DE202021004040U1

DE202021004040U1 - Batteriemodul und Batteriesystem mit Wärmetauschergehäuse

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Publication number: DE202021004040U1
Application number: DE202021004040.4U
Authority: DE
Original assignee: Whitemark Technology GmbH
Current assignee: Whitemark Technology GmbH
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2031-05-15

Abstract

Batteriemodul, umfassend
ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse (110);
eine Mehrzahl an Batteriezellen (120), die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) angeordnet sind; und
eine erste Temperierflüssigkeit, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) in thermischem Kontakt mit der Mehrzahl an Batteriezellen und mit einem Abschnitt einer inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) enthalten ist, so dass Wärme, die von der Mehrzahl an Batteriezellen (120) erzeugt wird, an das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) durch Leitung oder Konvektion übertragen wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) so ausgebildet ist, dass es einen Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit zwischen dem Abschnitt der inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul und ein Batteriesystem, die ein effizientes und homogenes Temperieren von Batteriezellen ermöglicht.
Angesichts der absehbar begrenzten Verfügbarkeit klassischer Kraftstoffe und der zunehmenden Luftverschmutzung durch Motorabgase wurde in den letzten Jahren der Fokus auf alternative Antriebslösungen gelegt. Unabhängig von der primären Energiequelle erfordern die meisten Ansätze Batteriemodule und Systeme mit hoher Leistungsdichte, einer langen Lebensdauer und hoher Leistung.
Der Aufbau eines Batteriesystems ist die mechanische, elektrische und thermische Integration einer großen Anzahl von Batteriezellen zu einer funktionierenden Einheit. Weitere zu berücksichtigende Aspekte sind chemische Verträglichkeit der verwendeten Komponenten, Sicherheitsmerkmale im Falle eines thermischen Durchgehens und einfache Massenproduktion.
Eine angemessene Temperatursteuerung jeder einzelnen Batteriezelle innerhalb eines Batteriesystems ist eine wichtige Voraussetzung, insbesondere beim Laden oder Entladen der Batterie. Die Nichteinhaltung von Temperaturgrenzen von z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen kann zu einer schleichenden Verschlechterung der Batterieleistung oder sogar zu einer schnellen und gefährlichen Zerstörung der Batterie führen.
Herkömmlich kann die Temperatursteuerung von Batteriezellen in einem Batteriesystem indirekt erfolgen, zum Beispiel durch Bereitstellen eines Kühlkörpers, der in thermischem Kontakt mit den Basisteilen zylindrischer Batteriezellen steht. Durch Kanäle im Kühlkörper wird ein Fluss einer Temperierflüssigkeit erzeugt. Auf diese Weise wird die von der Batteriezelle erzeugte Wärme über ihre Mäntel in den Kühlkörper übertragen. Dieser Aufbau weist eine hohe thermische Trägheit auf, die bei hoher Belastung oder beim Laden zu großen Temperaturspitzen führt. Diese Temperaturspitzen können durch Begrenzen des maximalen Stroms verhindert werden. Das herkömmliche System lässt jedoch keine schnellen Lastwechsel zu.
Alternativ können die Batteriezellen direkt über eine Temperierflüssigkeit gekühlt werden, die in direktem thermischen Kontakt mit den Batteriezellen steht. Zu diesem Zweck kann ein flüssigkeitsdichter Hohlraum um die Mäntel der Batteriezellen vorgesehen sein. Indem die Temperierflüssigkeit durch diese Hohlräume gepumpt wird, wird Wärme, die hauptsächlich an den Polen der Batteriezellen erzeugt wird, durch die Mäntel zur Temperierflüssigkeit geleitet. Diese Technik wird als Immersionskühlung bezeichnet. Ein Nachteil eines solchen Systems ist, dass jeder Hohlraum um die Mäntel der Batteriezellen eine flüssigkeitsdichte Abdichtung erfordert, in der Regel an zwei Stellen der Mäntel der Batteriezellen.
Bei aufwendigeren Systemen sind die Batteriezellen vollständig in eine Temperierflüssigkeit getaucht. Dieser Aufbau erfordert eine große Menge an Temperierflüssigkeit, was zu einem höheren Gewicht und Kosten des Systems führt. Außerdem muss die Temperierflüssigkeit besondere Eigenschaften aufweisen, da sie nicht nur mit den Mänteln der Batteriezellen, sondern auch mit den Polen in Kontakt ist.
In Anbetracht der obigen Ausführungen wäre es wünschenswert, ein verbessertes Batteriemodul und Batteriesystem bereitzustellen, das eine effiziente, homogene Temperierung der Batteriezellen ermöglicht.
Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse und eine Mehrzahl an Batteriezellen umfasst, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet sind. Das Batteriemodul umfasst ferner eine erste Temperierflüssigkeit, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse in thermischem Kontakt mit der Mehrzahl an Batteriezellen und mit einer inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses enthalten ist. Das flüssigkeitsdichte Gehäuse ist so ausgebildet, dass es einen Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit zwischen der inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses ermöglicht.
Mit anderen Worten: Das Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen in einem Gehäuse. Das Gehäuse ist flüssigkeitsdicht. Das heißt, die erste Temperierflüssigkeit, die sich im Gehäuse befindet, findet keinen Weg nach Außerhalb des Gehäuses. Das flüssigkeitsdichte Gehäuse kann jedoch Öffnungen aufweisen, z. B. für elektrische Durchführungen oder Signalleitungen. Ferner kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse Öffnungen aufweisen, durch die das Innere des flüssigkeitsdichten Gehäuses mit einem Kanal, einem Schlauch, einem Rohr oder dergleichen für die erste Temperierflüssigkeit verbunden ist. Diese Öffnungen (Durchführungsöffnungen, Flüssigkeits-Anschlussöffnungen) sind jedoch gegenüber der Außenumgebung abgedichtet.
Jede Batteriezelle steht in thermischem Kontakt mit der ersten Temperierflüssigkeit. Insbesondere kann die Temperierflüssigkeit insbesondere Polabschnitte jeder Batteriezelle bedecken, da Wärme hauptsächlich an den Polabschnitten erzeigt wird. Ferner steht die erste Temperierflüssigkeit in thermischem Kontakt mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses.
Beispielsweise kann die erste Temperierflüssigkeit mit der gesamten inneren Oberfläche des Gehäuses oder einem Abschnitt der gesamten inneren Oberfläche des Gehäuses in Kontakt stehen. So kann die von den Batteriezellen erzeugte Wärme über die erste Temperierflüssigkeit an das Gehäuse übertragen werden. Dies kann z.B. durch Leitung oder Konvektion erfolgen. Innerhalb des Gehäuses, d.h. zwischen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche des Gehäuses, kann ein Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit erzeugt werden, z.B. durch ein sekundäres Temperiersystem. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse so ausgebildet, dass es den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit ermöglicht. Beispielsweise können die Wände der Gehäuse innere Hohlräume für den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit aufweisen. Mit anderen Worten können Wandabschnitte des flüssigkeitsdichten Gehäuses so ausgebildet sein, dass die zweite Temperierflüssigkeit innerhalb dieser Wandabschnitte fließen kann. Insbesondere kann der Wandabschnitt, der für den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit vorgesehen ist, der inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses (oder einem Abschnitt davon) entsprechen, die in thermischem Kontakt mit der ersten Temperierflüssigkeit innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses steht.
Mit diesem Aufbau kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse des Batteriemoduls als ein Wärmetauscher zwischen dem inneren primären Temperiersystem, z. B. der im Gehäuse enthaltenen ersten Temperierflüssigkeit, und einem externen sekundären Temperiersystem, insbesondere einer zweiten Temperierflüssigkeit, die durch die Wände des Gehäuses fließt, dienen. Da die zweite Temperierflüssigkeit nicht mit den Batteriezellen in Kontakt ist, sind die Anforderungen an die Eigenschaften der zweiten Temperierflüssigkeit geringer. Insbesondere muss die zweite Temperierflüssigkeit nicht unbedingt ein Dielektrikum sein. Außerdem ist das Batteriemodul eine unabhängige kompakte Einheit mit einem integrierten Wärmetauscher zum Anschluss an das zweite Temperiersystem.
