EP4154346A1 - Energiespeichervorrichtung mit einem batterie-zellenmodul und einer kühlvorrichtung, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes fahrzeug, und verfahren zur herstellung der energiespeichervorrichtung - Google Patents

Energiespeichervorrichtung mit einem batterie-zellenmodul und einer kühlvorrichtung, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes fahrzeug, und verfahren zur herstellung der energiespeichervorrichtung

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EP4154346A1
EP4154346A1 EP21726876.2A EP21726876A EP4154346A1 EP 4154346 A1 EP4154346 A1 EP 4154346A1 EP 21726876 A EP21726876 A EP 21726876A EP 4154346 A1 EP4154346 A1 EP 4154346A1
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EP
European Patent Office
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heat sink
coolant
cooling
energy storage
storage device
Prior art date
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Pending
Application number
EP21726876.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Bucher
Michael Klauke
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Energy storage device with a battery cell module and a cooling device, preferably for an at least partially electrically driven vehicle, and method for producing the energy storage device
  • the invention relates to an energy storage device for storing electrical energy, preferably for an at least partially electrically driven vehicle.
  • the invention also relates to a method for producing an energy storage device and a vehicle, preferably a utility vehicle, or a stationary device with such an energy storage device.
  • Vehicle batteries known from practice such as those used, for. B. be used as an energy store or as a traction battery in hybrid vehicles or electric vehicles, typically have a battery pack in which several stacked battery storage cells are arranged.
  • the battery storage cells can be combined into modules or built directly into a battery pack as part of what is known as cell-to-pack, CTP technology.
  • CTP technology cell-to-pack
  • it In order to ensure proper operation and to avoid damage to such a vehicle battery and to achieve the longest possible service life, it must be operated in a defined temperature range.
  • a cooling plate below the battery cells optionally with a thermal paste applied to it, through which a cooling fluid flows in order to cool the battery cells.
  • the substantially smaller surface area of the storage cells facing the cooling plate is typically cooled, while the substantially larger surface area of the storage cells remains uncooled.
  • the disadvantageous result is a highly inhomogeneous temperature distribution within the memory cells and z. B. within the battery cell modules.
  • cooling fins It is also known from the prior art that the dissipation of heat generated in the battery cells can be improved by means of cooling fins.
  • the laid-open specification DE 10 2012 218 764 A1 suggests thermally coupling a cooling fin to the side of a battery storage cell via a flat base body, the base body having a cooling channel.
  • the performance of this solution is disadvantageously limited by the heat transfer or the heat transfer coefficient of the contact surface between the cooling fin and the base body.
  • the Cooling fins merely passively cool the storage cells, which disadvantageously results in a time delay when heat is introduced and dissipated, an inhomogeneous temperature distribution and a low cooling capacity.
  • the object of the present invention is to provide a technique for temperature control, in particular for cooling, of such energy storage devices, with which the disadvantages of known approaches to temperature control, in particular for cooling, can be avoided.
  • the object of the invention is in particular to improve known energy storage devices with regard to the performance of the cooling of the storage cells.
  • a basic idea of the invention is to provide additional heat sinks in the space between the side by side arranged battery cells that are actively cooled and for this purpose with the cooling plate, which is laterally, for. B. is arranged on the bottom side with respect to the battery cells, are fluidically connected.
  • This offers the advantage of particularly effective cooling, which results in the most homogeneous temperature distribution possible within the battery cell.
  • these heat sinks are designed with an elastic cover, i.e. the heat sinks can be designed as so-called foil heat sinks or pouch heat sinks.
  • the heat sinks adapt particularly well to changing surface forms of the battery cells, e.g. B. due to so-called. Swelling effects, adjust.
  • the elastic heat sinks can compensate for assembly and component tolerances, among other things.
  • an energy storage device for storing electrical energy is provided. It is preferably an energy storage device for an at least partially electrically powered vehicle.
  • the energy storage device can be designed in a manner known per se to store electrical energy that is used in corresponding drive components of the vehicle, eg. B. in an electric machine, can be converted into drive energy.
  • the energy storage device can be designed to temporarily absorb traction energy.
  • the energy storage device has a plurality of storage cells arranged next to one another in a stack-like manner. The storage cells can also be combined to form a module (battery cell module) and preferably pre-grouped.
  • the battery cell module can optionally also include other components that are necessary and known per se for storing electrical energy, such as circuit boards, circuits, relays, lines, base or end plate plates, bus bars, terminals, deck - or side covers, plastic sheets and / or circuit boards etc.
  • the storage cells can also be built directly into a battery pack using what is known as cell-to-pack technology.
  • the cells are not pre-grouped using a battery module and the storage cells are installed directly in the battery pack.
  • Cell-to-pack technologies have recently been used more and more to increase the mass energy density, to improve the efficiency of the volume utilization and to reduce the number of parts for battery packs - compared to conventional battery packs made from pre-grouped Cell modules assembled battery packs.
  • the memory cells can be connected to one another in parallel and / or in series and have individual memory cells combined to form a cell network.
  • the memory cells can, for. B. be designed as a lithium-ion battery.
  • the cells can preferably be spaced apart from one another with a gap of 0.5 to 1.5 mm.
  • the energy storage device has a cooling device for cooling the storage cells.
  • the term cooling is preferably, but not exclusively, to be understood as meaning the heat from the storage cells. It is namely also conceivable that the invention - in particular at low temperatures or when starting the vehicle cold - is used to warm or preheat the storage cells, for example to bring the storage cells to operating temperature or to keep them.
  • the cooling device can thus generally serve as a temperature control device for the storage cells.
  • the cooling device also has a cooling plate through which a coolant can flow.
  • the cooling plate can, for. B. have corresponding fluid guide channels in their inner volume.
  • the cooling plate is arranged laterally, preferably on the bottom, with respect to the memory cells. If storage cells are arranged to form a battery cell module, the cooling plate can be arranged on a side surface of the battery cell module. The side surface can be the bottom surface (lower side surface) of the battery cell module.
  • the cooling plate is designed to, for. B. by the memory cells absorb radiated heat and dissipate the heat via the coolant flowing through the cooling plate or give off heat to the storage cell.
  • the cooling device also has at least one heat sink, which is arranged between tween two adjacent storage cells for side surface cooling of the storage cells, is fluidically connected to the cooling plate and is designed as a heat sink with an elastic cover's rule.
  • Each of the at least one heat sink can thus also be flowed through with the coolant and can for this purpose, for. B. also have corre sponding fluid ducts in its inner volume.
  • the heat sink is arranged between two adjacent storage cells for side surface cooling of the storage cells.
  • the heat sinks preferably lie flat against the facing side surfaces of adjacent storage cells, so that heat can be exchanged between the storage cells and the heat sink.
  • the heat sink can be designed, for example, to absorb the heat given off by the storage cells and to dissipate it via the coolant flowing through the cooling plate. Coolant can pass from the cooling plate into the cooling body and from this back into the cooling plate.
