaut werden. Das Batteriezellenmodul 2 hat eine Vielzahl von in einer Längsachse LA gestapelten Batteriezellen 3 (16 Stück), von denen jeweils jede Batteriezelle 3 eine Bodenfläche 8 an der Unterseite U und einen elektrischen Kontakt auf der Oberseite O aufweist. Überdies wird in einer Art der Explosionsdarstellung angedeutet, dass an der äußeren Seitenfläche bzw. erste Außenfläche 5 jeder Batteriezelle 3 entlang der Längsachse LA jeweils ein thermisches Stütz-Isolierelement 4 angeordnet, insbesondere angeklebt wird. Die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 wirken puffernd zwischen den seitlichen ersten Außenflächen 5 und der Seitenplatte 6. Da die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 einen Schaumstoff, ein Gummi, eine Matte oder ein ähnlich flexibles Material umfassen können, ist es möglich und vorteilhaft, dass die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 sowohl bündig an den seitlichen Außenflächen 5 jeder Batteriezelle 3 als auch an der Seitenplatte 6 anliegen. Wenn die Seitenplatte 6 von außen einen Stoß und/oder Vibrationen erfährt, so können die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 dies durch die Aufnahme der Energie abfangen, die zu einer Verformung der thermischen Stütz-Isolierelemente 4 führt. Die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 können einseitig oder beidseitig angeklebt sein, und zwar an den seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 und/oder an der inneren Seite (der Seite, die den Batteriezellen 3 zugewandt ist) der Seitenplatte 6.
Die Seitenfläche der letzten Batteriezelle 3 des Batteriezellenmoduls 2, die senkrecht zur Längsachse LA steht und den Abschluss bildet, ist die Stirnfläche 19 des Batteriezellenmoduls 2, an der ein Stirnelement 21 angeordnet ist.
Zwischen das thermische Stütz-Isolierelement 4 und die Seitenplatte 6 wird eine elektrisch isolierende Platte 22 positioniert, die die seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 entlang der Längsachse LA bedeckt. Die elektrisch isolierende Platte 22 hat am oberen Ende, also auf der oberen Seite O einen Vorsprung, der dafür sorgt, dass zwischen den Batteriezellen 3 und der Platte 22 ein möglichst geschlossener Raum besteht, der zumindest teilweise puffernd durch die thermischen Stütz-Isolierelemente 4 ausgefüllt wird. Ein solcher Vorsprung kann daher auch auf der unteren Seite U der Platte 22 vorgesehen sein. Dieser Vorsprung schützt die Batteriezellen 3 zusammen mit dem Rest der Platte 22 hauptsächlich vor elektrischen Feldern aber möglicherweise auch vor anderen Einflüssen, wie thermischen und/oder mechanischen Einflüssen und Kontamination mit Staub und/oder anderer Schmutzpartikel. Grundsätzlich ist die elektrisch isolierende Platte 22 optional.
Seitlich wird das Batteriezellenmodul 2 entlang der Längsachse LA mittels der Seitenplatte 6 bedeckt und insbesondere abgeschlossen. Die Seitenplatte 6 erstreckt sich ähnlich wie die elektrisch isolierende Platte 22 auch über alle Batteriezellen 3 entlang der Längsachse LA. Auch die Seitenplatte 6 weist hier in dieser Ausführungsform obere und untere Vorsprünge 23a auf. Zusätzlich sind auch an den Endpositionen Vorsprünge 23b vorgesehen, an denen die Stirnelemente 21 angeordnet, angeschweißt, angeklebt, angebracht und/oder fixiert werden können. Auch diese Vorsprünge 23a, 23b können dazu dienen, einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum zwischen den seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 und der Seitenplatte 6 zu bilden. Die Seitenplatte 6 kann auf der den Batteriezellen 3 zugewandten Seite, also auf der Innenseite ein weiteres Isolierelement, beispielsweise eine Isoliermatte, die thermisch und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften hat, aufweisen. Die Seitenplatte 6 kann das Batteriezellenmodul 2 also ebenfalls in gewissem Maße vor elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Einflüssen von außen abschirmen.