Zudem kann durch die Verwendung eines flüssigkeitsdichten Gehäuses eine Mehrzahl an thermisch unabhängigen Batteriemodulen elektrisch miteinander verbunden werden, um ein Batteriesystem zu bilden. Die Mehrzahl thermisch unabhängiger Batteriemodule kann mit dem sekundären Temperiersystem verbunden werden. Dies kann eine individuelle Temperatursteuerung für jedes der Mehrzahl an Batteriemodulen ermöglichen, so dass Temperaturunterschiede zwischen den Modulen minimiert oder - absichtlich - verursacht werden können.
Zudem kann, durch Trennung des inneren primären Temperiersystems vom sekundären Temperiersystem in Bezug auf die jeweiligen Temperierflüssigkeiten, außerdem eine gewöhnliche zweite Temperierflüssigkeit verwendet werden, die keine spezifischen elektrischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere muss die zweite Temperierflüssigkeit kein Dielektrikum sein, da sie nicht in Kontakt mit den Batteriezellen, insbesondere deren Polabschnitten, steht.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriemodul ferner eine Pumpe, die an der Außenseite des flüssigkeitsdichten Gehäuses angeordnet und mit einem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses über erste Flüssigkeitskanäle des flüssigkeitsdichten Gehäuses verbunden ist. Die Pumpe ist eingerichtet, einen Strom der ersten Temperierflüssigkeit innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses zu erzeugen, indem sie die erste Temperierflüssigkeit durch die ersten Flüssigkeitskanäle pumpt.
Das heißt, ein Fluss der ersten Temperierflüssigkeit kann innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses durch die Pumpe aktiv erzeugt werden. Die ersten Flüssigkeitskanäle des flüssigkeitsdichten Gehäuses können räumlich von dem Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit innerhalb der Wände des flüssigkeitsdichten Gehäuses getrennt sein. Mit anderen Worten, die erste Temperierflüssigkeit und die zweite Temperierflüssigkeit vermischen sich nicht miteinander. Der innere Temperierkreislauf (die Pumpe, die ersten Kanäle, das Innere des flüssigkeitsdichten Gehäuses) ist räumlich vom sekundären Temperierkreislauf (das äußere Temperiersystem, der Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit innerhalb der Wände des flüssigkeitsdichten Gehäuses) getrennt.
Innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses kann der Fluss der ersten Temperierflüssigkeit z. B. durch dafür vorgesehene Kanäle geleitet werden, die durch die Anordnung der Batteriezellen in Bezug auf das Gehäuse gebildet werden können. Das heißt, der Fluss der ersten Temperierflüssigkeit kann durch die bestimmte Anordnung der Batteriezellen festgelegt sein und nicht durch dafür vorgesehene Schläuche oder Rohre. Mit anderen Worten, die Kanäle können nicht durch dafür vorgesehene physische Leitungen, Rohre oder Schläuche gebildet sein, sondern durch die Konfiguration des Raums innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses, der nicht von physischen festen Komponenten wie Batteriezellen, Sensoren, Gehäuseteilen, Haltern, Drähten, anderen elektrischen Verbindungsmitteln und dergleichen eingenommen wird.
Mit diesem Aufbau kann die Temperaturhomogenität innerhalb des Batteriemoduls erhöht und zudem die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse verbessert werden.
In einer Ausführungsform bilden das flüssigkeitsdichte Gehäuse, die Pumpe und die ersten Flüssigkeitskanäle ein stofflich geschlossenes System der ersten Temperierflüssigkeit.
Das heißt, die erste Temperierflüssigkeit ist in dem Raum eingeschlossen, der von dem flüssigkeitsdichten Gehäuse, den ersten Flüssigkeitskanälen und dem Innenraum der Pumpe gebildet wird. Mit anderen Worten: Ein Austausch von Material (z. B. der ersten Temperierflüssigkeit) zwischen dem inneren System (z. B. dem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses, den ersten Flüssigkeitskanälen und dem Inneren der Pumpe) und dem Äußeren des Batteriemoduls wird verhindert, wohingegen ein Austausch von thermischer Energie, d. h. von Wärme, stattfinden kann.
In einer Ausführungsform umfasst das flüssigkeitsdichte Gehäuse einen zweiten Flüssigkeitskanal für den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit.
Das heißt, das flüssigkeitsdichte Gehäuse kann so ausgebildet sein, dass die zweite Temperierflüssigkeit zwischen der inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses und der äußeren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses fließen kann, indem ein zweiter Flüssigkeitskanal bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, der zweite Strömungskanal wird innerhalb der Wände des flüssigkeitsdichten Gehäuses gebildet. Das flüssigkeitsdichte Gehäuse kann auch eine Mehrzahl an zweiten Strömungskanälen umfassen. Der zweite Strömungskanal steht nicht in Fluidverbindung mit dem Inneren des Batteriemoduls, den ersten Strömungskanälen oder der Pumpe.
In einer Ausführungsform ragt der zweite Flüssigkeitskanal in das Innere des flüssigkeitsdichten Gehäuses.
Das heißt, die innere Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses, die in thermischem Kontakt mit der ersten Temperierflüssigkeit steht, weist eine strukturierte, nicht flache Oberfläche auf. Zum Beispiel kann die innere Oberfläche eine geriffelte oder gerillte Oberfläche aufweisen. Die innere Oberfläche kann Rillen und Erhöhungen aufweisen. Beispielsweise kann der Verlauf des zweiten Flüssigkeitskanals dem Verlauf einer entsprechenden Erhöhung der inneren Oberfläche entsprechen oder mit ihm zusammenfallen. Beispielsweise können die Erhöhung und der zweite Strömungskanal so angeordnet sein, dass sich der zweite Strömungskanal innerhalb der jeweiligen Erhöhung befindet. Der besondere Vorteil der inneren Oberfläche, die eine nicht flache Oberfläche aufweist kann darin liegen, dass die Fläche, die mit der ersten Temperierflüssigkeit in thermischem Kontakt steht, vergrößert wird. Dadurch wird die Wärmeübertragungsrate zwischen der ersten Temperierflüssigkeit und der zweiten Temperierflüssigkeit über die Wand des Kanals verbessert, was zu einer höheren Kühl-/Heizeffizienz führt.
Beispielsweise hat der zweite Flüssigkeitskanal einen kreisförmigen Querschnitt.
Der Querschnitt des zweiten Flüssigkeitskanals kann elliptisch, rechteckig oder ähnliches sein. Ferner kann der zweite Flüssigkeitskanal einen Anteil mit kreisförmigem Querschnitt und einen Anteil mit einem anderen Querschnitt aufweisen.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der zweite Flüssigkeitskanal in Richtung einer Hauptachse des Batteriemoduls.
Die Hauptachse des Batteriemoduls kann eine Achse sein, die sich in einer bestimmten Richtung in Bezug auf das Gehäuse erstreckt. Die Hauptachse kann zum Beispiel eine Hauptträgheitsachse des Batteriemoduls sein. Die Hauptachse kann sich beispielsweise in einer Richtung erstrecken, die einer Richtung einer maximalen oder minimalen physischen Größe des Batteriemoduls oder des flüssigkeitsdichten Gehäuses entspricht. Die Hauptachse kann sich beispielsweise in einer Richtung erstrecken, die der Richtung einer (diskreten) Rotationssymmetrieachse höchster oder niedrigster Ordnung des Batteriemoduls oder des flüssigkeitsdichten Gehäuses entspricht. Wenn das flüssigkeitsdichte Gehäuse im Wesentlichen kastenförmig ist, kann die Hauptachse des Batteriemoduls in einer Richtung verlaufen, die senkrecht zu einer Seitenfläche eines (fiktiven) umschreibenden Kastens verläuft.
Gemäß einem Aspekt umfasst das flüssigkeitsdichte Gehäuse ein Profilgehäuse, eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte. Das Profilgehäuse hat zwei offene Endseiten, die sich entlang einer Hauptachse des Batteriemoduls gegenüberliegen. Die erste Endplatte und die zweite Endplatte schließen das Profilgehäuse an den beiden offenen Endseiten flüssigkeitsdicht ab.
