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Die Erfindung betrifft einen Akkublock aus einer Vielzahl von Akkuzellen in der Form von einzelnen prismatischen Zellkörpern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Akkublöcke aus Akkuzellen mit prismatischen Zellkörpern sind bekannt. Ein prismatischer Zellkörper weist einen Zellboden und eine dem Zellboden gegenüberliegende Kontaktseite mit Anschlusspolen auf. Die Seitenflächen des Zellkörpers erstrecken sich zwischen dem Zellboden und der Kontaktseite und sind im Wesentlichen durch zwei größere Flachseiten und zwei die Flachseiten verbindende Schmalseiten gebildet. Die größeren Flachseiten des Zellkörpers erstrecken sich längs einer Mittelebene des Zellkörpers.
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Ein Gehäuse für den Akkublock besteht aus einem Gehäuseunterteil, z. B. einer Gehäusewanne, und einem Gehäuseoberteil, z. B. einem Gehäusedeckel. Das Gehäuseunterteil hat eine sich in Richtung einer Gehäuselängssachse erstreckende Gehäuselänge sowie eine sich quer dazu erstreckende innere Gehäusebreite. Innerhalb des Gehäuses ist zwischen den Zellkörpern des Akkublocks zumindest ein Kühlkanal vorgesehen.
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Die Ausbildung eines Kühlkanals in einem mit Akkuzellen besetzten Akkugehäuse ist aufwendig, da einerseits auf einen guten Wärmeübergang zu achten ist und andererseits in jeder Betriebssituation die Dichtigkeit des Kühlkanals gewährleistet sein muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Akkublock aus einer Vielzahl von Akkuzellen mit einem innerhalb eines Gehäuses des Akkublocks ausgebildeten Kühlkanal anzugeben, der bei einfachem Aufbau eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet.
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Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Akkublock dadurch gelöst, dass der Kühlkanal durch Kanalwände begrenzt ist, die von der Gehäusewanne, dem Gehäusedeckel und den Flachseiten sowie den Schmalseiten eines Zellkörpers gebildet sind.
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Für die Ausbildung des Kühlkanals bedarf es keiner konstruktiven Kanalelemente; durch die erfindungsgemäße Anordnung der Zellkörper innerhalb des Gehäuses des Akkublocks wird ein Kühlkanal ausgebildet, der ohne zusätzlichen Materialaufwand für die Strömungsführung einer Kühlflüssigkeit durch die Bestückung des Gehäuses mit Akkuzellen und dem Verschließen des Gehäuses entsteht. Da jeder Zellkörper einer Akkuzelle auf zumindest drei Seiten über im Wesentlichen die gesamte Höhe des Zellkörpers von Kühlflüssigkeit umströmt ist, findet eine effektive Wärmeabfuhr statt.
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In dem Gehäuse des Akkublocks liegen mehrere Zellkörper nebeneinander, wobei die Mittelebenen der Zellkörper in Richtung der Gehäuselängsachse nebeneinander liegen. Der Zellkörper ist mit einer zwischen seinen Schmalseiten gemessenen Zelllänge vorgesehen, die kleiner als die innere Gehäusebreite des Gehäuses des Akkublocks ist. Dadurch entsteht beim Bestücken des Gehäuses mit einer Akkuzelle zwischen einer Gehäuseseitenwand und dem Zellkörper zwangsweise ein Spalt, der einen Kühlkanalabschnitt darstellt. Vorzugsweise beträgt die Zelllänge 90% bis 99% der inneren Gehäusebreite.
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In einfacher Ausgestaltung des Gehäuses besteht der erste Gehäuseteil aus einer Gehäusewanne und der zweite Gehäuseteil aus einem Gehäusedeckel. Die Zellkörper können in einfacher Weise mit ihrem Zellboden auf dem Wannenboden der Gehäusewanne aufgestellt werden und liegen mit ihren Kontaktseiten dem Deckel zugewandt. Besondere Dichtungsmaßnahmen zwischen dem Zellboden und dem Wannenboden sind nicht erforderlich.