An der Außenseite, also der den Batteriezellen 3 abgewandten Seite der Seitenplatte 6, sind vier Halterungselemente 20 angeordnet, die dazu dienen können, das Batteriezellenmodul 2 in, an und/oder auf der Tragstruktur (hier nicht gezeigt) abzustützen, zu fixieren und/oder zu lagern.
3 ist eine perspektivische Seitenansicht von Teilen einer schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Es wird angedeutet, dass drei Batteriezellenmodule 2, wie eines davon in 2 gezeigt ist, in einer Tragstruktur 9a angeordnet werden, und zwar parallel zueinander, sodass die Seitenwände 6 der jeweiligen Batteriezellenmodule 2 parallel und benachbart zueinander ausgerichtet sind.
Die Batteriezellenmodule 2 werden dabei von Trennwänden 9d der Tragstruktur 9a gelagert und voneinander getrennt und/oder abgeschirmt (hinsichtlich mechanischer, thermischer und/oder elektrischer Einflüsse). Der Rahmen 9c der Tragstruktur 9a ist dazu ausgelegt, die Batteriezellenmodule 2 seitlich zu umgeben, wenn sie eingebaut und durch die Tragstruktur 9a gestützt und/oder gelagert werden. Mittels der Halterungselemente 20, die von den Seitenwänden 6 der Batteriezellenmodule 2 abstehen, können diese mit oder an den Trennwänden 9d kontaktiert oder aufgesetzt werden. Die Trennwände 9d stützen bzw. halten und/oder lagern die Batteriezellenmodule 2. Der Rahmen 9c weist Verstrebungen auf, die unter anderem dazu dienen, der Struktur eine mechanische Stabilität zu verleihen. Überdies können die mit Luft gefüllten Zwischenräume zwischen den Verstrebungen als thermische Isolation zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse und/oder der Umgebung dienen.
In der Darstellung der 3 ist die Tragstruktur 9a an der Oberseite O und der Unterseite U offen gezeigt. Der Rahmen 9c der Tragstruktur 9a kann optional auch eine Platte und/oder ein Plattengerüst auf der Oberseite O und/oder der Unterseite U aufweisen, welches bzw. welche den Innenraum zumindest teilweise verschließen und/oder umgeben können.
4 ist eine perspektivische Seitenansicht von Teilen eines schematisch dargestellten Batteriezellenmoduls 2 gemäß einer Ausführungsform, wobei Elemente zur besseren Sichtbarkeit angeschnitten dargestellt sind. Die gezeigten Batteriezellen 3 weisen jeweils einen elektrischen Anschlusskontakt 24 auf der Oberseite O auf. Die Batteriezellen 3 sind jeweils thermisch und/oder elektrisch voneinander isoliert. Die Batteriezellen 3 sind ferner umgeben von und/oder verpackt mit einem Batteriezellengehäuse.
Entlang der Längsachse LA, entlang derer die Batteriezellen 3 gestapelt sind, werden die seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 durch ein einziges thermisches Stütz-Isolierelement 4 bedeckt, wobei das thermische Stütz-Isolierelement 4 in diesem Fall beispielsweise ein einseitig oder zweiseitig klebendes und/oder haftendes Pad sein kann. Das thermische Stütz-Isolierelement 4 wirkt puffernd und/oder stabilisierend zwischen den seitlichen Außenflächen 5 und der Seitenplatte 6. Da das thermische Stütz-Isolierelement 4 einen Schaumstoff, ein Gummi, eine Matte oder ein ähnlich flexibles Material umfassen kann, ist es möglich und vorteilhaft, dass das thermische Stütz-Isolierelement 4 sowohl bündig an den seitlichen Außenflächen 5 einiger oder aller Batteriezellen 3 als auch an der Seitenplatte 6 anliegt. Wenn die Seitenplatte 6 von außen einen Stoß und/oder Vibrationen erfährt, so kann das thermische Stütz-Isolierelement 4 dies durch die Aufnahme der Energie abfangen, die zu einer Verformung des thermischen Stütz-Isolierelements 4 führt. Das thermische Stütz-Isolierelement 4 kann einseitig oder beidseitig angeklebt sein, und zwar an einigen oder allen äußeren Seitenflächen 5 der Batteriezellen 3 und/oder an der inneren Seite (der Seite, die den Batteriezellen 3 zugewandt ist) der Seitenplatte 6.