Ein Profilgehäuse kann ein Gehäuseanteil sein, der kastenförmig oder im Wesentlichen kastenförmig ist und zwei einander gegenüberliegende offene Seiten und vier Wandteile aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechteckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben. Die Hauptachse des Batteriemoduls kann sich in einer Richtung von der ersten offenen Seite zu der zweiten offenen Seite des Profilgehäuses erstrecken. Das Profilgehäuse kann an einer äußeren und/oder inneren Oberfläche eines oder mehrerer Seitenteile Rillen und/oder Erhöhungen aufweisen. Die Rillen können sich in einer Richtung der Hauptachse des Batteriemoduls erstrecken. Die erste und die zweite Endplatte sind so an dem Profilgehäuse befestigt, dass sie die offenen Seiten des Batteriemoduls in flüssigkeitsdichter Weise schließen. Dadurch wird das Innere des Batteriemoduls gegen Auslaufen der ersten Temperierflüssigkeit an Kontaktstellen oder -bereichen abgedichtet.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriemodul eine erste Dichtung, die umlaufend zwischen der ersten Endplatte und dem Profilgehäuse angeordnet ist, und eine zweite Dichtung, die umlaufend zwischen der zweiten Endplatte und dem Profilgehäuse angeordnet ist.
Das heißt, die erste und die zweite Endplatte können am Profilgehäuse befestigt werden, wobei an einer Kontaktfläche zwischen den Endplatten und dem Profilgehäuse eine Dichtung vorgesehen ist. Die Dichtung erstreckt sich umlaufend im Wesentlichen entsprechend dem Querschnitt des Profilgehäuses.
Beispielsweise sind die erste Dichtung und die zweite Dichtung Flachdichtungen.
In einer Ausführungsform sind die erste Dichtung und die zweite Dichtung jeweils in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Hauptachse des Batteriemoduls ist.
In einer Ausführungsform ist das Profilgehäuse als doppelwandiges Profilgehäuse ausgebildet, wobei ein zweiter Flüssigkeitskanal integral gebildet ist.
Mit anderen Worten, das Profilgehäuse umfasst eine äußere Wand und einem inneren Wandteil, so dass der der zweite Flüssigkeitskanal integral dazwischen gebildet ist.
In einer Ausführungsform ist das Profilgehäuse aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(m-K) oder höher hergestellt.
Eine Wärmeleitfähigkeit von über 50 W/(m·K) oder höher kann eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen der ersten Temperierflüssigkeit und der zweiten Temperierflüssigkeit durch das flüssigkeitsdichte Gehäuse ermöglichen. Das Profilgehäuse kann vorzugsweise aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 W/(m·K) oder höher, bevorzugter von 150 W/(m·K) oder höher, bevorzugter von 200 W/(m·K) oder höher, bevorzugter von 300 W/(m·K) oder höher, bevorzugter von 400 W/(m·K) oder höher hergestellt sein.
Zum Beispiel ist das Profilgehäuse aus Aluminium hergestellt. Das Profilgehäuse kann aus einem anderen Material wie Gold, Silber, Titan, Stahl, Kupfer oder dergleichen hergestellt sein. Zum Beispiel kann das Profilgehäuse aus einem Metall hergestellt sein.
In einer Ausführungsform ist die erste Endplatte und/oder die zweite Endplatte aus einem synthetischen Material hergestellt.
Zum Beispiel ist die erste Endplatte und/oder die zweite Endplatte aus Plastik oder glasfaserverstärktem Plastik hergestellt. Beispielsweise kann die erste Endplatte und/oder die zweite Endplatte aus einem anderen Material wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Nylon 12 (Polyamid 12, PA 12) oder dergleichen hergestellt sein.
In einer Ausführungsform ist das flüssigkeitsdichte Gehäuse teilweise mit einem Gas gefüllt.
Mit anderen Worten: Das flüssigkeitsdichte Gehäuse muss nicht vollständig (neben den enthaltenen physischen festen Komponenten wie den Batteriezellen, Verbindungsmitteln, und dergleichen) mit der ersten Temperierflüssigkeit gefüllt sein, sondern enthält auch eine bestimmte Menge an Gas. Dies erlaubt, dass die erste Temperierflüssigkeit ihr Volumen ändert, zum Beispiel auf Grund einer Temperaturänderung, ohne dass der Druck in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse in hohem Maße ansteigt/abnimmt.
Zum Beispiel kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse teilweise mit Luft, Stickstoff, oder einem Inertgas wie einem Edelgase (z.B. Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon) gefüllt sein.
Beispielsweise beträgt der Volumenprozentsatz des flüssigkeitsdichten Gehäuses, der mit Gas gefüllt ist, 5 % oder weniger.
Der Volumenprozentsatz kann z. B. 10% oder weniger, 5% oder weniger, 4% oder weniger, 3% oder weniger oder 1% oder weniger betragen. Der Volumenprozentsatz kann beispielsweise ein vorbestimmter Prozentsatz (z. B. 0,1%, 0,2 %, 1% oder dergleichen) oder höher sein. Beispielsweise kann der Volumenprozentsatz zwischen 0,1% und 1 %, zwischen 1% und 2%, zwischen 2% und 3%, zwischen 3% und 4%, zwischen 4% und 5% oder ähnlichem liegen. Die Volumenprozente können sich auf Volumenprozente in Bezug auf das Gesamtvolumen des Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses bei einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 298,15 K (25°C), beziehen.
Beispielsweise kann das Verhältnis des Gasvolumens und des Volumens der ersten Temperierflüssigkeit bei der vorbestimmten Temperatur gleich oder unter 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10% oder 15% oder dergleichen liegen. Das Verhältnis des Gasvolumens und des Volumens der ersten Temperierflüssigkeit bei der vorbestimmten Temperatur kann über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen (z. B. 0,1%, 0,2%, 1% oder dergleichen).
In einer Ausführungsform ist das flüssigkeitsdichte Gehäuse druckdicht.
Das heißt, das flüssigkeitsdichte Gehäuse kann so konstruiert sein, dass ein Gas nicht in das das flüssigkeitsdichte Gehäuse eintritt oder aus diesem entweicht.
Das flüssigkeitsdichte Gehäuse ist zum Beispiel bis zu einem Überdruck von mindestens 1 bar druckdicht.
Beispielsweise ist das flüssigkeitsdichte Gehäuse druckdicht bis hinunter zu einem Unterdruck von mindestens 1 bar.
Ein Überdruck ist ein Druckunterschied zwischen einem Äußeren des flüssigkeitsdichten Gehäuses und einem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses, wobei der Druck außerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses geringer ist als der Druck innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses. Ein Unterdruck ist ein Druckunterschied zwischen einem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses und einem Äußeren des flüssigkeitsdichten Gehäuses, wobei der Druck außerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses höher ist als der Druck innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses. 1 bar ist 10⁵ Pa und entspricht damit in etwa dem normalen atmosphärischen Druck.
Zum Beispiel kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse eine Leckrate aufweisen, die gleich oder geringer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Beispielsweise kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse eine Leckrate aufweisen, die gleich oder kleiner als 10^-2 mbar·l/s, 10^-3 mbar·l/s, 10^-4 mbar·l/s, 10^-5 mbar·l/s oder 10^-6 mbar·l/s ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriemodul ferner eine Mehrzahl an Zellenhaltern, die halbschalenförmige Abschnitten enthalten, die eingerichtet sind, die Mehrzahl an Batteriezellen zu halten. Seitliche Oberflächen der Mehrzahl an Batteriezellen werden von den halbschalenförmigen Abschnitten bedeckt.
