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Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer zylindrischen
elektrochemischen Speicherzelle und einer Kühleinrichtung, nach der im Oberbegriff
von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Aus
der
DE 195 03 085
A1 ist ein Batteriemodul bekannt, in welchem mehrere elektrochemische Speicherzellen
durch sie elektrisch isolierende und Kanäle für ein flüssiges Kühlmedium bildende Einbauten
auf Abstand voneinander gehalten sind. Die Einbauten bilden damit
unter anderem eine Kühleinrichtung,
zwischen welchen die einzelnen Speicherzellen angeordnet sind. Die
Zufuhr und die Abfuhr des Kühlmediums
erfolgt über
spezielle Kanäle,
welche hinsichtlich ihres durchströmbaren Querschnitts so ausgestaltet
sind, dass es zu einer gleichmäßigen Kühlung der
Speicherzellen kommt.
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Dementsprechend
ist der Aufbau der Einbauten und der Kanäle sehr komplex und erfordert eine
Vielzahl von einzelnen Bauteilen, welche jeweils gegeneinander abgedichtet
werden müssen.
Um ein einen Wärmeübertrag
ermöglichendes
flächiges
Anliegen der Einbauten an den Flachseiten der Speicherzellen realisieren
zu können,
müssen
außerdem extrem
geringe Fertigungstoleranzen sowohl bei den Speicherzellen als auch
bei den Einbauten eingehalten werden, was mit einem erheblich Kostenaufwand verbunden
ist. Sollen außerdem
Speicherzellen eingesetzt werden, welche abweichend zu den Speicherzellen
der oben genannten Schrift nicht überwiegend flach, sondern mit
gekrümmten
Außenflächen ausgebildet
sind, beispielsweise zylindrische Speicherzellen, so gewinnt die
Problematik hinsichtlich der Fertigungstoleranzen weiter an Bedeutung.
Dies kann soweit führen,
dass zumindest bei zylindrischen Speicherzellen die Herstellung
mit vertretbarem Aufwand nicht mehr möglich ist.
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Daher
ist aus der
DE 197
50 069 A1 eine gekühlte
Batterie mit zylindrischen elektrochemischen Akkumulatorzellen bekannt,
bei welcher die Kühlung durch
wenigstens zwei Hohlkörper
erfolgt, welche halbkreisförmige
Ausnehmungen aufweisen. Die Batterien sind zwischen den Ausnehmungen
der wenigstens zwei Hohlkörper
angeordnet und dort eingeklemmt.
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Neben
den oben bereits angesprochenen Toleranzproblemen, kann durch den
Aufbau, welcher zwangsweise einen relativ großen Abstand der beiden Hohlkörper zueinander
erforderlich macht, keine Kühlung
der kompletten elektrochemischen Akkumulatorzelle erzielt werden.
Durch die Tatsache, dass stellenweise keine ausreichende Wärmeabfuhr
stattfinden kann, kann es, insbesondere bei Hochleistungsspeicherzellen,
zu nachteiligen und punktuellen Überhitzungen
kommen, welche die Performance und die Lebensdauer der Speicherzellen
verschlechtern. Außerdem
ermöglicht
der Aufbau keine gleichmäßige Kühlung, da
das Kühlmedium
sich beim Durchströmen
der Hohlkörper
zunehmend erwärmt und
die erste angeströmte
Speicherzelle dementsprechend stärker
gekühlt
wird als die letzte Speicherzelle derselben Reihe.
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Des
weiteren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Batterien bekannt,
welche mittels Luft als Kühlmedium
gekühlt
werden. Derartige Batterien sind beispielsweise durch die
DE 32 24 161 A1 oder
die
DE 100 03 247
A1 beschrieben.
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Zum
Fördern
der Luft als Kühlmedium
sind jeweils Fördereinrichtungen,
wie z.B. Gebläse
oder dergleichen, notwendig, welche in nachteiliger Weise erhebliche
Lärmemissionen
verursachen. Des weiteren ist die durch die Luft zu erzielenden
Kühlleistung für einige
Batterietypen bei hochdynamischen Wechseln zwischen Laden und Entladen,
insbesondere beim Laden mit sehr hohen Strömen, wie sie beispielsweise
beim Einsatz in Kraftfahrzeugen beim Einspeichern von Bremsrekuperationsenergie
auftreten, nicht ausreichend.