Die durch das thermische Stütz-Isolierelement 4 bedeckten seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 werden mittels der Seitenplatte 6 abgedeckt. Die Seitenplatte 6 bildet dabei mit den seitlichen Außenflächen 5 der Batteriezellen 3 einen im Wesentlichen angeschlossenen Raum. Dazu weist die Seitenplatte 6 auf der oberen Seite O einen Vorsprung 23a auf, der um den oberen Rand der Batteriezellen 3 greift. Die Seitenplatte 6 weist ein Halterungselement 20 auf zum Abstützen und/oder Kontaktieren und/oder Befestigen des Batteriezellenmoduls 2 auf und/oder an der Tragstruktur und/oder dem Gehäuse (hier nicht gezeigt).
5 ist eine schematische Darstellung von thermischen Kontaktierungen innerhalb einer Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Auf der linken Seite ist ein etwas größerer Ausschnitt dargestellt und auf der rechten Seite ist ein daraus vergrößerter Detailausschnitt gezeigt. Auf der linken Seite ist die Anordnung zweier Batteriezellen 3 gezeigt, die jeweils ein Teil unterschiedlicher Batteriezellenmodule 2 sind. Die Batteriezellenmodule 2 werden durch die Tragstruktur 9a, insbesondere durch die Trennwand 9d der Tragstruktur 9a getragen und/oder gestützt und voneinander getrennt. Die Halterungselemente 20 dienen zur Kontaktierung bzw. Halterung der Batteriezellenmodule 2 an und/oder auf der Tragstruktur 9a, insbesondere der Trennwand 9d.
Auf der rechten Seite ist ein in der linken Darstellung mit einem ovalen Ausschnitt angedeuteter Detailbereich etwas vergrößert dargestellt, um den mechanischen Lastpfad L und den Wärmepfad W von der Bodenfläche 8 einer Batteriezelle 3 zum Gehäuseboden 16 des Gehäuses darstellen zu können. Der Wärmepfad W ist dabei ein Pfad, entlang dessen Wärme dissipieren würde, wenn keine Isolation zwischen mindestens einem der gezeigten Elemente vorliegen würde. Der mechanische Lastpfad L ist ein möglicher Pfad entlang dessen die Last durch Gewichtskraft auf ein Batteriezellenmodul 2 wirkt bzw. wirken könnte. Der mechanische Lastpfad L kann insbesondere ein Pfad sein, entlang dessen Kontaktpunkte zum Halten, Tragen und/oder Lagern eines Batteriezellenmoduls 2 vorliegen. Der mechanische Lastpfad L ist insbesondere durch das thermische Stütz-Isolierelement 4 thermisch unterbrochen, also thermisch isoliert. Es kann entsprechend keine oder nur sehr wenig Wärme entlang eines mechanischen Lastpfades L fließen.