  • the heat sink can have, for example, one or more coolant inlets and one or more coolant outlets, via which coolant can flow from the cooling plate into the heat sink and from this back into the cooling plate.
  • the heat sink is designed as a heat sink with an elastic cover.
  • elastic indicates that the material of the shell is deformable (pliable) and / or flexible.
  • the shell can accordingly be made of elastic material in order to be able to adapt as best as possible to the temperature-dependent variable volume and geometry of the storage cell.
  • the proposed energy storage device has several advantages over the known solutions.
  • the proposed fluidic connection between the at least one cooling body and the cooling plate enables a particularly high cooling capacity to be achieved in the space between storage cells.
  • the heat sinks with elastic sheaths enable an adaptive, flat, shape-corresponding contact of the heat sinks on the side surfaces of the storage cells, which enables particularly good heat transfer between the storage cells and the heat sinks, which is achieved through the elastic sheath even when the storage cells expand or contract can be sustained.
  • the heat sinks can optionally perform the function of compression layers (so-called “compression” or “compression layers”) that are arranged between the storage cells in practice “swelling” pads), which in practice are arranged between the storage cells in order to compensate for thermal expansion and contraction of the storage cells and to guarantee constant surface pressure between the storage cells.
  • the heat sinks can take on the function of thermal insulation pads and at least partially replace them. This can advantageously be omitted. This has advantages in terms of cost, weight and packaging.
  • it is advantageous that an expansion of the storage cells does not lead to a progressive increase in the surface pressure or this is at least reduced.
  • a pressure that is as constant as possible is effected by the coolant pressure.
  • the cooling of the storage cell spaces results in a high heat capacity and a delay time for thermal aging and damage effects.
  • the elastic shell of the cooling body can include an aluminum foil with or without a plastic coating or plastic film.
  • z. B. is a commercially available aluminum foil with a plastic coating, as is common, for example, in the packaging industry.
  • the heat sink of the energy storage device can be a foil heat sink and / or pouch heat sink.
  • pouch heat sink is used in analogy to the pouch battery cell, also pouch bag cell or coffee bag cell, which is widespread in battery technology, and is intended to include any type of flexible outer covering of the heat sink.
  • the wall thickness of the shell can be in a range between 0.05 mm to 0.2 mm, particularly preferably around 0.1 mm, by way of example. It is advantageous that the heat sink can compensate for thermally induced expansion or compression movements of the storage cell particularly well, so that a particularly good heat transfer or heat dissipation conditions between the storage cell and the heat sink is always guaranteed.
  • the gap between two storage cells can only be in the range of approx. 1 mm by way of example.
  • the energy storage device comprises at least one, that is to say one or more, heat sinks.
  • the energy storage device comprises a plurality of cooling bodies.
  • the at least one heat sink can in this respect comprise a plurality of heat sinks, with between all storage cells a heat sink for side surface cooling of the storage cells is arranged in each case.
  • heat sinks and storage cells can follow one another in an alternating sequence within the energy storage device. It is conceivable that this is a regularly alternating sequence of heat sinks and storage cells. This guarantees a homogeneous heat dissipation or temperature distribution within the energy storage device and further increases the efficiency of the cooling of the energy storage device.
  • the sequence of heat sinks and storage cells is irregular.
  • a cooling body is provided in each case only in every second, third, or fourth, etc. intermediate space between adjacent storage cells.
  • a cooling body with an elastic cover can be arranged on the outside of the outer storage cells for side surface cooling.
  • a heat sink can optionally also be arranged on the end sides of the battery cell module and thus form the first and the last element of the alternating sequence of heat sinks and storage cells in the energy storage device. This advantageously reduces the heat radiation of the energy storage device with respect to neighboring components.
  • the cooling body can have at least one fold or embossing which is designed to subdivide an interior space of the cooling body into subspaces that are fluidically interconnected.
  • a coolant inlet for coolant from the cooling plate and in the last subspace there is the coolant outlet of the heat sink, from which the coolant is directed back to the cooling plate.
  • the heat sink has a fold or embossing or several folds or embossing conditions.
  • the fold or the embossing can be applied, for example, by reshaping, kinking, folding and / or heating.
  • the embossing preferably has a thickness of approximately 0.1 to 0.2 mm.
  • the at least one fold or the embossing can be designed to guide coolant in an arc-shaped, U-shaped or meandering shape from a coolant inlet of the heat sink to a coolant outlet of the heat sink. A directed flow is advantageously produced in the heat sink, which further increases the overall cooling effect.
  • the heat sink can have exactly one fold or embossing, for example arranged in a central area, which is formed to divide an interior of the heat sink into two fluidically interconnected sub-spaces in order to guide coolant in an arcuate and / or U-shaped manner from thedeffenein passage of the heat sink to the coolant outlet of the heat sink.
  • the cooling plate can have a first wall facing the storage cells, which has a slot structure for holding the at least one cooling body.
  • This first wall can be designed as a separate component in the form of a plate with a slot structure.
  • the slots of the slot structure can each have a width that corresponds to the width of the heat sink.
  • An end region of the cooling body having a coolant inlet and a coolant outlet can furthermore be held in one of the slots.
  • the heat sinks can be perpendicular to the cooling plate z. B. be placed like a sail one behind the other on the slots of the cooling plate.
  • the slots can serve in an advantageous manner on the one hand to hold the heat sink and on the other hand the fluidic connection between the heat sink and the cooling plate.
  • the end region of the cooling body can have a sealing lip for fluidically sealing the slot and thus the fluidic connection point between the cooling plate and the cooling body (s).
  • the sealing lip as an elastomer sealing lip, for. B. be designed as an elastomer injection. It is conceivable that the sealing lip is already attached to the heat sink in the delivery state of the heat sink. Alternatively, it is conceivable that the sealing lip is only applied by overmolding the heat sink during assembly.
  • the sealing lip can for example have an approximately double-T-shaped cross section which is pressed into the slot and overlaps the slot in all spatial directions. A simple and effective fluidic sealing of the slots or the fluidic connection between the cooling body and the cooling plate is advantageous.
  • this sealing lip can have a nose which engages in a shape-corresponding notch or undercut of the first wall to produce a form fit between the sealing lip and the cooling plate.
  • the cooling plate can have a second, z. B. half-shell, include wall. This second wall can have embossments which are designed to guide coolant inside the cooling plate into a coolant flow and a coolant return. In other words, through the embossing z. B.
  • the embossings can preferably also have depressions for holding the at least one cooling body.
  • the troughs can, for example, be designed to correspond to the position and dimensions of the fold of the heat sink.
  • the embossing can thus develop a double function: fluid guidance and holding of the heat sink. A particularly simple and cost-saving possibility of guiding the fluid within the cooling plate and of holding the cooling body on the cooling plate advantageously results.
  • the cooling plate can thus be composed of a first plate with a slot structure (first wall) and a second plate with an embossed structure (second wall).