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Das
Strömungs-
und Kühlverhalten
der Luft ist zudem von der Temperatur, dem Feuchtegehalt dem Verschmutzungsgrad
und von lokalen Verwirbelungen durch Strömungswiderstände an elektrischen und
mechanischen Installationen innerhalb der Batterie abhängig, so
dass eine gleichmäßige Kühlung über die
gesamte Betriebsdauer der Batterie kaum zu erreichen ist. Im Fahrzeugbetrieb
sind außerdem
neben Luftansaugfiltern auch aufwendige Kühl- und Trocknungseinrichtungen
erforderlich, zumindest beim Betrieb des Fahrzeugs in klimatisch
wärmeren Regionen,
in denen die Temperatur der Außenluft
für eine
Direktkühlung
zu hoch ist.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Anmeldungen mit dem Aktenzeichen 102 23 782 ist es außerdem bekannt
eine Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Speicherzelle
und eine Kühleinrichtung
so auszubilden, dass die wenigstens eine elektrochemische Speicherzelle
zwischen Teilen der Kühleinrichtung
angeordnet ist. Die Kühleinrichtung
ist dabei von einem flüssigen
Kühlmedium durchströmt. Gemäß der Anmeldung ist
jede der elektrochemischen Speicherzellen in einer Öffnung der
Kühleinrichtung
aufgenommen, und steht mit jeweils wenigstens einer in einer Richtung
senkrecht zu einer Längsachse
der elektrochemische Speicherzelle gekrümmten Außenfläche zumindest teilweise in kraftschlüssigem Kontakt
mit der Kühleinrichtung. Die
Kühleinrichtung
weist in den Bereichen des kraftschlüssigen Kontakts wenigstens
eine Dehnfuge auf.
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Dieser
Aufbau von hoher Funktionalität
ist dabei hinsichtlich seiner Herstellung relativ aufwändig, da
die Kühleinrichtung
ein sehr komplexes Bauteil ist.
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Es
ist daher die Aufgabe eine Kühleinrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, welche die Kühlung einer
hochdynamisch belasteten Batterie in allen Betriebszuständen sicherstellt, und
die darüber
hinaus einfach und kostengünstig
in der Herstellung ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
erlaubt es, dass als Aufnahmeelemente sehr einfache und damit sehr
leicht und kostengünstig
herzustellende Bauteilen eingesetzt werden können. Aufgrund ihrer elastischen
Bereiche wird ein idealer Kontakt der gekühlten Aufnahmeelemente mit
den Speicherzellen ermöglicht.
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Ferner
kann durch den Ersatz von offenen Dehnfugen durch die elastischen
Bereiche ein in sich hinsichtlich seiner Mantelfläche geschlossenes
Aufnahmeelement erreicht werden, so dass dieses Aufnahmeelement
als ein Teilelement einer modular aufgebauten, gegenüber der
Umgebung und den Speicherzellen dichten Kühleinrichtung realisiert werden kann.
Dieser modulare Aufbau bietet dabei den Vorteil, dass für die Herstellung
des Aufnahmeelements ein anderes Material als für das Gehäuse eingesetzt werden kann.
In idealer Weise wird das für
das Aufnahmeelement eingesetzte Material eine bessere Wärmeleitfähigkeit
und/oder eine geringere Wandstärke
aufweisen als das Material des Gehäuses, so dass der Wärmeübergang
von der Speicherzelle auf das Kühlmedium
verbessert wird. Zusätzlich
kann das Gehäuse
aus insbesondere hinsichtlich der Festigkeit geeigneten Materialien
hergestellt werden, ohne dass hier hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit besondere
Erfordernisse zu beachten wären.
Beispielsweise können
für das
Gehäuse
Kompositmaterialien eingesetzt werden, welche eine hohe Festigkeit
des Gehäuses,
welches gleichzeitig den Abschluss der Batterie gegenüber der
Umgebung bildet oder bilden kann, sicherstellen.
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Durch
diese sehr effiziente und günstige Ausbildung
der Kühleinrichtung
mit den Aufnahmeelemente, können
bei Batterien mit einer Kühleinrichtung
gemäß der Erfindung
herkömmliche,
bekannte und unbegrenzt verfügbare
Speicherzellen, insbesondere Hochleistungsspeicherzellen, wie Nickelmetallhydrid-
oder Lithiumzellen, verwendet werden. Diese Speicherzellen, welche üblicherweise
zylindrisch ausgebildet sind, können
bei der erfindungsgemäßen Batterie
durch den oben beschriebenen Aufbau der Kühleinrichtung ideal gekühlt werden.
Das dabei verwendbare flüssige
Kühlmedium
stellt eine vergleichsweise hohe Kühlleistung sicher, ohne dass dafür allzu
große
Volumenströme
des Kühlmediums erforderlich
werden. Die benötigten
Volumenströme lassen
sich vielmehr über
eine einfache und kostengünstige
Fördereinrichtung
bereitstellen. Beim bevorzugten Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Batterie
in einem Kraftfahrzeug, kann insbesondere auch eine Kombination
des Kühlkreislaufs
für die
Kühleinrichtung
mit einer üblicherweise
vorhandenen Klimaanlage bzw. deren Kühlkreislauf erfolgen.