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Um zwischen den Flachseiten benachbarter Zellkörper einen Kühlkanalabschnitt auszubilden, ist vorgesehen, dass die Flachseiten benachbarter Zellkörper in Richtung der Gehäuselängsachse mit Abstand nebeneinander liegen.
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In besonderer Weise werden die Zellkörper quer zur Gehäuselängsachse der Gehäusewanne gegeneinander versetzt angeordnet, derart, dass eine Schmalseite eines ersten Zellkörpers zu einer Gehäusewand einen Abstand aufweist, während die andere Schmalseite des gleichen Zellkörpers nahe bzw. an der gegenüberliegenden Gehäusewand liegt. Dadurch wird zwischen einer Schmalseite des Zellkörpers und der Gehäuseseitenwand des Gehäuses des Akkublocks ein Spalt gebildet, der einen weiteren Kühlkanalabschnitt ausbildet. Eine flüssigkeitsdichte Anlage der anderen Schmalseite an der gegenüberliegenden Gehäusewand ist nicht zwingend erforderlich. Ein benachbarter Zellkörper wird derart angeordnet, dass eine andere Schmalseite des benachbarten Zellkörpers zu einer gegenüberliegenden Gehäusewand einen Abstand aufweist, während die erste Schmalseite des benachbarten Zellkörpers nahe bzw. an der anderen Gehäusewand liegt.
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Durch die so zwischen den Zellkörpern und zwischen den Gehäuseseitenwänden und den Zellkörpern gebildeten Spalte ist ein Kühlkanal zusammengesetzt, der vorzugsweise als mäandernder Kühlkanal ausgebildet ist. Dieser Kühlkanal ist zur Kontaktseite eines Zellkörpers durch den Gehäusedeckel verschlossen. Im Gehäusedeckel sind Öffnungen für auf der Kontaktseite des Zellkörpers liegende Anschlusspole ausgebildet.
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Vorteilhaft sind in Höhe des Gehäusedeckels ein Zulauf für den Kühlkanal und ein Ablauf für den Kühlkanal ausgebildet. Der Gehäusedeckel umfasst Dichtungselemente, die die Kontaktseite eines Zellkörpers umlaufend abdichten, insbesondere in den Spalt zwischen den Akkuzellen und den Spalt zwischen den Akkuzellen und dem Gehäuse eingreifen. Ein derartiges am Gehäusedeckel vorgesehenes Dichtungselement kann einteilig mit dem Gehäusedeckel ausgebildet sein, z. B. im 2K-Verfahren.
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Das Gehäuse des Akkublocks besteht vorteilhaft aus Kunststoff; die die Gehäusewanne mit dem Gehäusedeckel verbindenden Halteklammern werden zweckmäßig aus einem Federstahl gefertigt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im Einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht auf einen Akkublock,
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2 eine Explosionsdarstellung des Akkublocks nach 1,
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3 eine Akkuzelle in Form eines prismatischen Zellkörpers,
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4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV durch den Akkublock nach 1,
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5 einen Schnitt längs der Linie V-V durch einen Akkublock gemäß 1,
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6 in schematischer Darstellung einen im Akkublock nach 1 ausgebildeten Kühlkanal,
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7 einen Schnitt durch den Akkublock längs der Linie VII-VII in 1,
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8 in vergrößerter Darstellung am Gehäusedeckel vorgesehene Dichtelemente zur Begrenzung des Kühlkanals,
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9 in vergrößerter Darstellung eine Dichtung zwischen der Gehäusewanne und dem Gehäusedeckel.