  • the cooling plate can be designed in such a way that the coolant flow within the cooling plate has a coolant channel arranged on an edge region of the cooling plate with a plurality of orthogonally arranged side branches and the coolant return has a coolant channel arranged on an edge region opposite to the coolant flow with a A plurality of orthogonally arranged sides has branches.
  • the side branches of the coolant flow and the side branches of the coolant return can be interlaced in such a way that a side branch of the coolant flow is always arranged immediately adjacent to a side branch of the coolant return.
  • an alternating sequence of side branches of the coolant flow and coolant return can result within the cooling plate.
  • the coolant flow and coolant return can be designed in the form of two letters “n” pushed one inside the other, more preferably two letters “E” pushed one inside the other. This further increases the performance of the cooling device via improved heat transfer.
  • the side branches of the coolant flow and the side branches of the coolant return of the cooling plate can be fluidly connected to one another via the heat sink. In this way, a particularly long cooling section is implemented within the battery cell module.
  • the heat sink can be at least partially surrounded by a frame which is arranged between adjacent storage cells and is used for receiving is formed by forces between adjacent storage cells, preferably to take on pressing forces between adjacent storage cells.
  • a printing frame is therefore hereinafter referred to as a printing frame.
  • the print frame is a plastic print frame. It is possible that the print frame z. B. is adapted in its structure and shape to the design of the memory cell module and its connection in the battery pack. It is advantageous that the forces of pressing the battery cell modules are diverted via the pressure frames and not the heat sinks, which increases the service life of the energy storage device. Due to the compressive strength of the printing frame, tensioning of the storage cells is also possible, particularly in the case of prismatic storage cells.
  • the pressure frame can be fastened to an edge of the heat sink.
  • the printing frame can preferably be attached to an outer edge embossing or edge fold of the cooling body by means of an extrusion coating.
  • This case of injection molding from the heat sink to the pressure frame is preferably only used when the pressure frame is assembled together with the heat sinks, and not when the battery cells are pressed in the module production.
  • a separate component can be attached to the heat sink as a pressure frame through the extrusion coating, or the extrusion coating itself can form the printing frame.
  • the pressure frame can rest loosely against the heat sink and be held in position by pressing the adjacent memory cells.
  • the pressure frame can, for example, have no mechanical connection to the cooling body and can stand freely downwards, i.e. in the direction of the cooling plate.
  • the printing frame is inserted during the assembly of the battery cells or that it is part of the grouping of the storage cells, e.g. B. part of the battery cell module is. This represents a particularly simple and inexpensive arrangement of the printing frame.
  • the previously common assembly process of known battery cell modules or known cell-to-pack battery packs can also be used for the battery cell module or cell-to-pack proposed here due to the printing frame -Battery packs are accepted.
  • the pressure frame is preferably adapted to the outer contour of the heat sink.
  • the print frame can be in the form of the letters “M”, that is to say M-shaped, or ok
  • N be trained. These shapes are only to be understood as examples.
  • the printing frame can also have other shapes and its shape depends on the shape of the battery or can be adapted to it.
  • the memory cells can be so-called pouch memory cells or prismatic memory cells. If the storage cells are combined to form a battery cell module, for example, the battery cell module can have prismatic storage cells or pouch storage cells. If, as an alternative, the storage cells are built directly into a battery pack using what is known as cell-to-pack technology, the storage cells can also be designed here as prismatic storage cells or as pouch storage cells.
  • prismatic memory cells as used in the context of this document is intended to include, in particular, those memory cells that have a solid prism-shaped or cuboid housing, eg. B. made of a dimensionally stable plastic.
  • pouch memory cells as used in the context of this document is intended to include, in particular, memory cells that are enclosed by a flexible outer film.
  • the additional active side cooling according to the invention results in improved heat dissipation and, in particular, the advantages of a more homogeneous storage cell temperature distribution, a more constant storage cell temperature level, a longer storage cell life and a more targeted temperature Conditioning of the storage cell (including during the charging process).
  • the invention also relates to a vehicle having an energy storage device as described in this document.
  • the vehicle is preferably at least partially electrically powered.
  • the vehicle is preferably a motor vehicle, for example a passenger car or a utility vehicle.
  • the vehicle can, in other words, be a motor vehicle which, by virtue of its design and device, is designed for the transport of people, for the transport of goods or for pulling trailers.
  • the vehicle can be a truck, a bus and / or an articulated truck that is at least partially electrically powered.
  • the vehicle is a rail vehicle or an airplane.
  • the invention is designed as a stationary energy storage device or battery storage device or that the energy storage device is part of a stationary, that is, non-mobile, device.
  • An example of this would be a permanently installed energy storage device, for example in combination with a solar or wind power plant.
  • a method for manufacturing the energy storage device is also provided.
  • the method is characterized by the following step for arranging the heat sinks on the cooling plate:
  • the at least one heat sink is attached to the cooling plate by pushing the heat sink through a slot in the slot structure until the end region of the heat sink that has the coolant inlet and coolant outlet is positioned and / or rests against the slot.
  • one heat sink can be pushed through a slot by means of a mounting sword, onto which the heat sink is slipped before being pushed through and which is pulled out again after the heat sink has been pushed through and fastened to the cooling plate.
  • the battery cell module When the storage cells are grouped as a battery cell module with prismatic storage cells, the battery cell module is then placed on the at least one inserted heat sink. It is also conceivable to first put on the battery cell module and then to position the heat sinks from below by pushing them through the slot structure in the spaces between the storage cells.
  • pouch cells are placed separately on the cooling plate and then combined to form a cell module.
  • the storage cells are placed separately on the cooling plate as part of the cell-to-pack, CTP, process, for example placed individually.
  • the proposed method can also optionally include the application of a heat-conducting paste (so-called “gap filler”) to the cooling plate.
  • the proposed method and its developments can be used both on prismatic storage cells and on pouch storage cells.
  • Figure 1 shows a cooling device of the energy storage device according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows an energy storage device according to an embodiment in the exploded view
  • FIG. 3 shows a lower wall of the cooling plate of the cooling device to illustrate the coolant flow within the cooling device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a heat sink of the cooling device in a side view according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows the heat sink from FIG. 4 in a perspective view
  • FIG. 6 shows a heat sink of the cooling device with a pressure frame according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a detailed view of FIG. 6 to illustrate the holder or fluidic connection of a cooling body on or with the cooling plate;
  • FIG. 8 shows a heat sink of the cooling device with a pressure frame according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 9 shows a detailed view of FIG. 8 to illustrate the holder or fluidic connection of a cooling body on or with the cooling plate;
  • FIG. 10 shows an energy storage device with an enlarged detail to illustrate the mounting and fluidic connection of a cooling body to the cooling plate according to a further embodiment
  • FIG. 11 shows a supplementary view of the positioning of a pouch storage cell between two heat sinks arranged on a cooling plate according to a further embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic flow diagram of the method for producing the energy storage device
  • FIG. 13 additional schematic representations of the method steps from FIG. 12.