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Durch
die Aufnahme der Speicherzelle in dem Aufnahmeelement und durch
dessen Dehnbarkeit wird ein annähernd
voll flächiger
Kontakt der Mantelfläche
der Speicherzelle mit dem gekühlten Aufnahmeelement,
und damit eine hervorragende Kühlung
erreicht. Dabei sind die bei der Fertigung der Aufnahmeelemente
einzuhaltenden Toleranzen vollkommen unkritisch, da durch die mittels
der elastischen Bereiche geschaffenen Elastizität ein Toleranzausgleich erzielt
werden kann. Bei einer vergleichbaren Ausführung ohne diese erfindungsgemäße Eigenschaft,
müssten
sehr enge – und
damit teure und aufwändig
zu fertigende – Toleranzen
sowohl seitens der Außenfläche der
Speicherzelle, als auch seitens der Öffnung eingehalten werden,
um eine entsprechend große
Kontaktfläche
zu erhalten, welche für eine
ausreichende Wärmeleitung
von der Speicherzelle auf die von dem Kühlmedium durchströmte Kühleinrichtung,
bei der benötigten
Kühlleistung,
erforderlich ist.
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Eine
besonders günstige
und vorteilhafte Verwendung einer derartigen Kühleinrichtung ist ihr Einsatz
für Batterien
als elektrische Energiespeichereinrichtung in einem Fahrzeug mit
wenigstens einer zu Traktionszwecken genutzten Elektromaschine.
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Eine
solche Batterie ermöglicht
eine sehr hohe elektrische Leistung je Volumeneinheit. Sie ermöglicht den
Betrieb, insbesondere das Laden und Entladen mit sehr hohen Strömen, da
die hierbei unvermeidlich entstehende Verlustwärme durch die Kühleinrichtung
optimal abtransportiert werden kann. Diese Punkte prädestinieren
die Batterie für
den Einsatz in Kraftfahrzeugen, da insbesondere dabei die Anforderungen
an die genannten Punkte sehr hoch sind. Dabei spielt es keine Rolle
ob die Batterie zur alleinigen Versorgung von Traktionskomponenten, mit
einer Aufladung aus einem stationären Stromerzeuger und gegebenenfalls
einer Nachladung mit Leistung, welche bei der Bremsrekuperation
gewonnen wurde, oder im Rahmen eines hybridisierten Antriebs- und/oder
Energieversorgungssystem eingesetzt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
und aus dem Ausführungsbeispiel,
welches anhand der Zeichnung nachfolgend erläutert wird.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
mögliche
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung;
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2 eine
mögliche
Ausgestaltung eines Aufnahmeelements der Kühleinrichtung gemäß 1;
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3 bis 6 weitere
mögliche
Ausgestaltungen des elastischen Bereichs des Aufnahmeelements gemäß 2;
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7 eine
mögliche
Ausgestaltung des Gehäuses
gemäß 1;
und
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8 eine
Explosionsdarstellung der Kühleinrichtung
gemäß 1.
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In 1 ist
eine Kühleinrichtung 1 zu
erkennen, welche für
eine Batterie mit mehreren zylindrischen elektrochemischen Speicherzellen
ausgebildet ist, welche hier nicht explizit dargestellt sind. Die Kühleinrichtung 1 besteht
aus einem Gehäuse 2,
einem Deckel 3 sowie einem Boden 4. Außerdem sind in
dem Gehäuse 2 Aufnahmeelemente 5,
von welchen lediglich einige mit Bezugszeichen versehen wurden,
für die
zylindrischen elektrochemischen Speicherzellen vorgesehen, welche
zumindest durch Öffnungen 6 in
dem Deckel 3 verlaufen und in das Gehäuse 2 ragen. Die zumindest
hinsichtlich ihrer Mantelfläche
geschlossen ausgeführten
Aufnahmeelemente 5 sind somit gegenüber dem inneren des Gehäuses 2 dicht
ausgebildet und werden von in dem Gehäuse 2 strömenden Kühlmedium
umströmt.
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In
der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Kühleinrichtung 1 für eine Batterie mit
mehreren der zylindrischen elektrochemischen Speicherzellen sind
diese bzw. die Aufnahmeelemente 5, in welchen die einzelnen
zylindrischen elektrochemischen Speicherzellen angeordnet werden, in
der Art der dichtesten Packung angeordnet. Die in der aus der Kristallographie
bekannten Art und Weise der dichtesten Packung angeordneten zylindrischen Speicherzellen
stehen in mehreren jeweils um den Betrag mindestens eines halben
Durchmessers der Speicherzellen zueinander versetzt liegenden Reihen.