Im Folgenden wird der thermisch entkoppelte mechanische Lastpfad L näher beschrieben: Eine der gezeigten Batteriezellen 3 eines Batteriezellenmoduls 2 ist in einem Batteriezellengehäuse 11 verpackt. Die seitliche Außenfläche bzw. Außenseite 5 des Batteriezellenmoduls 2, das in dieser Ausführungsform von den jeweiligen Flächen der Batteriezellengehäuse 11 bzw. des Batteriezellendose gebildet wird, schließt bündig mit dem thermischen Stütz-Isolierelement 4 ab. Das thermische Stütz-Isolierelement 4 schließt wiederum bündig mit der elektrisch isolierenden Platte und/oder Folie 22 ab, die auf der Innenseite der Seitenplatte 6 angeordnet ist. Die Seitenplatte 6 ist in einem Abstand, möglicherweise mit einem Puffermaterial und/oder einer isolierenden Schicht, an der Trennwand 9d der Tragstruktur 9a angeordnet. Der thermisch unterbrochene Lastpfad L folgt entlang eines Pfades von dem Batteriezellenmodul 2 zur Tragstruktur 9a, insbesondere entlang der Elemente: Batteriezelle 3 und/oder Batteriezellengehäuse 11 (bzw. Batteriezellendose/Zelldose) mit optionaler (thermischen und/oder elektrischen) Isolierfolie auf dessen Innenseite, thermisches Stütz-Isolierelement 4, wie beispielsweise ein Klebepad mit thermischer Isolierfunktion, elektrisch isolierende Platte und/oder Folie 22 bzw. Isolierfolie, Seitenplatte 6, Halterungselement 20 des Batteriezellenmoduls 2, Tragstruktur 9a. Wärme kann also entlang der Elemente (Batteriezelle 3 und/oder Batteriezellengehäuse 11, thermisches Stütz-Isolierelement 4, elektrisch isolierende Platte und/oder Folie 22, Seitenplatte 6, Halterungselement 20 des Batteriezellenmoduls 2, Tragstruktur 9a) zwischen den Batteriezellen und der Umgebung, der Tragstruktur 9a und/oder des Gehäuses nicht oder nur vermindert ausgetauscht werden, da das thermische Stütz-Isolierelement 4 isolierend wirkt. Die elektrisch isolierende Platte und/oder Folie 22 ist optional. Das thermische Stütz-Isolierelement 4 kann in dem Fall auf elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Das Batteriezellengehäuse 11 kann auf einer Innenseite ebenfalls eine Isolierfolie mit thermisch und/oder elektrisch isolierenden Eigenschaften aufweisen.
Im Folgenden wird der Wärmepfad W näher beschrieben: Die Bodenflächen 8 gestapelter Batteriezellen 3 bzw. die Bodenflächen 8 der Batteriezellengehäuse 11 gestapelter Batteriezellen 3 sind thermisch mit oder von einem thermisch leitenden Füllelement 10 kontaktiert, und zwar bündig. Bevorzugt ist das thermisch leitende Füllelement 10 ein flexibles Material, das einerseits eine gute bzw. hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und andererseits an die Oberfläche der Bodenfläche 8 angepasst bzw. angeschmiegt werden kann. Unterhalb des thermisch leitenden Füllelements 10 ist ein aktives Temperierelement 7 angeordnet. Das thermisch leitende Füllelement 10 kann auch an das aktive Temperierelement 7 angepasst bzw. angeschmiegt werden, sodass ein optimaler Wärmeaustausch zwischen einer Batteriezelle 3 und dem aktiven Temperierelement 7 erfolgen kann. Typischerweise wird durch das aktive Temperierelement 7 Wärme von der Batteriezelle 3 in vorbestimmtem Maß abgeführt. Unter dem aktiven Temperierelement 7 ist eine Bodenplatte BP angeordnet, um das aktive Temperierelement 7 sicher zu lagern und/oder vor mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Einflüssen von der Umgebung abzuschirmen und/oder vor Kontamination mit Staub und/oder Schmutz zu schützen. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen der Bodenplatte BP und dem Gehäuseboden 16 eine hierin nicht gezeigte Stützplatte angeordnet sein, um das aktive Temperierelement 7 beispielsweise sicher zu lagern und/oder zu stabilisieren.
Unter dem aktiven Temperierelement 7, ggf. der Bodenplatte BP und/oder der Stützplatte ist der Gehäuseboden 16 angeordnet, der die Energiespeichervorrichtung auf der Unterseite bedeckt. Zwischen dem aktiven Temperierelement 7 und dem Gehäuseboden 16 bestehen bevorzugt nur sehr wenige thermisch isolierte Kontaktpunkte, um zu verhindern, dass Wärme von dem Gehäuse, der Umgebung oder der Tragstruktur 9a durch das aktive Temperierelement 7 abgeführt wird. Das aktive Temperierelement soll möglichst nur die Batteriezellen 3 der Batteriezellenmodule 2 kühlen und/oder heizen. Anhand der 6 und der 7 wird näher beschrieben, wie das aktive Temperierelement 7 thermisch von der Umgebung abgeschirmt werden kann.