  • Figures 1, 2, 3, 4 and 5 show a first, Figures 6 and 7 a second, Figures 8 and 9 a third, Figure 10 a fourth and Figure 11 a fifth embodiment of the proposed energy storage device 1, the Some of the figures only serve to better illustrate the characteristic partial aspect of the respective embodiment. In this respect, components that are not essential for these characteristic partial aspects have been omitted for better visibility of this characteristic aspect.
  • 2 shows an energy storage device 1 for storing electrical energy for an at least partially electrically driven motor vehicle (not shown).
  • the energy storage device 1 can be designed to take up electrical energy, preferably traction energy, temporarily.
  • the energy storage device 1 has, in a manner known per se, a plurality of storage cells 3 arranged next to one another in a stack-like manner.
  • B. be designed as a lithium-ion battery.
  • the memory cells 3 are combined to form a battery cell module 2 and are connected to one another in parallel and / or in series.
  • the memory cells 3 are shown as prismatic cells 5.
  • the storage cells 3 can also be designed as pouch storage cells 4 (cf. FIG. 11).
  • so-called cell-to-pack processes can also be used, in which the storage cells are built directly into a battery pack and thus the costs for the module components are skipped as an intermediate step can.
  • the battery cell module 2 also includes other components that are known per se and required for storing electrical energy, such as base or end plate plates 33, circuit boards or busbars 35 and circuit boards 36, top or side covers 31, 32, protective plates 34 etc. fall, some of which are shown by way of example in FIG.
  • Heat loss occurs in the storage cells 3 during operation. At a low ambient temperature, heat can also be absorbed, that is to say the energy storage device can be heated. In order to ensure proper operation and to avoid damage to the memory cells 3 and to achieve the longest possible service life, they must be operated in a defined temperature range.
  • the energy storage device 1 has a cooling device 6 for temperature control, in particular for cooling, of the storage cells 3, which is shown in FIG.
  • the cooling device 6 has a coolant through which a coolant can flow and is arranged on a side surface, here on a bottom surface, of the battery cell module 2 and is designed for bottom cooling of the battery cell module 2.
  • the cooling plate 7 z. B. have a coolant connection 37 through which the coolant can flow into the cooling plate 7 and have a coolant outflow 38 through which the coolant can flow out of the cooling plate 7.
  • the cooling plate 7 can be fluidically connected to a cooling circuit of the motor vehicle, the other components of which are not shown here.
  • the cooling device has a plurality of cooling bodies per 8 (42 pieces here, merely by way of example).
  • the heat sinks 8 have an elastic outer shell. Such heat sinks 8 can therefore also be referred to as foil heat sinks or pouch heat sinks.
  • the term pouch heat sink will therefore also be used in the following.
  • the elastic sheath can, for. B. have an aluminum foil and a plastic coating.
  • the pouch heat sinks 8 are arranged in a row next to and behind one another on the cooling plate, corresponding to the arrangement of the storage cells, so that a pouch heat sink 8 is arranged in the space between two adjacent storage cells.
  • not all cooling bodies 8 are provided with reference symbols in FIGS. 1, 2, 10 and 11 without exception.
  • Fig. 2 the positioning of the heat sink 8 between the storage cells 3, 5 of the energy storage device 1 of this first embodiment is clear. Part of the energy storage device 1 is shown in the (partial) exploded view.
  • a heat sink 8 is arranged between all adjacent storage cells 3 for side surface cooling of the storage cells 3.
  • storage cells 3 and heat sinks 8 follow one another in an alternating sequence in the energy storage device 1.
  • a pouch heat sink 8 is arranged on the outer surfaces of the outer storage cells 10 for side surface cooling (not shown here).
  • the heat sinks 8 rest on the side surfaces of the storage cells 3, 5. As a result of the relatively large contact surface, in particular in comparison to the exclusive floor cooling, a comparatively large amount of heat from the storage cells 3, 5 is transferred to the heat sinks 8. To this extent, a relatively large amount of heat is withdrawn from the storage cells 3, 5.
  • the heat sinks 8 are fluidly connected to the cooling plate 7 and are medium with the coolant through ström bar. The heat absorbed by the heat sink 8 is transferred to the coolant and is transported away.
  • the cooling plate 7 comprises a first wall 17 facing the battery cell module 2 (see, for example, FIG. 7) and a half-shell-shaped second wall 18 facing away from the battery cell module 2 (see, for example, FIG. 3).
  • the second wall 18 has embossments 23 which are designed to conduct coolant within the cooling plate 7 into a coolant flow and a coolant return.
  • the embossments 23 of the second wall 18 for their part preferably have troughs 24 for holding the heat sink 8.
  • the coolant flow has a coolant channel 25, which is arranged on an edge region of the cooling plate 7, and has a A plurality of side branches 26 arranged orthogonally thereto.
  • the coolant return has a coolant channel 27, which is arranged on an edge region opposite to the coolant flow, and has a plurality of side branches 28 arranged orthogonally thereto.
  • the side branches 26 of the coolant flow and the side branches 28 of the coolant return are interlocked in such a way that a side branch 26 of the coolant flow is always arranged immediately adjacent to a side branch 28 of the coolant return.
  • there is an alternating sequence of side branches 26 of the coolant flow and side branches 28 of the coolant return in the plan view have the shape of two letters “E” pushed one inside the other, this coolant flow being merely an example.
  • the side branches 26 of the coolant flow and the side branches 28 of the coolant return of the cooling plate 7 are fluidically connected to one another via the cooling body 8.
  • a coolant inlet 15 of the heat sink 8 is fluidically connected to a side branch 26 of the coolant supply, while a coolant outlet 16 of the heat sink 8 is fluidly connected to a side branch 28 of the coolant return of the cooling plate 7.
  • coolant enters the cooling plate 7 via the coolant connection 37 and flows into the coolant flow and the orthogonally arranged side branches 26.
  • the coolant then enters the heat sink 8 via the coolant inlet of the heat sink 15, absorbs the heat from the storage cells 8 and flows heated via the coolant outlet 16 of the heat sink 8 into the coolant return of the cooling plate 7.
  • the coolant return feeds the heated coolant via the coolant outlet 38 to a cooling circuit (not shown) of the motor vehicle.
  • the storage cells 3 are actively tempered or cooled in the cooling mode.
  • FIG. 4 shows an individual heat sink 8 of the energy storage device according to the first embodiment from FIG. 1 in a side view.
  • FIG. 5 serves as a supplementary view in a perspective illustration of the cooling body 8.
  • the pouch heat sink 8 is formed with an elastic sleeve 9.
  • the wall thickness of the elastic sleeve is approximately 0.1 mm.
  • the pouch heat sink can attach itself particularly well to the side wall of a storage cell 3, 4, 5 (not shown in FIG. 4) - even in the event that the storage cell 3, 4, 5 expands due to thermal conditions or contracts.
  • the heat sink 8 has a fold 11 in the central region of its surface.
  • the cooling body 8 can also have a plurality of folds 11.