Dabei stehen die einzelnen Speicherzellen bzw. ihre Mittelachsen
jeweils parallel zueinander, ohne dass diese sich berühren. Die
Anordnung erlaubt eine sehr dichte Packung der einzelnen Speicherzellen
in der Kühleinrichtung,
wobei die zwischen den einzelnen Speicherzellen verbleibenden Räume in dem
Gehäuse 2 ausreichend
Platz für
die Strömung des
Kühlmediums
bieten. Die Kühleinrichtung 1 bzw. die
mit ihr gekühlte
Batterie wird durch diese besonders günstige Ausgestaltung hinsichtlich
ihrer Größe bei idealer
Kühlbarkeit
und bestmöglicher
Funktionalität
optimiert. Dabei ist in 1 die bevorzugte Ausführungsform
der Kühleinrichtung 1 für eine Batterie mit
mehreren elektrochemischen Speicherzellen dargestellt. Selbstverständlich wäre auch
eine Ausführung
der Kühleinrichtung 1 auch
mit weniger elektrochemischen Speicherzellen, minimal mit einer
elektrochemischen Speicherzelle denkbar.
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Die
Aufnahmeelemente 5 für
die elektrochemischen Speicherzellen können entweder von einer Seite
in das Gehäuse 2 ragen,
wobei sie dann außer ihrer
geschlossenen Mantelfläche
auch noch eine dicht mit dieser verbundenen Bodenfläche aufweisen müssen, oder
in besonders günstiger
Weise auch durch eine weitere Öffnung 7 in
dem Boden 4, welche hier nicht erkennbar ist, durch das
Gehäuse 2 hindurch
verlaufen. Die Zugänglich keit
zu den und die elektrische Anschließbarkeit der Speicherzellen
von zumindest einer Seite aus, kann somit sichergestellt werden.
Die sich daraus ergebenden Vereinfachungen bei der Montage und der
Wartung der Batterie sollten offensichtlich sein.
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In 2 ist
eines der Aufnahmeelemente 5 dargestellt. Dieses weist
im wesentlichen die Form eines Zylindermantels auf und ist damit
für den
bevorzugten Ausführungsfall
der Kühleinrichtung 1 mit einer
Zugänglichkeit
zu den elektrochemischen Speicherzellen von der Seite des Deckels 3 und
der Seite des Bodens 4 des Gehäuses 2 aus vorgesehen.
Das Aufnahmeelement 5 weist eine in sich geschlossene und
dichte Mantelfläche
auf. Das Aufnahmeelement 5 weist ferner elastische Bereiche 8 auf.
Diese elastischen Bereiche 8 können auf verschiedene Arten ausgebildet
sein, wie es in den 2 bis 6 zu erkennen
ist.
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Die
einfachste Variante besteht aus einer Verringerung der Materialstärke zur
Verbesserung der Ausnutzung der Eigenelastizität des Materials des Aufnahmeelements 5 in
den elastischen Bereichen 8, wie sie in 3 dargestellt
ist.
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Die
hinsichtlich der erzielbaren Elastizität bessere Möglichkeit besteht in der Verwendung
von mäanderartigen
Faltungen mit wenigstens einem einen u- oder v-förmigen Abschnitt. Ein entsprechender
Aufbau mit einem je u-förmigen
Abschnitt als elastischen Bereich 8 ist in 2 dargestellt,
während
die 4 bis 6 alternative Ausgestaltungen mit
jeweils einem v-förmigen
Abschnitt, oder mit einer mäanderartigen
Ausgestaltung mit mehreren u- bzw. v-förmigen Abschnitten darstellen.
Die mäanderförmige Ausgestaltung
der elastischen Bereiche 8, welche aus Gründen der
einfachen Herstellbarkeit meist nur über einen der v- oder u-förmigen Abschnitte
verfügen wird,
weist dabei den Vorteil auf, dass bereits durch den wenigstens einen
Abschnitt eines Mäanders
eine sehr hohe Elastizität
des Aufnahmeelements 5 zu erzielen ist. Damit können für das Aufnahmeelement 5 verschiedene
Materialien eingesetzt werden, auch Materialien mit geringerer Elastizität.
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Ferner
wird durch den wenigstens einen Abschnitt eines Mäanders,
welcher sich immer von der inneren zylindrischen Mantelfläche nach
außen
erstrecken wird, um die ungestörte
Aufnahme der elektrochemischen Speicherzellen zu erlauben, die äußere Oberfläche des
Aufnahmeelements 5 vergrößert. Diese Vergrößerung der
Oberfläche
bewirkt eine Verbesserung der Kühlung
des Aufnahmeelements 5 sowie der später in dem Aufnahmeelement 5 angeordneten
elektrochemischen Speicherzelle, insbesondere dann, wenn das Aufnahmeelement 5 aus
einem gut wärmeleitenden
Material, z.B. aus Aluminiumblech, besteht. Neben einer reinen Vergrößerung der
Oberfläche
in der Art von Kühlrippen,
bewirkt der wenigstens eine Abschnitt eines Mäanders außerdem die Erzeugung und/oder
Erhöhung
der Turbulenzen in dem Kühlmedium.
In an sich bekannter Weise führt
dies zu einem verbesserten Wärmeübergang
und damit einer effizienteren Kühlung
der elektrochemischen Speicherzellen.