6 ist eine Auf- oder Unteransicht eines schematisch dargestellten aktiven Temperierelements 7, und zwar einer aktiven Kühl- und/oder Heizplatte 7 mit Ankopplung an einen Rahmen des Gehäuses 9 und/oder der Tragstruktur 9a gemäß einer Ausführungsform. Die aktive Kühl- und/oder Heizplatte 7 ist über nur drei thermisch isolierende Verbindungselemente 17 an den Rahmen 9c der Tragstruktur 9a oder den Rahmen des Gehäuses 9 angekoppelt, sodass die Anzahl der Kontaktpunkte, an denen Wärme fließen könnte, reduziert werden kann. Überdies sind die Kontaktpunkte auch thermisch isoliert, sodass ein Wärmefluss von außen auf die aktive Kühl- und/oder Heizplatte 7 noch weiter verringert oder gar verhindert werden kann. Es werden außerdem weitere Halterungselemente 26, die jeweils einer Anbindung einer Stützplatte an einen Rahmen 9c der Tragstruktur 9a oder einen Rahmen des Gehäuses 9 dargestellt.
In 7 ist die Kopplung gemäß einer Ausführungsform detaillierter dargestellt. Der Rahmen 9c der Tragstruktur 9a oder der Rahmen des Gehäuses 9 ist in dieser Darstellung von der anderen Seite (oben-unten-Verhältnis umgekehrt) als in den anderen Darstellungen gezeigt. Das aktive Temperierelement 7 in Form der Kühl- und/oder Heizplatte ist an einer der Kontaktstellen, die im Hinblick auf 6 beschrieben wurden, an den Rahmen 9c der Tragstruktur 9a oder der Rahmen des Gehäuses 9 angekoppelt. Zur thermischen Isolierung wird an dem Kontaktpunkt eine Isolierhülse 17b zwischen dem aktiven Temperierelement 7 und dem Rahmen 9c der Tragstruktur 9a oder dem Rahmen des Gehäuses 9 angeordnet. Die Isolierhülse 17b in Form einer Zylinder-Außenhülle hält beide Elemente auf Abstand und verringert die Auflage- und/oder Kontaktfläche. Eine Schraube, die ebenfalls thermisch isolierend sein kann, kann in ein Gewinde des Rahmens geschraubt sein. Eine Unterlegscheibe 17a, die ebenfalls thermisch isolierend sein kann, ist zwischen Schraubenkopf und Kühl- und/oder Heizplatte 7 positioniert.
8 ist eine Aufsicht einer schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform und 9 ist eine Detailansicht der schematisch dargestellten Energiespeichervorrichtung 1 der 8. 8 zeigt drei Batteriezellenmodule 2 mit jeweils gestapelten Batteriezellen 3, deren jeweils zwei elektrische Anschlusskontakte 24 in ihrer Polarität alternierend angeordnet sind. In der Detailansicht in 9 sind beispielhaft zwei thermisch isolierte bzw. unterbrochene Wärmepfade W eingezeichnet (unterbrochene Linie), entlang derer keine Wärme fließen kann zwischen Batteriezellen 3 und Tragstruktur 9a, da ein optionales Isolierelement, wie eine Isoliermatte auf der Innenseite des Rahmens bzw. der Tragstruktur 9a angeordnet ist. Überdies sind beispielhaft Lastpfade L (durchgezogene Linie) angedeutet, entlang derer jeweils eine Kraft wirken könnte. Hauptsächlich wird die Kraft übertragen mittels der Halterungselemente 20, welche die Batteriezellenmodule 2 auf der Tragstruktur 9a abstützen. Der Lastpfad L ist erfindungsgemäß, wie bereits mehrfach hierin beschrieben, deshalb thermisch entkoppelt, weil die thermischen Stütz-Isolierelemente eine Isolation zwischen den Batteriezellen 3 und den Seitenplatten 6 und deren Halterungselemente 20 darstellen.