  • the fold 11 divides the interior of the cooling body 8 into fluidically interconnected partial spaces 13, 14. In other words, the fold 11 does not extend over the entire height of the cooling body 8, so that coolant above the fold 11 from the first partial space 13 into the second partial space 14 can kick.
  • the fold 11 is designed to guide coolant in a U-shape from the coolant inlet 15 of the heat sink 8 to the coolant outlet 16 of the heat sink 8 (see also FIG. 3). In other embodiments, not shown here, several folds can be provided in order to guide coolant in a meandering shape from the coolant inlet 15 of the heat sink 8 to the coolant outlet 16 of the heat sink 8.
  • the pouch cooling body 8 also has an edge fold 12 which seals the inner volume of the cooling body 8.
  • Fold 11 and edge fold 12 have been applied in the present case by folding with heating. In further embodiments, however, the fold 11 and the edge fold 12 can also be applied, for example, by deformation, kinking, folding and / or heating.
  • Fig. 6 shows a heat sink 8 of the energy storage device 1 according to a second embodiment.
  • the heat sink 8 is partially surrounded by a pressure frame 29 arranged between adjacent storage cells 3, 4, 5.
  • the print frame 29 is designed as a plastic print frame 29 in front of it.
  • the pressing forces are not absorbed by the heat sinks 8 arranged between the storage cells 3, 4, 5, but rather by the plastic pressure frame 29.
  • the heat sinks 8 are protected from damage and their flow cross-section is kept open.
  • FIG. 7 shows a detailed view of FIG. 6, in particular of the lower left area of FIG. 6 marked with a dashed circle, to illustrate the mounting of the pouch heat sink 8 on the cooling plate and the fluidic connection.
  • the plastic pressure frame 29 is attached to the edge fold 12 of the cooling body 8 by an extrusion coating.
  • the pressure frame 29 sits in the embodiment shown on a sealing lip 20, which will be described in detail later and which in turn is positively connected to the first wall 17 of the cooling plate 7.
  • Fig. 8 shows a heat sink 8 of the energy storage device 1 according to a third embodiment.
  • the difference to the second embodiment is essentially to be seen in the fact that the pressure frame 29 rests loosely on or on the heat sink 8 and is held in position by pressing the adjacent storage cells 3.
  • the print frame 29 in the present case has the shape of the letter “M”.
  • This form is only an example.
  • the way in which the pressure is absorbed by the printing frame can depend on the internal structure of the storage cells, among other things.
  • the design of the print frame, in particular its shape, can depend on where the points of the print transfer to the outside are arranged merely as an example.
  • the design of the pressure frame can depend on the rigidity of the plastic housing of the prismatic battery cell.
  • the pressure frame 29 has no mechanical connection to the edge fold 12 of the cooling body 8 and is only held in position by pressing the storage cells (not shown).
  • FIG. 10 shows a cooling device and storage cells 3 of the energy storage device 1 according to a fourth embodiment with an enlarged detail of the cooling plate 7, the sealing lip 20 and a cooling body 8 shown in the lower illustration of FIG. 10.
  • the cooling plate 7 comprises a first wall 17 and a second wall 18.
  • the first wall 17 faces the battery cell module 2, while the second wall 18 faces away from the battery cell module 2.
  • the first wall 17 has the slot structure 19 shown at the top in FIG. 13.
  • the slots of the slot structure 19 each have a width corresponding to the width of the heat sink (in the depth direction of the plane of the drawing).
  • the end region of the heat sink 8 having the coolant inlet 15 and coolant outlet 16 is inserted into the slots of the slot Structure 19 supported.
  • the end region of the cooling body has the sealing lip 20 shown in FIG. 10.
  • the sealing lip 20 is an elastomer sealing lip 20.
  • the sealing lip 20 overlaps the slots in the first wall 17 both on the side facing and facing away from the battery cell module, so that the sealing lip and thus the heat sink are held on the first wall 17 of the cooling plate .
  • coolant flows over coolant level 7a and enters coolant channel 8a of pouch heat sink 8, which is open at the bottom, via coolant inlet 15 (see FIG. 3) at the end region of pouch heat sink 8.
  • the cooling body 8 implemented with the elastic sheath 9 is exposed to loads as a result of the fluid pressure present.
  • the sealing lip 20 optionally has a nose 21.
  • the nose 21 engages in a shape-corresponding undercut 22 (indicated by dashed lines) of the first wall 17. This form fit between sealing lip 20 and cooling plate 7 counteracts the horizontal fluid pressure.
  • the heat sink 8 is prevented from collapsing.
  • the described embodiments can be used both for pouch memory cells 4 or as prismatic memory cells 5.
  • FIG. 11 shows a supplementary view of the positioning of a pouch storage cell between two heat sinks arranged on a cooling plate according to a fifth embodiment.
  • this positioning can also take place in an analogous manner with another storage cell, in particular a prismatic storage cell, which is built in as part of a cell-to-pack, CTP, battery design.
  • the heat sinks 8 have a double function.
  • compression / swelling pads Due to their elastic shell 9, the heat sinks 8 can compensate for thermally induced expansion and compression movements of the pouch storage cell 3, 4 particularly effectively and, if so, replace the compression layers.
  • This embodiment is also applicable to energy storage devices with prismatic cells, which also have a threshold behavior that in the interim space must be compensated, even if the swelling behavior Due to the rigidity of the housing of prismatic storage cells, the swelling behavior can typically be lower than with pouch storage cells.
  • Fig. 12 shows a schematic flow diagram of the method for producing an energy storage device 1 according to the fourth embodiment already described.
  • the proposed method is inter alia.
  • the underlying idea is to prevent the cooling body 8 with the elastic sheath 9 from collapsing during the manufacture of the energy storage device 1 by using an assembly sword 30.
  • the first step S1 of the method initially comprises the optional application of a heat-conducting paste (so-called “gap filler”) to the first wall 17 of the cooling plate 7 (not shown).
  • the thermal paste can, for. B. serve to air-filled gaps, which typically have poor thermal conductivity or an insulating effect, between the cooling plate
  • the thermal paste can have a correspondingly high thermal conductivity, so that the heat of the storage cells 3, 4, 5 can be conducted into the cooling plate 7.
  • step S2 the heat sinks 8 are slipped onto a mounting sword 30.
  • the mounting sword 30 shown in Fig. 13 can be z. B. have two fins, which from below via the coolant inlet 15 and the coolant outlet 16 into the subspaces 13, 14 of the heat sink
  • the inner volume of the heat sink 8 can be filled or spanned at least approximately completely by the assembly sword 30. Coincidence of the flexible sheath 9 of the heat sink 8 is prevented in this respect.
  • the third step S3 comprises inserting the cooling body 8 slipped onto the mounting sword 30 from below into the slots of the slot structure 19 of the upper wall 17 of the cooling plate 7.
  • FIG. 13 shows an insertion from above into the slot structure.
  • the heat sinks 8 can, for. B. already have a sealing lip 20 arranged at one end region of the heat sinks 8 in the delivery state, which wedges positively with the slot structure when the heat sinks 8 are inserted, so that the heat sinks 8 are held on the upper wall 17 of the cooling plate 7.