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Bei
der Montage der Kühleinrichtung
wird das Aufnahmeelement 5 in die jeweiligen korrespondierenden Öffnungen 6, 7 des
Bodens 4 bzw. Deckels 3 eingesetzt. Die Öffnungen 6, 7 sind
dazu etwas größer als
die Aufnahmeelemente 5 und diese werden in die Öffnungen 6, 7 geschoben
und dann in den Eingeschobenen Bereichen durch ein entsprechendes
Werkzeug plastisch so verformt, so dass unter geringer Aufweitung
am oberen und unterem Ende der Aufnahmeelemente 5 eine
feste Verbindung mit dem Boden 4 bzw. dem Deckel 3 entsteht. Alternativ
oder unterstützend
könnten
hier auch Klebstoffe etc. eingesetzt werden.
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Die
oberen/unteren Enden der Aufnahmeelemente 5 können sich
danach nicht mehr dehnen, da sie nun fest mit den massiven unelastischen
Boden 4 bzw. Deckel 3 verbunden sind. Die Aufnahmeelemente 5 brauchen
also zur Montage der Speicherzellen einen konischen Ansatz oder
dergleichen. Dazu kann jedoch die Aufweitung dienen, welche ein
Einsetzen und Durchschieben der Speicherzellen bis in den elastischen
Bereich der Aufnahmeelemente 5 erlaubt. Durch das Einschieben
der Speicherzelle in das Aufnahmeelement 5 werden sich
die elastischen Bereiche des Aufnahmeelements 5 entsprechend verformen.
Das Aufnahmeelement 5 legt sich so großflächig an die Speicherzelle bzw.
deren äußere Oberfläche an.
Neben der mechanischen Fixierung der Speicherzelle wird so außerdem eine
kraftschlüssige
und großflächige Verbindung
für einen
guten Wärmeübergang
erzielt.
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Über die
Elastizität
der elastischen Bereiche 8 lassen sich trotz eventueller
fertigungsbedingter Form- und/oder Maßabweichungen zwischen den einzelnen
Aufnahmeelementen 5 und den einzelnen zylindrischen elektrochemischen
Speicherzellen vergleichsweise großflächige Bereiche mit einem unmittelbaren
kraftschlüssigen
Kontakt zwischen den Oberflächen
der Speicherzellen und den Aufnahmeelemente 5 erreichen.
Die Ableitung von Wärme
an die ihrerseits durch das Kühlmedium
gekühlten
Aufnahmeelemente 5 der Kühleinrichtung 1 kann
somit sehr effizient erfolgen. Der Aufwand bei der Montage der Speicherzellen
in die Kühleinrichtung 1 – es ist keine
explizite Befestigung der einzelnen Speicherzelle notwendig – kann ebenso
wie der Aufwand bei der Herstellung der Kühleinrichtung 1 – es sind
nur vergleichsweise niedrige Anforderungen an die Fertigungstoleranzen
zu stellen – bei
zumindest annähernd
idealem Ergebnis hinsichtlich der Kühlung der Batterie minimiert
werden.
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Ohne
nennenswerten Einfluss auf die beschriebene Funktionsweise der Aufnahmeelemente 5,
können
in diese entweder einstückig,
beispielsweise aus einem spritzgegossenen oder extrudierten Bauteil
aus Kunststoff oder aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet
sein. Insbesondere bei einem derartigen Herstellungsverfahren für die Aufnahmeelemente 5 sind
die u-förmigen
Abschnitte des Mäanders
aus fertigungstechnischen Gründen
zu bevorzugen. Alternativ dazu wäre
es jedoch auch denkbar, das Aufnahmeelemente 5 beispielsweise
aus einem gebogenen und gefalteten Blech herzustellen, wobei es
sich hierbei anbieten würde,
v-förmige
Abschnitte zu verwenden und den Blechstreifen im Bereich eines der
elastischen Bereiche 8 durch geeignetes Falten und/oder
Löten zu
verbinden. Als beispielhaftes Material für einen derartigen Aufbau des
Aufnahmeelements 5 kann hier z.B. gut wärmeleitendes Aluminiumblech
genannt werden, welches zu elektrischen Isolation gegenüber der
Speicherzelle mit einer Eloxatschicht versehen sein könnte, so
dass die Speicherzelle selbst nicht isoliert zu werden braucht.
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Prinzipiell
wurde zum Erzielen der benötigten
Elastizität
des Aufnahmeelements 5 ein einziger elastischer Bereich 8 ausreichen.