Das heißt, die Batteriezellen werden von den Zellenhaltern des Batteriemoduls gehalten, wobei die seitlichen Oberflächen der Batteriezellen ganz oder zu einem großen Teil (z. B. mehr als 95%, mehr als 90%) abgedeckt sind. Bei zylindrisch geformten Batteriezellen mit einem äußeren Mantel an der Seite und zwei Polen an der oberen und unteren Basis haben die halbschalenförmigen Abschnitte der Zellenhalter einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt. Das Batteriemodul ist hierauf nicht beschränkt, und der halbschalenförmige Abschnitt kann einen Querschnitt aufweisen, der der Form der Batteriezellen entspricht. Das heißt, dass zum Beispiel im Fall von nicht zylindrisch geformten Batteriezellen der halbschalenförmige Abschnitt nichtkreisförmig sein kann, sondern der Form der Batteriezellen entspricht. Ferner kann eine Form einer inneren Oberfläche des halbschalenförmigen Abschnitts, die mit einer Batteriezelle in Kontakt ist, der Form der Batteriezelle entsprechen, während eine Form einer äußeren Oberfläche des halbschalenförmigen Abschnitts von der Form der Batterie unterschiedlich sein kann. Jede Batteriezelle kann zwischen zwei halbschalenförmigen Abschnitten gehalten werden, die sich in positivem Kontakt befinden. Beispielsweise kann eine Dicke jedes halbschalenförmigen Abschnitts über einem vorgegebenen Schwellenwert liegen.
Mit diesem Aufbau kann die erste Temperierflüssigkeit bevorzugt entlang der Pole der Batteriezellen geleitet werden, wo die Wärme hauptsächlich erzeugt wird. Außerdem wird durch die Bereitstellung von Zellenhaltern, die eine bestimmten Dicke aufweisen, das Volumen des Raums der ersten Temperierflüssigkeit reduziert. Dadurch kann das Gewicht des Batteriemoduls reduziert werden. Außerdem kann die Wärmeübertragung von den Batteriezellen über die erste Temperierflüssigkeit und das flüssigkeitsdichte Gehäuse an die zweite Temperierflüssigkeit verbessert werden.
In einer Ausführungsform ist jede Batteriezelle elektrisch mit einer oder mehreren anderen Batteriezellen parallel oder in Reihe verbunden, um einen Batteriestapel zu bilden.
Mit anderen Worten, die Mehrzahl an Batteriezellen kann Untergruppen von Batteriezellen umfassen, wobei die Batteriezellen jeder Untergruppe parallel miteinander verbunden sind. Ferner sind die Untergruppen von Batteriezellen miteinander in Reihe verbunden. Dadurch wird ein Batteriestapel gebildet, wobei die von dem Batteriestapel gelieferte Gesamtspannung durch die Anzahl der in Reihe verbundenen Untergruppen und den Typ der verwendeten Batteriezellen bestimmt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriemodul eine elektrische Durchführung, die mit dem Batteriestapel verbunden ist.
Die elektrische Durchführung kann eine elektrische Verbindung mit dem Batteriestapel durch das flüssigkeitsdichte Gehäuse bereitstellen. Das Batteriemodul kann zwei elektrische Durchführungen als einen positiven und einen negativen Anschluss des Batteriemoduls umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriesystem. Das Batteriesystem umfasst ein Batteriemodul gemäß irgendeinem der obigen Aspekte und deren Varianten und ein sekundäres Temperiersystem. Das sekundäre Temperiersystem ist mit dem flüssigkeitsdichten Gehäuse des Batteriemoduls verbunden und ist eingerichtet, den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit zu erzeugen.
Mit anderen Worten, das Batteriesystem umfasst das Batteriemodul, das ein primäres Temperiersystem, z. B. die erste Temperierflüssigkeit, die in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen und der inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses steht, und das sekundäre Temperiersystem. Das flüssigkeitsdichte Gehäuse dient als Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der ersten Temperierflüssigkeit und der zweiten Temperierflüssigkeit. Insbesondere kann die Wärme von den Batteriezellen an die erste Temperierflüssigkeit und über das flüssigkeitsdichte Gehäuse an die zweite Temperierflüssigkeit übertragen werden. Die von der zweiten Temperierflüssigkeit aufgenommene Wärme kann dann durch ein spezielles Wärmeableitungsmittel des sekundären Temperiersystems abgeleitet werden, bei dem es sich um einen zweiten Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen der zweiten Temperierflüssigkeit und einem Wärmereservoir, z. B. der Umgebungsluft, handeln kann. In ähnlicher Weise kann Wärme in das Batteriemodul übertragen werden, indem die zweite Temperierflüssigkeit durch spezielle Heizmittel des sekundären Temperiersystems erhitzt wird.
In einer Ausführungsform unterscheidet sich die erste Temperierflüssigkeit von der zweiten Temperierflüssigkeit.
Die erste Temperierflüssigkeit kann beispielsweise eine Temperierflüssigkeit sein, die elektrisch isolierend ist. Die zweite Temperierflüssigkeit muss nicht notwendigerweise elektrisch isolierend sein, da sie nicht mit den Polen und/oder elektrischen Verbindungsmitteln innerhalb des flüssigkeitsdichten Gehäuses des Batteriemoduls in Kontakt kommt. Die zweite Temperierflüssigkeit kann zum Beispiel eine Mischung aus Wasser und Glykol sein.
Das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung bietet verbesserte Temperatursteuerungsmöglichkeiten, homogene Kühlung der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls, Verringerung des Gewichts des Batteriemoduls und/oder verbesserte Systemflexibilität durch ein internes Temperiersystem, das thermisch mit einem sekundären Temperiersystem gekoppelt werden kann, indem ein Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche des Gehäuses ermöglicht wird.
Weitere Nutzen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform und den Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung einer Außenansicht eines Batteriemoduls;
2 ist eine Darstellung einer Außenansicht des Batteriemoduls;
3 ist eine Außenansicht des Batteriemoduls, wobei eine Abdeckung nicht dargestellt ist;
4 ist eine Darstellung eines Profilgehäuses des Batteriemoduls;
5 ist eine Ausschnittdarstellung der grundlegenden Anordnung der Batteriezellen in dem Batteriemodul;
6 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung der Batteriezellen in dem Profilgehäuse;
7 stelle einen Fluss einer ersten Temperierflüssigkeit in einem Batteriemodul dar;
8 stellt einen Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit in einem Gehäuse des Batteriemoduls dar;
9 bis 12 stellen eine beispielhafte elektrische parallele Verbindung einer Mehrzahl an Batteriezellen dar, gesehen aus unterschiedlichen Richtungen;
13 und 14 stellen die elektrisch verbundenen Batteriezellen, die von einem Zellenhalter gehalten werden, dar;
15 und 16 stellen zwei Sätze parallel verbundener Batteriezellen mit jeweiligen Zellenhaltern dar;
17 und 18 zeigen einen Batteriestapel, der eine Mehrzahl an Batteriezellen umfasst;
19 und 20 sind Übersichtsdarstellungen des Batteriestapels;
21 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der Batteriezellen in dem Batteriestapel; und
22 und 23 sind Darstellungen einer äußeren Erscheinung des Batteriemoduls.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform im Detail durch Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 sind Darstellungen einer Außenansicht eines Batteriemoduls 100, gesehen aus unterschiedlichen Richtungen. Das Batteriemodul umfasst ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse 110, das selbst eine erste Endplatte 114, ein Profilgehäuse 113 und eine zweite Endplatte 116 umfasst. Ferner umfasst das Batteriemodul 100 eine Pumpenabdeckung 115, zwei elektrische Durchführungen 117a, 117b und vier Anschlüsse 118a-d zur Verbindung mit einem sekundären Temperiersystem.
Das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 hat im Wesentlichen die Form eines rechteckigen Quaders, wobei zwei sich gegenüberliegende Seiten durch die erste Endplatte 114 und die zweite Endplatte 116 gebildet sind und die verbliebenen vier Seiten durch das Profilgehäuse 113 gebildet sind. Die Pumpenabdeckung 115 ist an einer äußeren Oberfläche der ersten Endplatte 114 angeordnet und deckt eine Pumpe 130 ab, die an einer äußeren Seite der ersten Endplatte 114 befestigt ist. Zwischen der ersten Endplatte 114 und dem Profilgehäuse 113 sowie zwischen der zweiten Endplatte 116 und dem Profilgehäuse 113 ist eine Flachdichtung bereitgestellt, um das Gehäuse 110 in flüssigkeitsdichter Weise zu schließen. Die Flachdichtungen umgeben die offenen Seiten des Profilgehäuses 113 umlaufend.