  • the second and third step S3 can preferably be repeated until each slot of the slot structure 19 is occupied by a heat sink 8 slipped onto an assembly sword 30.
  • the repetition of steps S2 and S3 can be replaced by the use of an assembly tool which has several assembly swords, so that instead of repetition of steps S2 and S3, all heat sinks can be introduced into the slot structure in just one work step.
  • step S4 either storage cells 3, 4, 5 or a battery cell module 2 are placed onto the upper wall 17 from above.
  • the cooling bodies 8 sitting on the upper wall 17 are positioned between the storage cells 3, 4, 5, optionally arranged as a battery cell module 2.
  • This placement of the storage cells on the cooling plate takes place in a variant of the energy storage device in which the storage cells are provided in the form of prefabricated battery cell modules 2 made of prismatic storage cells, in such a way that the entire battery cell module 2 is placed on the cooling plate. This is illustrated in FIG. 13 by the left variant of step S4.
  • step S4 In the case of a battery cell module that is formed from pouch cells, on the other hand, separate pouch cells are preferably placed on the cooling plate, so that the pouch cells are only then combined to form a cell module. This is illustrated in FIG. 13 by the right-hand variant of step S4.
  • the energy storage device is manufactured using a so-called cell-to-pack process, the storage cells being installed directly in a battery pack and thus the costs for the module components being skipped as an intermediate step, then the storage cells are placed on the Cooling plate by placing separate memory cells, regardless of whether they are designed as prismatic memory cells or pouch memory cells. This is also illustrated in FIG. 13 by the right-hand variant of step S4.
  • step S5 the mounting sword 30 is pulled out downwards.
  • step S6 the second wall 18 of the cooling plate 7 is placed onto the first wall 17 from below. In a manner known per se, the first and second walls 17, 18 are then joined to one another to produce the flow guide plane.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung und ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, oder eine stationäre Vorrichtung mit einer solchen Energiespeichervorrichtung. Die Energiespeichervorrichtung (1) weist eine Mehrzahl von stapelartig nebeneinander angeordneten Speicherzellen (3, 4, 5) und eine Kühlvorrichtung (6) zur Kühlung der Speicherzellen (3, 4, 5) auf. Die Kühlvorrichtung (6) weist eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte (7) auf, die seitlich, vorzugsweise bodenseitig, in Bezug auf die Speicherzellen (3, 4, 5) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlvorrichtung ferner zumindest einen mit dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkörper (8) aufweist, der zwischen zwei benachbarten Speicherzellen (3, 4, 5) zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen (3, 4, 5) angeordnet ist, mit der Kühlplatte (7) fluidisch in Verbindung steht und als Kühlkörper (8) mit einer elastischen Hülle (9) ausgebildet ist.

Description

Energiespeichervorrichtung mit einem Batterie-Zellenmodul und einer Kühlvorrichtung, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, und Verfahren zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung und ein Fahr zeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, oder eine stationäre Vorrichtung mit einer solchen Ener giespeichervorrichtung.
Aus der Praxis bekannte Fahrzeugbatterien, wie sie z. B. als Energiespeicher bzw. als Trakti onsbatterie in Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, verfügen typi scherweise über ein Batteriepack, in dem mehrere stapelartig angeordnete Batterie-Speicher zellen angeordnet sind. Die Batterie-Speicherzellen können zu Modulen zusammengefasst sein oder im Rahmen einer sog. cell-to-pack, CTP, -Technologie direkt in ein Batteriepack ein gebaut sein. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen und eine Beschädigung ei ner solchen Fahrzeugbatterie zu vermeiden sowie um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen, muss diese in einem definierten Temperaturbereich betrieben werden. Hier ist es beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt, unterhalb der Batteriezellen eine Kühl platte, optional mit einer darauf aufgebrachten Wärmeleitpaste, anzuordnen, die von einem Kühlfluid durchströmt wird, um die Batteriezellen zu kühlen. In diesen bekannten Lösungen wird typischerweise die flächenmäßig wesentlich kleinere, der Kühlplatte zugewandte Zellun terseite der Speicherzellen gekühlt, während die flächenmäßige wesentlich größeren Seiten flächen der Speicherzellen ungekühlt bleibt. Es ergibt sich nachteilhaft eine stark inhomogene Temperaturverteilung innerhalb der Speicherzellen und z. B. innerhalb der Batterie-Zellenmo- dule.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass das Ableiten von in den Batteriezellen entstehender Wärme mittels Kühlfinnen verbessert werden kann. So schlägt beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 10 2012 218 764 A1 vor, jeweils eine Kühlfinne über einen flächi gen Grundkörper thermisch mit der Seite einer Batterie-Speicherzelle zu koppeln, wobei der Grundkörper einen Kühlkanal aufweist. Die Leistungsfähigkeit dieser Lösung ist dabei in nach- teilhafter Weise durch den Wärmeübergang, bzw. durch den Wärmeübergangskoeffizienten, der Kontaktfläche zwischen Kühlfinne und Grundkörper begrenzt. Ferner ermöglichen die Kühlfinnen lediglich eine passive Kühlung der Speicherzellen, woraus nachteilhaft ein Zeitver zug bei einer Wärmeeinleitung und Wärmeausleitung, eine inhomogene Temperaturverteilung und eine geringe Kühlleistung resultiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Technik zur Temperierung, insbesondere zur Kühlung, von derartigen Energiespeichervorrichtungen bereitzustellen, mit der Nachteile bekannter Ansätze zur Temperierung, insbesondere zur Kühlung, vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, bekannte Energiespeichervorrichtungen hin sichtlich der Leistungsfähigkeit der Kühlung der Speicherzellen zu verbessern.
Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhän gigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung er geben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zusätzliche Kühlkörper im Zwischenraum zwi schen den nebeneinander angerordneten Batteriezellen vorzusehen, die aktiv gekühlt werden und hierzu mit der Kühlplatte, die seitlich, z. B. bodenseitig, in Bezug auf die Batteriezellen angeordnet ist, fluidisch verbunden sind. Dies bietet den Vorzug einer besonders effektiven Kühlung, die eine möglichst homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle be wirkt. Ferner sind diese Kühlkörper mit einer elastischen Hülle ausgebildet, d.h. die Kühlkörper können als sog. Folienkühlkörper oder Pouch-Kühlkörper ausgebildet sein. Dies bietet den zusätzlichen Vorzug, dass sich die Kühlkörper besonders gut an sich verändernde Oberflä chenformen der Batterie-Zellen, z. B. bedingt durch sog. Swelling-Effekte, anpassen können. Zudem können die elastischen Kühlkörper u.a. Montage- und Bauteiltoleranzen kompensie ren.