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichervorrichtung, insbesondere Traktionsbatterie
2: Batteriezellenmodul
3: Batteriezelle
4: Thermisches Stütz-Isolierelement, beispielsweise Klebepad mit thermischer Isolierfunktion
5: erste Außenseite bzw. seitliche Außenfläche des Batteriezellenmoduls
6: Seitenplatte
7: Aktives Temperierelement, insbesondere Kühlplatte und/oder Heizplatte
8: Bodenflächen gestapelter Batteriezellen
9: Gehäuse
9a: Tragstruktur
9b: Kupplung zwischen Tragstruktur und Rahmen des Gehäuses
9c: Rahmen der Tragstruktur
9d: Trennwand der Tragstruktur
10: Thermisch leitendes Füllelement
11: Batteriezellengehäuse, z.B. Batteriedose bzw. Zelldose
12: Batteriezellen-Isolierelement
13: Tragstrukturgehäuse
14: Gehäusewände
15: Gehäuse-Isolierelement
16: Gehäuseboden
17: Thermisch isolierende Verbindungselemente
17a: Unterlegscheibe
17b: Isolierhülse
18: Stützplatte
19: Stirnflächen eines Batteriezellenmoduls
20: Halterungselement
21: Stirn- bzw. Endelement
22: Elektrisch isolierende Platte und/oder Folie (Isolierfolie)
23a: Oberer Vorsprung der Seitenplatte
23b: Seitlicher Vorsprung der Seitenplatte
24: Elektrischer Anschlusskontakt
25: zweite Außenseite einer Batteriezelle
26: Halterungselemente einer Stützplatte zum Halten derselben an einem Rahmen
BP: Bodenplatte, auf der das aktive Kühlelement angeordnet ist
L: Thermisch isolierter Lastpfad
LA: Längsachse
O: Oberseite
U: Unterseite
W: Wärmepfad

Claims

Energiespeichervorrichtung (1) mit aktiver Temperierung, umfassend: mindestens ein Batteriezellenmodul (2) umfassend: eine Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3); zwei einander gegenüberliegende Seitenplatten (6); zwei einander gegenüberliegende Stirnelemente (21), wobei die Seitenplatten (6) und die Stirnelemente (21) miteinander verbunden sind und die Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3) umgeben; und wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement (4), welches zwischen einer ersten Außenseite (5) der Batteriezellen (3) und wenigstens einer der Seitenplatten (6) angeordnet ist, wobei die Energiespeichervorrichtung (1) ferner umfasst: mindestens ein aktives Temperierelement (7), das unterhalb des Batteriezellenmoduls (2) angeordnet ist und zumindest teilweise mit den Batteriezellen (3) in thermischem Kontakt steht; eine Tragstruktur (9a), die wenigstens ein Batteriezellenmodul (2) umgibt; und ein Gehäuse (9) zur Aufnahme der Tragstruktur (9a) mit dem mindestens einen Batteriezellenmodul (2).