Das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 nimmt eine Mehrzahl an Batteriezellen 120 auf, die miteinander verbunden sind, um einen Batteriestapel zu bilden. Details dazu sind weiter unten beschrieben. Ferner ist einer erste Temperierflüssigkeit in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 enthalten. Die erste Temperierflüssigkeit ist eine dielektrische Flüssigkeit mit, vorzugsweise, einer hohen Wärmeleitfähigkeit.
Das Profilgehäuse 113 ist im Wesentlichen kastenförmig mit zwei offenen Seiten, die sich gegenüberliegen. Das Profilgehäuse 113 ist aus Aluminium hergestellt und weist somit eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Jedoch ist das Material des Gehäuses nicht auf Aluminium beschränkt und kann aus einem anderen Material hergestellt sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(K·m) oder höher, vorzugsweise von 100 W/(K-m) oder höher, mehr vorzugsweise von 150 W/(K·m) oder höher, noch mehr vorzugsweise von 200 W/(K·m) oder höher, aufweist.
Das Profilgehäuse 113 umfasst Rillen und/oder Erhöhungen an zwei gegenüberliegenden äußeren Seiten. Jedoch ist das Profilgehäuse 113 nicht darauf beschränkt, dass es Rillen und/oder Erhöhungen an zwei gegenüberliegenden Seiten aufweist. Das Profilgehäuse 113 kann Rillen und/oder Erhöhungen an nur einer Seite, zwei Seiten, drei Seiten oder allen vier Seiten aufweisen. In dem in 1 und 2 dargestellten Batteriemodul 100 erstrecken sich die Rillen und/oder Erhöhungen in eine Richtung einer Hauptachse (y-Achse) des Batteriemoduls 100. Die Richtung der Hauptachse erstreckt sich entlang der Richtung einer maximalen physischen Größe des Profilgehäuses 113.
Das Profilgehäuse 113 umfasst ferner Gewindelöcher an einer vorderen und hinteren Seite zur Befestigung der ersten Endplatte 114 und der zweiten Endplatte 116 daran in einer flüssigkeitsdichten Weise.
Die erste Endplatte 114 und die zweite Endplatte 116 weisen im Wesentlichen eine flache rechtwinklige Form auf. Die im Wesentlichen rechtwinklige Form der ersten und zweiten Endplatten 114, 116 entspricht der Form des Querschnitts des Profilgehäuses 113. Die erste und zweite Endplatten 114, 116 umfassen Schraubenlöcher an Positionen, die den Positionen der Gewindelöcher des Profilgehäuses 113 entsprechen.
Die erste Endplatte 114 ist an einer der offenen Endseiten des Profilgehäuses 113 durch eine Mehrzahl an Schrauben angebracht, die in die Schraubenlöcher der ersten Endplatte 114 und entsprechende Gewindelöcher des Profilgehäuses 113 eingebracht sind. Die zweite Endplatte 116 ist an die andere der offenen Endseiten des Profilgehäuses 113 durch eine Mehrzahl an Schrauben angebracht, die in die Schraubenlöcher der zweiten Endplatte 116 und entsprechende Gewindelöcher des Profilgehäuses 113 eingebracht sing. Die Anbringung der Endplatten 114, 116 an das Profilgehäuse 113 ist nicht darauf beschränkt, dass sie unter Verwendung von Schrauben und entsprechenden Schraubenlöchern und Gewindelöchern realisiert wird, sondern kann unter Verwendung unterschiedlicher Anbringungsmittel, zum Beispiel Schrauben und Muttern, realisiert werden.
Die elektrischen Durchführungen 117a, 117b sind mit Batteriezellen 120 verbunden, die in dem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 enthalten sind. Insbesondere ist eine der elektrischen Durchführungen 117a, 117b zu einem Pluspol eines Batteriestapels, der von der Mehrzahl an Batteriezellen 120 in dem Batteriemodul 100 gebildet wird, verbunden. Die andere der elektrischen Durchführungen 117a, 117b ist mit einem Minuspol des Batteriestapels in dem Batteriemodul 100 verbunden. Das heißt, eine Spannung des Batteriemoduls 100 ist von außen über die elektrischen Durchführungen 117a, 117b zugänglich. Die elektrischen Durchführungen 117a, 117b, die die elektrische Verbindung mit den Batteriezellen 120 bereitstellen, sind in jeweiligen abgedichteten Löchern in der ersten und zweiten Endplatte 114, 116 angeordnet. Die elektrischen Durchführungen 117a, 117b können jedoch auch in dem Profilgehäuse 113 vorgesehen sein.
Auf jeder der ersten und zweiten Endplatte 114, 116 sind zwei Anschlüsse 118a-d zur Verbindung mit einem sekundären Temperiersystem vorgesehen. Details des sekundären Temperiersystems werden weiter unten dargestellt.
3 ist eine Außenansicht des Batteriemoduls 100, wobei die Pumpenabdeckung 115 nicht dargestellt ist. Das Batteriemodul 100 umfasst eine Pumpe 130, die an einer äußeren Oberfläche der ersten Endplatte 114 angebracht ist. Die Pumpe 130 kann eine Mikropumpe sein, die mit einem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 über erste Flüssigkeitskanäle 111 verbunden ist. Die Pumpe 130 ist eingerichtet, die erste Temperierflüssigkeit durch die ersten Flüssigkeitskanäle 111 zu pumpen. Dadurch wird ein Fluss der ersten Temperierflüssigkeit in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 erzeugt.
4 ist eine Darstellung eines Profilgehäuses 113. Das Profilgehäuse 113 umfasst eine Mehrzahl an zweiten Flüssigkeitskanälen 112, die integral mit dem Profilgehäuse 113 zwischen einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche des Profilgehäuses 113 gebildet sind. Die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf und ragen in ein Inneres des Profilgehäuses 113 hinein. Dadurch wird die Fläche, die in Kontakt mit der ersten Temperierflüssigkeit in dem Profilgehäuse 113 ist, vergrößert, was zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsrate zwischen der ersten Temperierflüssigkeit und einer zweiten Temperierflüssigkeit in der Mehrzahl an zweiten Flüssigkeitskanälen 112 führt. Da die zweite Temperierflüssigkeit nicht in Kontakt mit den Batteriezellen 120 ist, muss sie kein Dielektrikum sein, sondern kann, zum Beispiel, eine gewöhnliche Temperierflüssigkeit wie eine Mischung aus Wasser und Glykol sein.
Obwohl das in 4 dargestellte Profilgehäuse 113 neun gerade zweite Flüssigkeitskanäle 112 an zwei gegenüberliegenden Seiten und die sich in eine Richtung der Hauptachse y des Batteriemoduls 100 erstrecken, umfasst, ist das Profilgehäuse 113 nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann das Profilgehäuse 113 eine andere Anzahl an zweiten Flüssigkeitskanälen 112 aufweisen. Ferner können die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 auf einer, zwei, drei oder vier Seiten des Profilgehäuses 113 vorgesehen sein. Ferner können die zweiten Flüssigkeitskanäle gekrümmt oder mäandernd sein. Ferner kann der Querschnitt elliptisch, rechtwinklig oder dergleichen sein.
5 ist eine Ausschnittdarstellung der grundlegenden Anordnung der Batteriezellen 120 in dem Batteriemodul 100. Das Batteriemodul 100 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 120 in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110. Die Batteriezellen 120 können von einem Lithium-Ionen-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure-, polymerbasierten Typ oder von einem anderen Typ sein. Die Batteriezellen 120 weisen eine zylindrische Form auf, wobei deren Pole auf deren gegenüberliegenden kreisförmigen Seiten angeordnet sind. Die Batteriezellen 120 sind so angeordnet, dass die kreisförmigen Seiten senkrecht auf die Hauptachse y des Batteriemoduls 100 stehen. Die Batteriezellen 120 sind hexagonal angeordnet in Bezug auf einander, aus Sicht entlang der y-Achse.