Entsprechend wird gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung eine Ener giespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie bereitgestellt. Vorzugsweise handelt es sich um eine Energiespeichervorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch an getriebenes Fahrzeug. In anderen Worten kann die Energiespeichervorrichtung in an sich be kannter Weise dazu ausgebildet sein, elektrische Energie zu speichern, die in entsprechenden Antriebskomponenten des Fahrzeugs, z. B. in einer E-Maschine, in Antriebsenergie gewandelt werden kann. Anders ausgedrückt kann die Energiespeichervorrichtung zur temporären Auf nahme von Traktionsenergie ausgebildet sein. Die Energiespeichervorrichtung weist eine Mehrzahl von stapelartig nebeneinander angeord neten Speicherzellen auf. Die Speicherzellen können ferner zu einem Modul (Batterie-Zellen modul) zusammengefasst und vorzugsweise vorgruppiert sein. Das Batterie-Zellenmodul kann neben dem Speicherzellen-Verbund an sich optional zusätzlich auch weitere zur Speicherung elektrischer Energie notwendige und an sich bekannte Komponenten umfassen, wie beispiels weise Platinen, Schaltungen, Relais, Leitungen, Grund- oder Endplattenplatten, Busbars, Ter minals, Deck- oder Seitenabdeckungen, Kunststoffplatten und/oder Leiterplatten etc.
Alternativ können die Speicherzellen auch im Rahmen einer sog. cell-to-pack, Technologie direkt in ein Batteriepack verbaut sein. Es wird hierbei auf die Vorgruppierung der Zellen über ein Batteriemodul verzichtet und die Montage der Speicherzellen erfolgt direkt im Batterie pack. Cell-to-Pack-T echnologien kommen in jüngerer Zeit vermehrt zum Einsatz, um die Mas senenergiedichte zu erhöhen, um die Effizienz der Volumenausnutzung zu verbessern und um die Anzahl der Teile für Batteriepacks zu reduzieren - im Vergleich zu herkömmlichen, aus vorgruppierten Batterie-Zellenmodulen zusammengesetzten Batteriepacks.
Die Speicherzellen können parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sein und zu einem Zellenverbund zusammengefasste Einzel-Speicherzellen aufweisen. Die Speicherzellen kön nen z. B. als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein. Die Zellen können vorzugsweise mit einem Spalt von 0,5 bis 1 ,5 mm zueinander beabstandet sein.
Ferner weist die Energiespeichervorrichtung eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Speicher zellen auf. Unter dem Begriff der Kühlung ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, die Ab fuhr von Wärme der Speicherzellen zu verstehen. Es ist nämlich auch denkbar, dass die Er findung - insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder beim Kaltstart des Fahrzeugs - zur Erwärmung oder Vorwärmung der Speicherzellen dient, bspw. um die Speicherzellen auf Be triebstemperatur zu bringen oder zu halten. Die Kühlvorrichtung kann somit allgemein als Tem periervorrichtung der Speicherzellen dienen.
Die Kühlvorrichtung weist ferner eine Kühlplatte auf, die mit einem Kühlmittel durchströmbar ist. Die Kühlplatte kann dazu z. B. in ihrem Innenvolumen entsprechende Fluidführungskanäle aufweisen. Die Kühlplatte ist seitlich, vorzugsweise bodenseitig, in Bezug auf die Speicherzel len angeordnet. Sind Speicherzellen zu einem Batterie-Zellenmodul angeordnet, kann die Kühlplatte an einer Seitenfläche des Batterie-Zellenmoduls angeordnet sein. Bei der Seiten fläche kann es sich um die Bodenfläche (untere Seitenfläche) des Batterie-Zellenmoduls han deln. In anderen Worten ist die Kühlplatte dazu ausgebildet, z. B. die durch die Speicherzellen abgestrahlte Wärme aufzunehmen und die Wärme über das durch die Kühlplatte strömende Kühlmittel abzuleiten oder Wärme an die Speicherzelle abgeben.
Erfindungsgemäß weist die Kühlvorrichtung ferner zumindest einen Kühlkörper auf, der zwi schen zwei benachbarten Speicherzellen zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen ange ordnet ist, mit der Kühlplatte fluidisch in Verbindung steht und als Kühlkörper mit einer elasti schen Hülle ausgebildet ist. Jeder der mindestens einen Kühlkörper ist somit ebenfalls mit dem Kühlmittel durchströmbar und kann dazu z. B. ebenfalls in seinem Innenvolumen entspre chende Fluidführungskanäle aufweisen. Der Kühlkörper ist zwischen zwei benachbarten Spei cherzellen zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen angeordnet. Bevorzugt liegen die Kühlkörper jeweils an den sich zugewandten Seitenflächen von benachbarten Speicherzellen flächig an, sodass ein Wärmeaustausch zwischen Speicherzellen und Kühlkörper stattfinden kann. Dazu kann der Kühlkörper beispielsweise dazu ausgebildet sein, die durch die Speicher zellen abgegebene Wärme aufzunehmen und über das durch die Kühlplatte strömende Kühl mittel abzuleiten. Kühlmittel kann von der Kühlplatte in den Kühlkörper und von diesem zurück in die Kühlplatte treten. Dazu kann der Kühlkörper beispielsweise einen oder mehrere Kühl mitteleingänge und einen oder mehrere Kühlmittelausgänge aufweisen, über welche Kühlmit tel von der Kühlplatte in den Kühlkörper und von diesem zurück in die Kühlplatte fließen kann.
Vorstehend wurde festgestellt, dass der Kühlkörper als Kühlkörper mit einer elastischen Hülle ausgebildet ist. Der Begriff "elastisch", wie er im Sinn der vorliegenden Erfindung verstanden wird, weist darauf hin, dass das Material der Hülle verformbar (biegsam) und/oder flexibel ist. Die Hülle kann entsprechend aus elastischem Material ausgeführt sein, um sich bestmöglich an das temperaturbedingt veränderbare Volumen und Geometrie der Speicherzelle anpassen zu können.