Allerdings kann durch mehrere beispielsweise drei gleichmäßig über dem
Umfang verteilte elastischen Bereiche 8 eine Verbesserung
der Elastizität
des Aufnahmeelements 5 erzielt werden, da jeder einzelne
der elastischen Bereiche 8 eine geringere Elastizität aufweisen
kann, als wenn nur einer der elastischen Bereiche 8 vorhandenen
wäre. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
des Aufnahmeelements 5 weist dieses sechs der elastischen
Bereiche 8 auf, so dass mehrere der Aufnahmeelemente 5 in
der Art von sechseckigen Waben dicht und mit vergleichsweise gleichmäßigen Abständen nebeneinander
gepackt werden können. Der
Vorteil dieses Aufbaus wird bei der Darstellung in 1 ersichtlich,
da hier durch die elastischen Bereiche 8 zwischen den einzelnen
Aufnahmeelementen 5 ausreichend große Kühlkanäle in dem Gehäuse 2 entstehen,
durch welche das Kühlmedium
die Aufnahmeelemente 5 und damit die in ihnen angeordneten
elektrochemischen Speicherzellen ideal umströmen kann, ohne dass sich ungenutzte
Bereiche bilden.
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In 7 ist
das Gehäuse 2 der
Kühleinrichtung 1 nochmals
dargestellt. Das Gehäuse 2 weist eine
wabenartige Außenstruktur
auf, welche es sich letztendlich aus einzelnen (virtuellen) sechseckigen Bereichen
zusammensetzt, welche jeweils eines der Aufnahmeelemente 5 mit
seinen sechs elastischen Bereichen 8 in der oben genannten
Art umfassen.
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Als
Material für
das Gehäuse 2,
den Deckel 3, den Boden 4 sowie die Aufnahmeelemente 5 sind jeweils
verschiedene Werkstoffe denkbar. Neben leicht, insbesondere mittels
Druck- oder Spritzgussverfahren,
zu verarbeitenden Metallen, wie beispielsweise Aluminium, spielen
hier vor allem Kunststoffe eine entscheidende Rolle. Da herkömmliche
zylindrische Speicherzellen im allgemeinen eine metallische Außenfläche mit
einer Isolationsfolien oder -schicht, z.B. eine Eloxatschicht, aufweisen,
gibt es bei der Verwendung von metallischen Aufnahmeelementen 5 typischerweise
zwei Wärmeübergänge, zuerst
von der Außenfläche auf
die Isolation und dann von der Isolation auf das Aufnahmeelement 5.
Wird dagegen ein Kunststoff, wie z.B. Polypropylen (PP), Polyamid (PA)
oder dergleichen, für
die Aufnahmeelemente 5 verwendet, so kann auf die Isolationsfolie
verzichtet werden. Zusätzlich
zu der reinen Einsparung der Isolationsfolie und des mit ihr verbundenen
Montageaufwands, lässt
sich so auch die Anzahl der Wärmeübergänge halbieren
und damit die Effizienz der Wärmeübertragung
bei systemintegrierter Isolation steigern. Des weiteren sind derartige
Kunststoffe, beispielsweise durch Spritzguss oder extrudieren, vergleichsweise
einfach zu verarbeiten, leicht und kostengünstig.
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Der
Aufbau der Kühleinrichtung 1 aus
dem Gehäuse 2 und
dem von diesem Gehäuse 2 unabhängigen Deckel 3 und
Boden 4 sowie den davon wiederum unabhängigen Aufnahmeelementen 5 erlaubt
es, dass jedes einzelne dieser Teile 2, 3, 4, 5 der
Kühleinrichtung 1 aus
einem anderen hierfür
speziell geeigneten Material hergestellt werden kann. So können die
Aufnahmeelemente 5 aus einem metallischen Werkstoff zum
verbesserten Ableiten der Wärme
einerseits, oder aus einem Kunststoff zur Einsparung der Isolation
und zur erleichterten Herstellung der Aufnahmeelemente 5 andererseits
hergestellt werden. Beim Einsatz eines Kunststoffes für das Aufnahmeelement 5 bietet
sich die Herstellung über Spritzguss
oder Extrusion an. Die Wandstärken
eines solchen Aufnahmeelements 5 können bei einem Durchmesser
von ca. 40 mm und einer Länge
von ca. 140 mm typischerweise in der Größenordnung von 0,8 bis 1,2
mm liegen. Das Gehäuse 2,
welches im Allgemeinen eine höhere
mechanische Belastung auszuhalten hat und nicht wie die Aufnahmeelemente 5 mechanisch
von den elektrochemischen Speicherzellen gestützt wird, kann dagegen aus
einem entsprechend dickeren und/oder festeren Material, beispielsweise
einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial mit einer in etwa doppelt so großen Wandstärke wie
die Aufnahmeelemente 5, hergestellt sein. Ebenso wäre auch
hier der Einsatz eines metallischen Gehäuses 2, entweder aus
einem gefalteten Blech, einem Gussteil oder dergleichen denkbar.