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In 1 ist ein Akkublock 1 gezeigt, der ein Gehäuse 10 aus einem ersten Gehäuseteil 11, vorzugsweise einer Gehäusewanne 47 und einem zweiten Gehäuseteil 12, vorzugsweise einem Gehäusedeckel 41 aufweist. Der Gehäusedeckel 41 wird auf die Gehäusewanne 47 aufgesetzt, wobei zwischen dem Gehäusedeckel 41 und der Gehäusewanne 47 eine Dichtung 13 angeordnet ist. Die Gehäusewanne 47 und der Gehäusedeckel 41 sind flüssigkeitsdicht zusammengefügt. Zur Verbindung von Gehäusewanne 47 und Gehäusedeckel 41 sind in einfacher Weise Gehäuseklammern 14 und 15 vorgesehen sind. Die Gehäuseklammern 14, 15 untergreifen einen Gehäuserand 16 sowie einen Außenrand 17 des Gehäusedeckels 41.
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2 zeigt die Einzelteile eines Akkublocks 1 in Explosionsdarstellung. Ein erstes Gehäuseteil 11, eine Gehäusewanne 47, dient der Aufnahme der Akkuzellen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4. Die Anzahl der dargestellten Akkuzellen 2 ist beispielhaft. Es können bei Bedarf mehr oder auch weniger Akkuzellen 2 in einer Gehäusewanne 47 angeordnet werden.
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Eine Akkuzelle 2 ist in Form eines prismatischen Zellkörpers 20 ausgebildet, wie er in 3 dargestellt ist. Der Zellkörper 20 weist einen Zellboden 22 sowie eine dem Zellboden 22 gegenüberliegende Kontaktseite 21 auf. Die Seitenflächen des Zellkörpers 20 erstrecken sich zwischen der Kontaktseite 21 und Zellboden 22. Die Seitenflächen sind durch Schmalseiten 23 und 25 sowie durch Flachseiten 24 und 26 gebildet. Dabei liegen die Flachseiten 24 und 26 parallel zu einer Mittelebene 27 des Zellkörpers 20. Auf der Kontaktseite 21 des Zellkörpers sind die elektrischen Anschlusspole 3 und 4 vorgesehen; der Anschlusspol 3 kann ein Minuspol und der Anschlusspol 4 ein Pluspol des Zellkörpers 20 sein.
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Zwischen den Anschlusspolen 3 und 4 ist eine Abblasvorrichtung 5 vorgesehen, über die ein eventuell entstehender Überdruck in dem Zellkörper 20 abgelassen wird. Die Abblasvorrichtung 5 ist bevorzugt eine Art Überdruckventil.
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Die Akkuzellen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 werden in die Gehäusewanne 47 eingestellt, wobei der Zellboden 22 jedes Zellkörpers 20 vorteilhaft auf dem Wannenboden 18 der Gehäusewanne 47 aufsteht. Die Kontaktseiten 21 der Zellkörper 20 der Akkuzellen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 liegen dem Gehäusedeckel 41 zugewandt. Der Gehäusedeckel 41 weist einen Deckelboden 19 auf, in dem Kontaktöffnungen 33, 34 für die Anschlusspole 3 und 4 vorgesehen sind. Wie insbesondere 4 zeigt, durchragen die Anschlusspole 3 und 4 die Kontaktöffnungen 33 und 34. Zwischen den Kontaktöffnungen 33 und 34 im Deckelboden 19 sind Abblasöffnungen 31 vorgesehen, die mit den Abblasvorrichtungen 5 in den Kontaktseiten 21 der Zellkörper 20 kommunizieren. Die Abblasöffnungen 31 münden in einen gemeinsamen Gaskanal 32, der in Richtung einer Gehäuselängsachse 40 zu den Außenseiten des Akkublocks 1 offen ist. Der Wannenboden 18 ist von einem erhöhten Rand 6 umgeben, der einen elektrischen Anschlussraum 7 begrenzt. Der Anschlussraum 7 ist von einem Abschlussdeckel 30 verschlossen; die Enden des Gaskanals 32 münden in Aussparungen 35 des Randes 6.
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Das Gehäuse 10 des Akkublocks 1 hat eine innere Gehäuselänge L sowie eine innere Gehäusebreite B. Die Gehäuselänge L ist in Richtung einer Gehäuselängsachse 40 gemessen; die Gehäusebreite B erstreckt sich quer, insbesondere orthogonal zur Gehäuselängsachse 40.