6 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung der Batteriezellen 120 in dem Profilgehäuse 113. In der Abbildung sind die Batteriezellen 120 und die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 nur beispielhaft dargestellt. Die Batteriezellen 120 sind in einer dichten hexagonalen Anordnung angeordnet, wobei ein Abstand zwischen Batteriezellen 120 neben zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Profilgehäuses 120, die die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 enthalten, größer ist als der Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen 120 und ein Abstand zwischen den Batteriezellen 120 und einer inneren Oberfläche der zwei anderen Seiten des Profilgehäuses 113. Mit dieser Anordnung werden Räume 119, die nicht von Batteriezellen 120 eingenommen werden, an gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls 100 gebildet, um den Fluss der ersten Temperierflüssigkeit durch das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 zu leiten. Jedoch ist die Anordnung der Batteriezellen 120 nicht auf eine hexagonale Anordnung beschränkt, und kann unterschiedlich sein. Zum Beispiel können die Batteriezellen entsprechend einer rechteckigen oder quadratischen Anordnung angeordnet sein.
Die ersten Kanäle 111 der ersten Endplatte 114 verbinden die Pumpe 130 mit einem Inneren des Batteriemoduls 100 an Positionen, die den Stellen der Räume 119 entsprechen. Mit dieser Anordnung kann ein Fluss der ersten Temperierflüssigkeit durch die Pumpe 130 um die Batteriezellen 120 in einer x-Richtung in paralleler Weise erzeugt werden.
7 stellt diesen Fluss der ersten Temperierflüssigkeit durch fette Pfeile dar. Die erste Temperierflüssigkeit wird durch die Pumpe 130 durch die ersten Flüssigkeitskanäle 111 in das Innere des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 an einer Position, die einer Position eines Raums 190 entspricht, gepumpt. Der Raum 190 weist, auf Grund seines vergleichsweise großen Querschnitts, einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand in die y-Richtung auf, so dass die erste Temperierflüssigkeit um die Batteriezellen 120 in parallelerWeise in die x-Richtung fließt. Danach tritt die erste Temperierflüssigkeit in den anderen Raum 190 an der gegenüberliegenden Seite ein und tritt wieder in die Pumpte 130 über die ersten Flüssigkeitskanäle 111 ein.
Die erste und die zweite Endplatte 114, 116 umfassen zweite Flüssigkeitskanäle, die die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 des Profilgehäuses 113 mit den Anschlüssen 118 verbinden. Das heißt, die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 auf einer Seite des Profilgehäuses 113 vereinen sich in den zweiten Flüssigkeitskanälen der Endplatten 114, 116 und führen zu einem gemeinsamen Anschluss 118 zur Verbindung mit einem sekundären Temperiersystem.
8 stellt diesen Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit des zweiten Temperiersystems durch fette Pfeile dar. Die zweite Temperierflüssigkeit wird durch einen Anschluss 118, die zweiten Flüssigkeitskanäle einer Endplatte, die zweiten Flüssigkeitskanäle 112 des Profilgehäuses 113, die zweiten Flüssigkeitskanäle der anderen Endplatte und durch einen anderen Anschluss 118 aus dem Batteriemodul 110 gepumpt.
Wie in 7 und 8 dargestellt, ist der Fluss der ersten Temperierflüssigkeit in den Räumen 119 in eine entgegengesetzte Richtung zu dem Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitskanälen 112 des Profilgehäuses 113 gerichtet. Dadurch wird die Wärmekopplung zwischen der ersten Temperierflüssigkeit und der zweiten Temperierflüssigkeit optimiert.
Das heißt, das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 wirkt als ein Wärmetauscher zwischen der ersten Temperierflüssigkeit, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 (einschließlich der Pumpe 130 und den ersten Flüssigkeitskanälen 111) eingeschlossen ist, und der zweiten Temperierflüssigkeit des sekundären Temperiersystems.
9 bis 12 stellen eine beispielhafte parallele elektrische Verbindung einer Mehrzahl an Batteriezellen 120 dar, gesehen aus unterschiedlichen Richtungen. Die Abbildungen zeigen acht Batteriezellen 120, die miteinander in paralleler Weise durch zwei elektrische Verbindungsschienen 121 verbunden sind. Diese elektrischen Verbindungsschienen 121 sind, zum Beispiel, aus einem Metall hergestellt. Eine erste Verbindungsschiene 121 verbindet die Pluspole der Batteriezellen 120 miteinander. Eine zweite Verbindungsschiene 121 verbindet die Minuspole der Batteriezellen 120 miteinander.
Die Verbindungsschienen 121 können mit dem Plus- oder Minuspol der Batteriezellen 120 verschweißt sein. Zum Beispiel kann jede Verbindungsschiene 121 an einen der Plus- und Minuspole der Batteriezellen 120 lasergeschweißt sein. Die Verbindungsschienen 121 umfassen einen Anschlussabschnitt 122 zur Verbindung mit einer Messvorrichtung wie einem Spannungssensor (nicht dargestellt). Es versteht sich von selbst, dass mehr oder weniger als acht Batteriezellen 120 miteinander in paralleler Weise verbunden sein können. Zudem ist das elektrische Verbindungsmittel nicht auf eine Schiene 121 beschränkt, sondern kann eine Platte oder dergleichen sein.
13 und 14 stellen die elektrisch verbundenen Batteriezellen 120 der 9 bis 12 dar, die von einem Zellenhalter 140 gehalten werden. Der Zellenhalter 140 umfasst eine Mehrzahl an halbschalenförmigen Abschnitten 141 zum jeweiligen Halten der Mehrzahl an Batteriezellen 120.
Insbesondere werden die Batteriezellen 120 an ihren seitlichen Oberflächen gehalten, wobei die Polabschnitte unbedeckt bleiben. Die Zellenhalter 140 können aus einem nichtleitenden Material wie einem synthetischen Material wie glasfaserverstärktem Plastik hergestellt sein. Die Zellenhalter 140 können Befestigungsabschnitte wie Schraubenlöcher für eine Verbindung mit dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 und/oder anderen Zellenhaltern 140 umfassen.
Die gesamte oder die im Wesentlichen gesamte seitliche Oberfläche der Batteriezellen 120 ist durch halbschalenförmige Abschnitte 141 der beiden Zellenhalter 140 bedeckt. In den Abbildungen ist aus Darstellungszwecken nur ein Zellenhalter 140 gezeigt. Jedoch sind die seitlichen Oberflächen der Batteriezellen 120 durch den gezeigten unteren Zellenhalter 140 und einen oberen Zellenhalter, der nicht dargestellt ist, bedeckt. Die halbschalenförmigen Abschnitte des unteren Zellenhalters 140 und des oberen Zellenhalters bedecken die seitliche Oberfläche der Batteriezellen 120 formschlüssig. Die Zellenhalter 140 sind so konstruiert, dass sie das Volumen, das von der ersten Temperierflüssigkeit in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 eingenommen wird, reduzieren. Zum Beispiel weisen die Zellenhalter eine Dicke über einem vorbestimmten Schwellenwert auf.
15 und 16 stellen zwei Sätze parallel verbundener Batteriezellen 120 mit jeweiligen Zellenhaltern 140 dar, die miteinander in Reihe verbunden sind.
17 und 18 zeigen einen Batteriestapel, der eine Mehrzahl an Batteriezellen umfasst, gesehen aus entgegengesetzten Richtungen entlang der y-Achse. 19 und 20 sind Überblicksdarstellungen des Batteriestapels. Die Batteriezellen 120 sind miteinander an einer vorderen und einer hinteren Seite, die den offenen Endseiten des Profilgehäuses 113 entsprechen, durch Verbindungsplatten 123a-d verbunden.
Insbesondere sind an einer Seite, die der Position der ersten Endplatte 114 entspricht, wie in 17 dargestellt, die Pluspole von drei oberen Reihen an Batteriezellen 120 miteinander durch eine erste Verbindungsplatte 123a verbunden. Die erste Verbindungsplatte 123a ist mit der ersten elektrischen Durchführung 117a verbunden. Ferner sind die Minuspole der drei inneren Reihen an Batteriezellen 120 und die Pluspole der drei unteren Reihen an Batteriezellen 120 miteinander durch eine zweite Verbindungsplatte 123b verbunden.
An einer Seite, die der Position der zweiten Endplatte 116 entspricht, wie in 18 dargestellt, sind die Minuspole der drei oberen Reihen an Batteriezellen 120 und die Pluspole der drei inneren Reihen an Batteriezellen 120 miteinander durch eine dritte Verbindungsplatte 123c verbunden. Zudem sind die Minuspole der drei unteren Reihen an Batteriezellen 120 miteinander durch eine vierte Verbindungsplatte 123d verbunden. Die vierte Verbindungsplatte 123d ist mit der zweiten elektrischen Durchführung 117b verbunden.