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Für den Deckel 3 und
den Boden 4 sind dickere Wandstärken in der Größenordnung
von ca. 4 mm sinnvoll, da diese Bauelemente 3, 4 bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Kühleinrichtung 1 gemäß 1 die
Aufnahmeelemente 5 in Position halten. Da zu weisen sowohl
der Deckel 3 als auch der Boden 4 die entsprechenden Öffnungen 6, 7 auf, welche
im Rahmen der Erläuterungen
zu 1 bereits angesprochen wurden. Diese Öffnungen 6, 7, welche
in 8 deutlicher zu erkennen sind, korrespondieren
in ihrer Form mit der Außenform
der Aufnahmeelemente 5. Durch den Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 6, 7,
welcher geringfügig
kleiner ist, als der äußere Querschnitt
der Aufnahmeelemente 5, kommt es bei der in 8 gezeigten
Montage der Kühleinrichtung 1 zu
einem Einklemmen der Aufnahmeelemente 5 in den korrespondierenden Öffnungen 6, 7.
Die Klemmwirkung wird dabei durch das leichte Aufweiten der Aufnahmeelemente
5 beim Einschieben der Speicherzellen nochmals verstärkt. Die Öffnungen 6, 7 dienen
dann als Halteelemente für
die Aufnahmeelemente 5 und schließen gleichzeitig die Kühleinrichtung 1 gegenüber deren
Umgebung dicht ab. Zusätzlich
kann die reine Klemmwirkung dabei durch geeignete Klebstoffe, Dichtungen
oder dergleichen verbessert werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
wären auch
andere Halteelemente denkbar, beispielsweise geeignete Vorsprünge an dem
Gehäuse 2,
an welche die Aufnahmeelemente 5 geklemmt, geschraubt,
genietet oder geklebt werden könnten.
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Die
bevorzugte Ausgestaltung der Kühleinrichtung 1 sieht
nun vor, dass diese von einem flüssigen
Kühlmedium
durchströmt
wird, welches die Aufnahmeelemente 5 kühlt, welche wiederum mit den einzelnen
elektrochemischen Speicherzellen der Batterie in dem kraftschlüssigen großflächigen Kontakt
stehen. Durch die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels lässt sich dabei eine weitaus
bessere Kühlung
erreichen, als es mit einem gasförmigen Kühlmedium,
welches bei einem solchen Aufbau jedoch auch denkbar wäre, der
Fall ist. Eine effiziente Kühlung
wird auch dadurch möglich,
dass die Wandstärke
der Aufnahmeelemente 5 im Verhältnis zu denen des Gehäuses 2,
des Deckels 3 und/oder des Bodens 4 dünner ausgeführt werden
können.
In entsprechenden Versuchen haben sich Wandstärken für die die Speicherzellen umgebenden
Aufnahmeelemente 5 von 1 mm oder weniger als ausreichend
erwiesen, um die elektrische Isolation der Speicherzellen bei kleinstem
möglichen
Widerstand gegenüber der
Wärmeleitung
zu gewährleisten.
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In 8 ist
eine Explosionsdarstellung der Kühleinrichtung 1 gemäß 1 zu
erkennen. Zur Kühlung
der Batterie mittels der Kühleinrichtung 1, strömt flüssiges Kühlmedium
in der durch die Pfeile A, B, C und D angedeuteten Art durch das
Gehäuse 2.
Die einzelnen Aufnahmeelemente 5 werden überwiegend
entlang ihrer bzw. parallel zu ihren Längsachsen umströmt, so dass
eine gleichmäßige Kühlung aller
Aufnahmeelemente 5 und damit aller Speicherzellen der Batterie
erzielt wird. also In dem Gehäuse 2 sind
die Aufnahmeelemente 5, von welchen nur einige mit Bezugszeichen
versehen wurden, lose eingelegt. Das Gehäuse 2 mit den darin
eingelegten Aufnahmeelemente 5 wird dann mit dem Deckel 3 und
dem Boden 4 zu der Kühleinrichtung 1 verpresst. Sowohl
der Deckel 3 als auch der Boden 4 kann dazu in üblicher
und an sich bekannter Weise mittels einer Phase, einer Querschnittsverengungen,
welche in dem Gehäuse
in der Art einer Presspassung zu liegen kommt oder mit entsprechenden überstehenden Teilen,
welche in oder um das Gehäuse 2 ragen
und den Deckel 3 bzw. den Boden 4 halten, versehen sein,
so dass beim Verpressen eine dichte Kühleinrichtung 1 entsteht.
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In
der Darstellung gemäß 8 sind
außerdem
zwei flächige
Elemente 9 zu erkennen, welche jeweils über Abstandshalter 10 mit
dem Deckel 3 bzw. dem Boden 4 verbunden sind.
Nach erfolgter Montage kommen die beiden Flächen 9 zwischen den
Aufnahmeelementen 5 zu liegen und dienen dort als Strömungswiderstände. Die
Ausgestaltung der Flächen 9 ist
dabei so ge wählt,
dass diese den zwischen den Aufnahmeelemente 5 und gegebenenfalls dem
Gehäuse 2 befindlichen
durchströmbaren
Querschnitt gegenüber
dem vor nach der jeweiligen Fläche 9 liegenden
Bereich verringern. Die Flächen 9, von
denen prinzipiell auch eine einzige ausreichen wurde, dienen also
als Strömungswiderstände, welche
aufgrund der durch sie verursachten Druckverluste für eine gleichmäßige Verteilung
des Kühlmediums über den
gesamten durchströmbaren
Querschnitt des Gehäuses 2 sorgen.