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Die Akkuzellen 2 in Form der prismatischen Zellkörper 20 sind derart angeordnet, dass die Mittelebenen 27 der Zellkörper 20 in Richtung der Gehäuselängsachse 40 nebeneinander liegen. Die quer und insbesondere orthogonal zur Gehäuselängsachse 40 gemessene Zelllänge Z eines Zellkörpers 20 ist kleiner als die Gehäusebreite B ausgebildet. Die Zelllänge Z entspricht vorteilhaft etwa 90% bis 99% der Gehäusebreite B. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Zelllänge Z etwa 95% bis 98% der Gehäusebreite B, insbesondere 97,5% der Gehäusebreite B. Wie 4 zeigt, ist auf diese Weise zwischen einem Zellkörper 20 und einer Gehäuseseitenwand 45 ein Spalt 8 ausgebildet.
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Wie in 5 dargestellt, liegen die Flachseiten 24 und 26 einander benachbarter Zellkörper 20 mit einem Abstand s zueinander. Der Abstand s ist in Richtung der Gehäuselängsachse 40 gemessen. Zwischen benachbarten Zellkörpern 20 ist so ein Spalt 9 ausgebildet. Ergänzend liegt die Flachseite 24 des Zellkörpers 20 zur äußeren Gehäuseseitenwand 44 des Gehäuses 10 mit einem Abstand s und bildet dort einen weiteren Spalt 9 aus. Auch der in der Reihe der Zellkörper 20 der gegenüberliegenden Gehäuseseitenwand 46 benachbarte Zellkörper 20 bildet mit seiner Flachseite 26 und der Gehäuseseitenwand 46 einen Spalt 9 aus.
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Wie die 4 und 7 zeigen, erstrecken sich die Spalte 8 und 9 im Wesentlichen über die gesamte Höhe H des Zellkörpers 20. Die in Richtung der Gehäusehöhe des Akkublocks 1 gemessene Höhe K der Spalte 8 und 9 entspricht 85% bis 95% der Höhe H des Zellkörpers 20, insbesondere 98% der Höhe H des Zellkörpers 20.
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Die Spalte 8 und 9 schließen – wie 5 zeigt – aneinander an. Insbesondere gehen die Spalte 8 und 9 über die gesamte Gehäusehöhe G des Gehäuses 10 des Akkublocks 1 ineinander über und bilden auf diese Weise einen Kühlkanal 50. Der Kühlkanal 50 hat einen im Gehäuse 10 ausgebildeten Zufluss 51 und einen im Gehäuse ausgebildeten Abfluss 52, der – wie insbesondere 2 zeigt – am Rand 6 des Gehäusedeckels 41 angeformt ist. Der Zufluss 51 und der Abfluss 52 des Kühlkanals 50 durchragen den Gehäusedeckel 41, insbesondere den Deckelboden 19 flüssigkeitsdicht. Ein Eintritt von Flüssigkeit in den Anschlussraum 7 ist sicher vermieden.
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5 zeigt den Kühlkanal 50 im Schnitt längs der Linie V-V in 1. In 6 ist der Flüssigkeitsstrom 500 des Kühlkanals 50 mit Zuflussströmung 510 und Abflussströmung 520 schematisch wiedergegeben. Der Kühlkanal 50 umströmt jeden Zellkörper 20 auf drei Seitenflächen des Zellkörpers 20, nämlich den größeren Flachseiten 24 und 26 und jeweils einer Schmalseite 23 bzw. 25. Dies stellt eine gute Kühlung des einzelnen Zellkörpers 20 sicher.