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei das thermische Stütz-Isolierelement (4) umfasst: ein verformbares Material, ein Schaumstoff, eine Gummi-Matte und/oder eine reversibel verformbare Platte.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das thermische Stütz-Isolierelement (4) auf mindestens einer Seite eine adhäsive Fläche, insbesondere eine klebende Fläche aufweist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an jeder der Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3) wenigstens ein thermisches Stütz-Isolierelement (4) angeordnet ist und/oder wobei jeweils auf beiden gegenüberliegenden ersten Außenseiten (5) der Batteriezelle (3) ein thermisches Stütz-Isolierelement (4) angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Batteriezellenmodul (2) wenigstens zwei prismatische Batteriezellen umfasst.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein elektrischer Anschlusskontakt (24) von mindestens einer der Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3) an einer Oberseite (O) der Batteriezellen (3) angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Mehrzahl von aneinandergereihten Batteriezellen (3) quaderförmig ausgebildet ist, sodass zwei gegenüberliegende erste Außenseiten (5) zu den Seitenplatten (6) ausgerichtet sind und mindestens eine von zwei zweiten gegenüberliegenden Außenseiten (25) an einer benachbarten Batteriezelle (3) anliegt.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der Mehrzahl der Batteriezellen (3) jeweils ein Batteriezellengehäuse (11) mit einer Oberseite (O), zwei ersten Außenseiten (5) und zwei zweiten Außenseiten (25) aufweist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Batteriezellen (3) miteinander entlang einer Längsachse (LA) zu dem Batteriezellenmodul (2) verpresst und/oder wobei die Stirnelemente (21) jeweils mit den beiden gegenüberliegenden Seitenplatten (6) des Batteriezellenmoduls (2) verschweißt sind.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend Halterungselemente (20), die an einer nach außen gerichteten Fläche der Seitenplatten (6) angeordnet und dazu ausgelegt sind, das mindestens eine Batteriezellenmodul (2) seitlich an der Tragstruktur (9a) abzustützen.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Bodenplatte (BP), auf der das aktive Temperierelement (7) angeordnet ist; einen Gehäuseboden (16) als Teil des Gehäuses (9), auf dem die Bodenplatte (BP) angeordnet ist, und optional eine Stützplatte, die zwischen der Bodenplatte (BP) und dem Gehäuseboden (16) angeordnet ist, wobei das aktive Temperierelement (7) bevorzugt mittels einer Mehrzahl von thermisch isolierenden Verbindungselementen (17) an der Bodenplatte (BP), der Tragstruktur (9), dem Gehäuse (9) und/oder der Stützplatte fixiert ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, wobei die Mehrzahl von isolierenden Verbindungselementen (17) zwischen zwei und acht isolierenden Verbindungselementen (17) umfasst, insbesondere drei oder vier isolierende Verbindungselemente (17).
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das aktive Temperierelement (7) steuer- und/oder regelbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Wärme von dem mindestens einen Batteriezellenmodul (2) im Wesentlichen nur mittels des aktiven Temperierelements (7) über einen Wärmepfad (W) und/oder im Wesentlichen nicht passiv mittels der Tragstruktur (9a) und/oder das Gehäuse (9) über einen mechanischen Lastpfad (L) abgeführt wird.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein thermisch leitendes Füllelement (10) zumindest teilweise zwischen Bodenflächen (8) der Batteriezellen (3) und dem aktiven Temperierelement (7) angeordnet ist, wobei das Füllelement (10) bevorzugt ein flexibles und/oder formbares Material aufweist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tragstruktur (9a) eine Gitterstruktur mit Profilverstrebungen und Öffnungen zwischen den Profilverstrebungen aufweist.
Energiespeichervorrichtung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (9) Gehäusewände (14) umfasst und wobei das Gehäuse (9) auf einer Innenseite bevorzugt ein thermisches Gehäuse-Isolierelement (15) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung mit aktiver Temperierung, umfassend die Schritte: Aneinanderreihen einer Mehrzahl von Batteriezellen (3); Anordnen von zwei einander gegenüberliegenden Seitenplatten (6) an den aneinandergereihten Batteriezellen (3); Anordnen von zwei einander gegenüberliegenden Stirnelementen (21) an den aneinandergereihten Batteriezellen (3); Verbinden der Seitenplatten mit den Stirnelementen; Anordnen eines thermischen Stütz-Isolierelements (4) zwischen einer ersten Außenseite der Batteriezellen (3) und wenigstens einer der Seitenplatten (6); Anordnen mindestens eines aktiven Temperierelements (7) unterhalb des Batteriezellenmoduls (2) und zumindest teilweises thermisches Kontaktieren des aktiven Temperierelements (7) mit den Batteriezellen; Anordnen des Batteriezellenmoduls (2) auf und/oder in einer Tragstruktur (9a); und Aufnahme der Tragstruktur (9a) mit dem mindestens einen Batteriezellenmodul (2) in einem Gehäuse (9).