Das Batteriemodul 100 und, insbesondere, der Batteriestapel ist nicht auf den beschriebenen Aufbau begrenzt. Insbesondere können die Batteriezellen 120 in einer anderen Weise angeordnet sein, abhängig von dem Typ der Batteriezellen 120, der Gesamtspannung und der zu erreichenden Leistung.
Wie oben beschrieben wird jede Batteriezelle 120 durch zwei halbschalen förmige Abschnitte 141 jeweiliger Zellenhalter 140 gehalten, die sich unter und über den Batteriezellen 120 befinden.
21 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der Batteriezellen 120 in dem Batteriestapel. Aus Gründen der Klarheit und Verständlichkeit ist der Batteriestapel so dargestellt, dass er sechs Schichten an Batteriezellen 120 umfasst, wobei jede Schicht neun Batteriezellen 120 umfasst, die miteinander parallel oder in Reihe verbunden sind. Die Schichten sind miteinander durch die vier Verbindungsplatten 123a-d verbunden. Die Spannung des gesamten Batteriestapels wird zwischen den beiden elektrischen Durchführungen 117a und 117b bereitgestellt. Die Darstellung ist eine vereinfachte Visualisierung des Verbindungsprinzips des Batteriestapels und daher ist das Batteriemodul 100 nicht auf die dargestellte Anzahl an Batteriezellen 120, Reihen und Schichten beschränkt.
22 und 23 sind Darstellungen einer äußeren Erscheinung des Batteriemoduls 100, wobei die erste und zweite Endplatten 114, 116 sowie die Pumpenabdeckung 115 nicht gezeigt sind.
Während dem Laden des Batteriemoduls 100 oder in einem Fall, in dem das Batteriemodul einen hohen Strom liefert, wird Wärme innerhalb des Batteriemoduls 100 erzeugt, hauptsächlich an Positionen der Batteriezellenpole. Diese Wärme wird an die erste Temperierflüssigkeit übertragen, was zu einer Änderung des Volumens der ersten Temperierflüssigkeit führen kann. Wenn das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 vollständig mit der ersten Temperierflüssigkeit gefüllt ist kann der Druck in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 ansteigen. Daher ist das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 so konstruiert, dass es druckdicht ist. Zum Beispiel kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse bis zu einem Überdruck von 1 bar, 1.5 bar, 2 bar oder dergleichen druckdicht sein. In ähnlicher Weise kann, wenn die Temperatur der ersten Temperierflüssigkeit abnimmt, der Druck in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 abnehmen. Daher ist das flüssigkeitsdichte Gehäuse so konstruiert, dass es bis zu einem Unterdruck von 1 bar druckdicht ist. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem ein Profilgehäuse 110, erste und zweite Endplatten 114, 116 ausreichender Dicke verwendet werden, die druckdicht miteinander durch Verwendung einer ausreichenden Anzahl an Schrauben mit geeigneten Dichtungen verbunden sind.
Um die Volumenänderung der ersten Temperierflüssigkeit ohne einen übermäßigen Druckanstieg/-abfall in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 zu ermöglichen, kann das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 teilweise mit einem Gas gefüllt sein. Zum Beispiel kann das Gas einen Volumenprozentsatz des Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses bis zu 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder dergleichen einnehmen. Diese Volumenprozentsätze können in einem Bereich zwischen beliebigen zwei dieser Werte liegen. Der Volumenprozentsatz kann über einem vorbestimmten Wert (z.B. 0,1%, 0,2%, 1% oder dergleichen) liegen Volumenprozentsätze können sich auf Volumenprozentsätze in Bezug auf das Volumen des Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 bei einer gegebenen Temperatur, zum Beispiel 298,15 K (25 °C) beziehen. Obwohl nicht darauf beschränkt kann das Gas, das in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 enthalten ist, zum Beispiel Luft sein.
Das Batteriemodul 100 kann, zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten, einen oder mehrere Temperatursensoren, die an einer Batteriezelle 120, einem Zellenhalter 140, einer inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 oder dergleichen angebracht sind, und jeweilige Messleitungen zum Liefern von Temperatursensorsignalen nach Außerhalb des Batteriemoduls 100 umfassen. Das Batteriemodul 100 kann zudem eine oder mehrere Spannungs-Messleitungen umfassen, die zum Beispiel mit einer Verbindungsschiene 121 oder einer Verbindungsplatte 123a-d verbunden sind, um ein Spannungssignal an einen Spannungssensor außerhalb des Batteriemoduls 100 zu liefern. Zudem kann das Batteriemodul 100 einen oder mehrere strombegrenzende Elemente wie Sicherungen umfassen. Das Batteriemodul 100 kann zudem eine Steuerung wie einen Mikroprozessor umfassen, der mit der Pumpe 130 verbunden ist. Die Steuerung kann Spannungssignale von dem Spannungssensor und/oder Temperatursignale von den Temperatursensoren empfangen. Auf Grundlage der Temperatur- und/oder Spannungssignale und, zum Beispiel, jeweiligen Sollwerten, steuert die Steuerung den Betrieb der Pumpe 130.
Ein Batteriesystem gemäß einer Ausführungsform umfasst mindestens ein Batteriemodul 100 wie oben beschrieben und ein sekundäres Temperiersystem, das mit den Anschlüssen 119 des Batteriemoduls 100 verbunden ist. Das Temperiersystem umfasst, zum Beispiel, eine Pumpe, einen Wärmetauscher und Flüssigkeitsrohrleitungen zur Erzeugung eines Flusses der zweiten Temperierflüssigkeit. Zum Beispiel kann das Temperiersystem mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen 100 verbunden sein. Zum Beispiel kann die zweite Temperierflüssigkeit durch die Mehrzahl an Batteriemodulen 100 parallel oder in Reihe fließen. Der Wärmetauscher des Temperiersystems kann eingerichtet sein, Wärme zwischen der zweiten Temperierflüssigkeit und einer Wärmesenke und/oder einer Wärmequelle zu tauschen. Die Wärmesenke oder -quelle kann zum Beispiel Umgebungsluft sein. Zudem kann das Temperiersystem einen elektrischen Heizer umfassen, der eingerichtet ist, die zweite Temperierflüssigkeit zu erwärmen, um Temperatursteuerung jeder der Batteriemodule 100 zu ermöglichen.
Im Folgenden wird das Konzept des Batteriemoduls 100 und des Batteriesystems zusammengefasst.
Die Kernidee des Batteriemoduls/-systems ist es, einen Temperierkreislauf für ein Batteriemodul 100, das aus einer Mehrzahl an Batteriezellen 120 besteht, als ein geschlossenes System zu entwerfen. Das bedeutet, dass ein definiertes Flüssigkeitsreservoir (erste Temperierflüssigkeit) in einem zugeteilten Raum (das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110, die Pumpe 130 und die ersten Flüssigkeitskanäle 111) zusammen mit den Batteriezellen 120 eingeschlossen ist. Die erste Temperierflüssigkeit wird dazu gebracht, dort zu zirkulieren, und die Wärme wird von den Batteriezellenpolen abgeführt. Über die erste Temperierflüssigkeit, die elektrisch nichtleitend ist, aber gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist, wird die Wärme an die innere Wand des Profilgehäuses 113 übertragen. Zweite Flüssigkeitskanäle 112 sind in dem Profilgehäuse 113 enthalten, die eingerichtet sind, mit einem sekundären Temperiersystem verbunden zu werden. Das Profilgehäuse 113 bildet somit einen Wärmetauscher in Form eines Gehäuses.
Zusammen bilden die Endplatten 114, 116 und das Profilgehäuse 113 ein geschlossenes flüssigkeitsdichtes Gehäuse 110. Dichtungen zwischen den Endplatten 114, 116 und dem Profilgehäuse 113 stellen sicher, dass das Gehäuse selbst bei einem Überdruck von bis zu 1 bar dicht bleibt und dass keine erste Temperierflüssigkeit austreten kann.