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Wie die 5 und 6 zeigen, ist der Kühlkanal 50 ein mäandernder Kühlkanal. Die Zellkörper 20 sind quer zur Gehäuselängsachse 40 in Pfeilrichtung 37 zueinander versetzt angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Schmalseite 23 bzw. 25 eines Zellkörpers 20 zu einer Gehäuseseitenwand 43 bzw. 45 mit einem Abstand a angeordnet ist und die andere Schmalseite 25 bzw. 23 des gleichen Zellkörpers 20 an der gegenüberliegenden Gehäuseseitenwand 45 bzw. 43 anliegt. Dadurch kann, ohne dass besondere Kanalwände für einen Kühlkanal auszubilden sind, innerhalb des Gehäuses 10 des Akkublocks 1 ein vorzugsweise mäandernder Kühlkanal 50 ausgebildet werden. Da der Kühlkanal 50 durch Kanalwände begrenzt ist, die von der Gehäusewanne 47, dem Gehäusedeckel 41 und den Flachseiten 24, 26 sowie den Schmalseiten 23, 25 der Zellkörper 20 der Akkuzellen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 gebildet sind, ist ohne konstruktiven Aufwand ein Kühlkanal 50 zur intensiven Kühlung und Abfuhr der Betriebswärme gegeben.
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Hervorzuheben ist, dass die durch die Pfeile 37 in 5 gezeigte versetzte Anordnung der Zellkörper 20 ausreichend ist, einen Kanalabschnitt auszubilden, ohne dass im Anlagebereich 38 des Zellkörpers 20 eine flüssigkeitsdichte Anlage an der Gehäuseseitenwand notwendig ist. Leckagen im Anlagebereich 38 sind grundsätzlich zulässig; da aber in dem auf gleicher Höhe liegenden Spalt 8 ein Strömungsquerschnitt über die gesamte Kanalhöhe K gewährleistet ist, wird sich – auch bei Undichtigkeiten im Anlagebereich 38 – ein Strömungsverlauf vom Zufluss 51 zum Abfluss 52 entsprechend den dargestellten Strömungspfeilen 55 ausbilden.
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Zu den Kontaktseiten 21 der Zellkörper 20 ist ein flüssigkeitsdichter Abschluss zu gewährleisten. Hierzu sind am Deckelboden 19 des Gehäusedeckels 41 Dichtungen 60 angeordnet, die jeweils einen in den Spalt 8 bzw. 9 einragenden Dichtungsrand 62 aufweisen. Die Kontaktseite 21 eines Zellkörpers 20 wird somit durch eine am Deckelboden 19 gehaltene umlaufende Dichtung 60 gegenüber dem Innenraum des Gehäuses 10 abgedichtet. Die umlaufende Dichtung 60 ist in 3 schematisch dargestellt.
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Aus 7 ist ersichtlich, wie die umlaufende Dichtung 60 mit einem umlaufenden Dichtungsrand 62 auf der Kontaktseite 21 flüssigkeitsdicht aufliegt. Mit einem Dichtungssteg 61 greift die Dichtung 60 in den jeweiligen Spalt 8, 9 ein. Dadurch ist einerseits eine Dichtwirkung zwischen dem Dichtungssteg 61 und den Zellkörpern 20 bzw. dem Zellkörper 20 und der Gehäuseseitenwand hergestellt; andererseits ist eine zweite Dichtung durch Anlage des Dichtungsrandes 62 auf der Kontaktseite 21 des Zellkörpers 20 gewährleistet. Ein Flüssigkeitsübertritt aus dem Innenraum des Gehäuses 10 bzw. aus dem Kühlkanal 50 in den Anschlussraum 7 ist sicher vermieden.
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Die Abdichtung des Kühlkanals 50 zum Gehäusedeckel 41 erfolgt durch einfaches Aufsetzen des Gehäusedeckels 41 auf die Gehäusewanne 47. Zur Abdichtung des Gehäuses 10 nach außen ist zwischen dem Deckelrand 42 und dem Wannenrand 48 eine Dichtungsanordnung 65 ausgebildet. Hierzu trägt der Deckelrand 42 eine umlaufende Dichtung 13, die sich – bevorzugt mit mehreren Dichträndern – an dem Wannenrand 48 dichtend anlegt. Ein Austritt von Flüssigkeit aus dem Kühlkanal 50 nach außen ist verhindert.