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Alternativ
zu den hier dargestellten Flächen 9,
welche eine vergleichbare Form aufweisen wie die Querschnitte in
die sie eingebracht werden, gegenüber diesen jedoch geringfügig kleiner
sind, wären auch
andere Strömungswiderstände, beispielsweise Lochbleche
oder dergleichen denkbar. Diese könnten außerdem als alternatives oder
zusätzliches
Halteelement Verwendung finden und die Aufnahmeelemente 5 in
dem Gehäuse 2 sicher
an ihrem Ort halten.
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Durch
die Anbindung der Flächen 9 über die Abstandshalter 10 an
den Deckel 3 bzw. den Boden 4 entstehen, bei weiterhin
sehr einfacher Montage der Kühleinrichtung 1,
zwischen den Flächen 9 und dem
Deckel 3 bzw. dem Boden 4 zwei Verteilerbereiche
bzw. Verteilerkanäle
für das
Kühlmedium.
Diese Verteilerkanäle
können
dann über
in das Gehäuse 2 eingebrachte
Einström-
und Ausströmbohrungen bzw.
-leitungsn, welche hier nicht dargestellt sind, mit dem Kühlmedium
versorgt werden.
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Die
bevorzugte Richtung der Durchströmung der
Kühleinrichtung 1 mit
dem Kühlmedium
ist dabei so, dass das Kühlmedium
in dem Gehäuse 2,
bei bestimmungsgemäßem Einsatz
der Kühleinrichtung 1, wie
er in 1 dargestellt ist, entgegen der Schwerkraft strömt und dementsprechend
nach dem Umströmen
der Aufnahmeelemente 5 das Gehäuse 2 wieder verlässt. Im
Bereich der Einström-
und Ausströmleitungen
für das
Kühlmedium
können
außerdem
Einrichtungen zur Aufnahme von Sensoren, z.B. Temperaturfühler, oder
dergleichen angeordnet sein.
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Je
nach eingesetztem Kühlmedium,
z.B. Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, ein Wärmeträgeröl oder dergleichen,
kann es in Verbindung mit den zumindest teilweise für die Herstellung
der Kühleinrichtung 1 eingesetzten Kunststoffen,
wie PP oder PA, zu Problemen mit der Dichtheit über einen langen Zeitraum kommen.
Insbesondere bei der üblicherweise
sicherlich in den meisten Fällen
bevorzugten Verwendung von wasserhaltigen Kühlmedien, kann es zu einer
Diffusion von Wasser in und damit letztendlich auch durch den Kunststoff
kommen. Die Dichtheit der Kühleinrichtung 1 ist
damit nicht mehr zu 100% sichergestellt.
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Abhilfe
bieten hier im wesentlichen zwei verschiedene Ansätze. Einerseits
kann die Kühleinrichtung 1 zumindest
im Bereich der gefährdeten
Teile mit einer für
das eingesetzte Kühlmedium
diffusionsdichten Schicht versehen werden. Die Kühleinrichtung 1 lässt sich
dann vollkommen dicht ausbilden. Andererseits sind die Mengen an
durch Diffusion austretendem Kühlmedium,
z.B. Wasser, sehr gering. Eine sinnvolle Alternative zu der diffusionsdichten
Schicht, kann daher andererseits auch der Einsatz von Trocknungsmittel,
insbesondere in Form einer oder mehreren austauschbaren Patronen
sein, welche im Bereich zwischen der Kühleinrichtung 1 und
einem sie typischerweise umgebenden Batteriekasten angeordnet sein
können.
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Eine
so aufgebaute Kühleinrichtung 1 erlaubt den
Aufbau einer Batterie, welche die eingangs bereits erläuterten
Anforderungen bei kleiner und platzsparender Bauart in zumindest
annähernd
idealer Weise erfüllt,
und welche damit besonders gut geeignet ist, um als elektrische
Energiespeichereinrichtung in einem Fahrzeug mit wenigstens einer
zu Traktionszwecken genutzten Elektromaschine, eingesetzt zu werden.
Als Kühlmedium
kann bei der Verwendung in einem Fahrzeug ein in einem Kühlkreislauf des
Fahrzeuges ohnehin zirkulierendes Medium verwendet werden. verwendet
werden. Es ist jedoch oftmals so, dass ein eigener Kühlkreislauf
für die
Batterie notwendig ist, da die Maximaltemperatur der Zellen in der
Regel weit unter der Maximaltemperatur des Motorkühlwassers
der Verbrennungsmotoren liegt.