Eine Pumpe 130 (eine Mikropumpe, zum Beispiel) ist an eine der Endplatten 114, 116 des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 angebracht und ist direkt mit ersten Flüssigkeitskanälen 111, die in den Endplatten 114, 116 integriert sind, verbunden, so dass die erste Temperierflüssigkeit in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse 110 gefördert werden kann und Zirkulation stattfinden kann. Diese Zirkulation unterstützt die Wärmeableitung oder Wärmeabfuhr oder Wärmeabsorption zwischen dem Profilgehäuse 113 und der ersten Temperierflüssigkeit. Das Profilgehäuse 113 kann wiederum Wärme über die integrierten zweiten Flüssigkeitskanäle 112 mit einer zweiten Temperierflüssigkeit, beispielsweise einer Wasser-Glykol-Mischung, abführen. Dies verleiht dem Profilgehäuse 113 die Funktion eines Wärmetauschers, z.B. für Temperaturbereiche von -50°C bis 60°C. Der Temperaturbereich zum Betrieb des Batteriemoduls 100 kann von dem Pourpoint der zweiten Temperierflüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitskanälen 112 abhängen.
Das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 enthält die einzelnen Batteriezellen 120, die elektrisch miteinander verbunden sind und von strukturellen Teilen, den Zellenhaltern 140, in Position gehalten werden. Die Zellenhalter 140 haben auch die Funktion, seitliche Oberflächen der einzelnen Batteriezellen 120 abzudecken. Ein Zellenhalter 140 kann ungefähr 50% der seitlichen Oberfläche abdecken. Der Zellenhalter 140 einer nächsten Reihe an Batteriezellen 120 ist formschlüssig benachbart zu diesem Zellenhalter 140 und deckt die ergänzende Oberfläche so ab, dass die seitliche Oberfläche der Batteriezelle 120 von der ersten Temperierflüssigkeit über den gesamten Umfang abgegrenzt ist. Dies verringert den Raum, den die erste Temperierflüssigkeit einnimmt.
Das flüssigkeitsdichte Gehäuse 120, das einen geschlossenen Behälter darstellt, ist mit der ersten Temperierflüssigkeit so weit gefüllt, dass eine Gasschicht, z.B. Luft, nur in einem oberen Bereich gebildet wird. Der Bereich ist so gestaltet, dass, wenn sich die erste Temperierflüssigkeit unter Temperatur ausdehnt, das eingeschlossene Luftvolumen durch das Ausdehnungsvolumen der ersten Temperierflüssigkeit verringert wird. Dies bedingt, dass sich der Druck in dem System leicht erhöht. Die Dichtungen des flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 sind so gestaltet, dass sie diesem Druckanstieg von ungefähr 0,3 bar, 1,0 bar, 1,5 bar oder dergleichen standhalten.
Durch die Verwendung eines flüssigkeitsdichten Gehäuses 110 können thermisch unabhängige Batteriemodule 100 elektrisch miteinander wie gewünscht verbunden werden, um einen Batteriepack zu bilden. Dies ermöglicht eine Verringerung von Temperaturunterschieden zwischen den Batteriemodulen 100, da die interne Zirkulation der ersten Temperierflüssigkeit in den Batteriemodulen 100 individuell geregelt werden kann. Jedoch können gewünschte Temperaturspannen zwischen den Batteriemodulen 100 implementiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn ein Abschnitt eines Batteriesystems für eine besondere Anwendung verwendet wird; zusätzlich zur elektrischen Trennung kann thermische Trennung in diesem Fall implementiert werden. Die Funktion eines Wärmetauschers ist in das flüssigkeitsdichte Gehäuse 110 der Batteriemodule 100 integriert. Dies kann Kosten und Gewicht sparen. Zudem besteht möglicherweise kein Bedarf an komplexen und vielfältigen Dichtungen. Eine gewöhnliche Flüssigkeit (Wasser-Glykol), die keine besonderen elektrischen Eigenschaften aufweisen muss, kann als die zweite Temperierflüssigkeit in dem sekundären Kreislauf verwendet werden.
Zusammenfassend ist ein Batteriemodul vorgesehen, das ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse und eine Mehrzahl an Batteriezellen umfasst, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet sind. Eine erste Temperierflüssigkeit ist in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse in thermischem Kontakt mit der Mehrzahl an Batteriezellen und mit einer inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses enthalten. Das flüssigkeitsdichte Gehäuse ist so ausgebildet, dass eine zweite Temperierflüssigkeit zwischen der inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses fließen kann. Ferner ist ein Batteriesystem vorgesehen, das ein Batteriemodul und ein sekundäres Temperiersystem umfasst, das mit dem flüssigkeitsdichten Gehäuse des Batteriemoduls verbunden ist und eingerichtet ist, den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit zu erzeugen.

Claims

Batteriemodul, umfassend ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse (110); eine Mehrzahl an Batteriezellen (120), die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) angeordnet sind; und eine erste Temperierflüssigkeit, die in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) in thermischem Kontakt mit der Mehrzahl an Batteriezellen und mit einem Abschnitt einer inneren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) enthalten ist, so dass Wärme, die von der Mehrzahl an Batteriezellen (120) erzeugt wird, an das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) durch Leitung oder Konvektion übertragen wird; dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) so ausgebildet ist, dass es einen Fluss einer zweiten Temperierflüssigkeit zwischen dem Abschnitt der inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) ermöglicht.
Batteriemodul nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Pumpe (130), die an einer Außenseite des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) angeordnet ist und mit einem Inneren des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) über erste Flüssigkeitskanäle (111) des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) verbunden ist, wobei die Pumpe (130) eingerichtet ist, einen Fluss der ersten Temperierflüssigkeit in dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) zu erzeugen, indem die erste Temperierflüssigkeit durch die ersten Flüssigkeitskanäle (111) gepumpt wird.
Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110), die Pumpe (130) und die ersten Flüssigkeitskanäle (111) ein stofflich geschlossenes System der ersten Temperierflüssigkeit bilden.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) einen zweiten Flüssigkeitskanal (112) für den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit umfasst.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei der zweite Flüssigkeitskanal (112) in ein Inneres des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110) ragt.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) umfasst ein Profilgehäuse (113) mit zwei offenen Endseiten, die sich einander gegenüber entlang einer Hauptachse des Batteriemoduls befinden; und eine erste Endplatte (114) und eine zweite Endplatte (116), die das Profilgehäuse (113) an den beiden offenen Endseiten flüssigkeitsdicht schließen.
Batteriemodul nach Anspruch 6, umfassend eine erste Dichtung, die umlaufend zwischen der ersten Endplatte (114) und dem Profilgehäuse (113) angeordnet ist; und eine zweite Dichtung, die umlaufend zwischen der zweiten Endplatte (116) und dem Profilgehäuse (113) angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 7, wobei die erste Dichtung und die zweite Dichtung Flachdichtungen sind.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Profilgehäuse (113) als ein doppelwandiges Profilgehäuse (113) ausgebildet ist, wobei ein zweiter Flüssigkeitskanal (112) integral gebildet ist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Profilgehäuse (113) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(m·K) oder höher hergestellt ist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das flüssigkeitsdichte Gehäuse (110) teilweise mit einem Gas gefüllt ist.
Batteriemodul nach Anspruch 11, wobei ein Volumenprozentsatz des flüssigkeitsdichten Gehäuses (110), der mit dem Gas gefüllt ist, 5 % oder weniger beträgt.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend eine Mehrzahl an Zellenhaltern (140), die halbschalenförmige Abschnitte (141) enthalten, die eingerichtet sind, die Mehrzahl an Batteriezellen (120) zu halten, wobei seitliche Oberflächen der Mehrzahl an Batteriezellen (120) durch die halbschalenförmigen Abschnitte (141) abgedeckt sind.
Batteriesystem, umfassend ein Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und ein sekundäres Temperiersystem, das mit dem flüssigkeitsdichten Gehäuse (110) des Batteriemoduls (110) verbunden ist und eingerichtet ist, den Fluss der zweiten Temperierflüssigkeit zu erzeugen.
Batteriesystem nach Anspruch 14, wobei die erste Temperierflüssigkeit sich von der zweiten Temperierflüssigkeit unterscheidet.