Die vorgeschlagene Energiespeichervorrichtung birgt gegenüber den bekannten Lösungen mehrere Vorteile. Durch die vorgeschlagene fluidische Verbindung zwischen dem zumindest einen Kühlkörper und der Kühlplatte ist eine besonders hohe Kühlleistung im Zwischenraum zwischen Speicherzellen erreichbar. Ferner ermöglichen die Kühlkörper mit elastischer Hülle eine adaptive flächige, formkorrespondierende Anlage der Kühlkörper an den Seitenflächen der Speicherzellen, wodurch ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Speicherzel len und den Kühlkörpern ermöglicht wird, der durch die elastische Hülle auch bei einer Aus dehnung oder Zusammenziehen der Speicherzellen aufrechterhalten werden kann. Ferner können die Kühlkörper durch ihre elastische Hülle optional die Funktion von in der Praxis zwi schen den Speicherzellen angeordneten Kompressionsschichten (sog. „compression-“ oder ,,swelling“-pads) übernehmen, die in der Praxis zwischen den Speicherzellen angeordnet wer den, um ein thermisches Ausdehnen und Zusammenziehen der Speicherzellen ausgleichen und eine konstante Flächenpressung zwischen den Speicherzellen zu garantieren. Zusätzli che können die Kühlkörper die Funktion thermischer Isolationskissen (sog. „thermal insulation pads) übernehmen und diese zumindest teilweise ersetzen. In vorteilhafter Weise können diese dadurch entfallen. Dies birgt Kosten-, Gewicht- und Packaging-Vorteile. Ferner ergibt sich vorteilhaft, dass eine Ausdehnung der Speicherzellen nicht zu einem progressiven An steigen der Flächenpressung führt oder dies zumindest reduziert wird. Innerhalb der Energie speichervorrichtung wirkt insofern eine möglichst konstante Pressung durch den Kühlmittel druck. Ferner resultiert aus der Kühlung der Speicherzellen-Zwischenräume eine hohe Wär mekapazität und eine Verzugszeit für thermische Alterungs- und Schädigungseffekte.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die elastische Hülle des Kühlkör pers eine Aluminium-Folie mit oder ohne Kunststoffbeschichtung oder Kunststofffolie umfas sen. Es ist denkbar, dass es sich z. B. um eine handelsübliche Aluminium-Folie mit Kunststoff beschichtung handelt, wie sie beispielsweise in der Verpackungsindustrie geläufig ist. Vorteil haft ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Speicherzelle und gleichzeitig eine besonders strapazier- und widerstandsfähige Hülle für den Kühlkörper.
Alternativ oder ergänzend kann der Kühlkörper der Energiespeichervorrichtung ein Folien- Kühlkörper und/oder Pouch-Kühlkörper sein. Der Begriff des Pouch-Kühlkörpers wird dabei in Analogie zur in der Batterietechnik weit verbreiteten Pouch-Batteriezelle, auch Pouch-Bag- Zelle oder Coffee-Bag-Zelle, verwendet und soll jegliche Art der flexiblen Außenumhüllung des Kühlkörpers umfassen. Die Wandstärke der Hülle kann dabei lediglich beispielhaft in einem Bereich zwischen 0,05 mm bis 0,2 mm, besonders bevorzugt bei ca. 0,1mm liegen. Vorteilhaft ergibt sich, dass der Kühlkörper thermisch bedingte Expansions- oder Kompressionsbewe gungen der Speicherzelle besonders gut kompensieren kann, sodass immer ein besonders guter Wärmeübergang bzw. Wärmeabfuhrbedingungen zwischen Speicherzelle und Kühlkör per gewährleistet ist. Der Spalt zwischen zwei Speicherzellen kann lediglich beispielhaft im Bereich von ca. 1 mm liegen.
Vorstehend wurde bereits ausgeführt, dass die Energiespeichervorrichtung zumindest einen, also einen oder mehrere, Kühlkörper umfasst. Nachfolgend wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben, gemäß welcher die Energiespeichervorrichtung mehrere Kühl körper umfasst. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform kann der zumindest eine Kühlkörper insofern mehrere Kühlkörper umfassen, wobei zwischen allen Speicherzellen jeweils ein Kühlkörper zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen angeordnet ist. In anderen Worten können innerhalb der Energiespeichervorrichtung Kühlkörper und Speicherzellen in alternierender Abfolge aufeinander folgen. Es ist denkbar, dass es sich dabei um eine regel mäßig alternierende Abfolge von Kühlkörpern und Speicherzellen handelt. Dies garantiert eine homogene Wärmeabfuhr bzw. Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrich tung und erhöht die Leistungsfähigkeit der Kühlung der Energiespeichervorrichtung weiter. In einer alternativen Variante ist es ferner möglich, dass eine sich um unregelmäßige Abfolge von Kühlkörpern und Speicherzellen handelt. In anderen Worten ist es beispielsweise alterna tiv denkbar, dass nur in jedem zweiten, dritten, oder vierten, etc. Zwischenraum zwischen be nachbarten Speicherzellen jeweils ein Kühlkörper vorgesehen ist.
Ferner kann jeweils ein Kühlkörper mit einer elastischen Hülle an den äußeren Speicherzellen außenseitig zur Seitenflächenkühlung angeordnet sein. D.h. optional kann auch an den Ab schluss-Seiten des Batterie-Zellenmoduls ein derartiger Kühlkörper angeordnet sein, und so das erste und das letzte Element der alternierenden Abfolge aus Kühlkörpern und Speicher zellen in der Energiespeichervorrichtung bilden. Dies verringert die Wärmeabstrahlung der Energiespeichervorrichtung gegenüber benachbarten Komponenten in vorteilhafter Weise.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Kühlkörper mindestens einen Falz oder Prägung aufweisen, die ausgebildet ist, einen Innenraum des Kühlkörpers in fluidisch miteinander ver bundene Teilräume zu unterteilen. Im ersten Teilraum befindet sich eine Kühlmitteleingang für Kühlmittel von der Kühlplatte und im letzten Teilraum der Kühlmittelausgang des Kühlkörpers, aus dem Kühlmittel zurück zur Kühlplatte geleitet wird.
Es ist denkbar, dass der Kühlkörper einen Falz oder Prägung oder mehrere Falzen oder Prä gungen aufweist. Der Falz oder die Prägung kann beispielsweise durch Umformung, Knickung, Faltung und/oder Erhitzung aufgebracht werden. Die Prägung weist vorzugsweise eine Dicke von ca. 0, 1 bis 0,2 mm auf. Der mindestens eine Falz oder die Prägung kann ausgebildet sein, um Kühlmittel bogenförmig, U-förmig oder mäanderförmig von einem Kühlmitteleingang des Kühlkörpers zu einem Kühlmittellausgang des Kühlkörpers zu leiten. Vorteilhaft ergibt sich eine gerichtete Strömung im Kühlkörper, was die Kühlwirkung insgesamt weiter erhöht.
Gemäß einerweiteren Variante dieser Ausführungsform kann der Kühlkörper genau eine, bei spielsweise in einem mittleren Bereich angeordnete, Falz oder Prägung aufweisen, die aus- gebildet ist, einen Innenraum des Kühlkörpers in zwei fluidisch miteinander verbundene Teil räume zu unterteilen, um Kühlmittel bogenförmig und/oder U-förmig von dem Kühlmittelein gang des Kühlkörpers zu dem Kühlmittellausgang des Kühlkörpers zu leiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Kühlpatte eine den Speicherzellen zugewandte erste Wandung aufweisen, die eine Schlitzstruktur zur Halterung des mindestens einen Kühlkörpers aufweist. Diese erste Wandung kann als separates Bauteil in Form einer Platte mit Schlitz struktur ausgeführt sein. Die Schlitze der Schlitzstruktur können jeweils eine zur Kühlkörper breite korrespondierende Breite aufweisen. Ein einen Kühlmitteleingang und Kühlmittelaus gang aufweisender Endbereich des Kühlkörpers kann ferner in einem der Schlitze gehaltert sein. In anderen Worten können die Kühlkörper senkrecht auf der Kühlplatte z. B. segelartig hintereinander auf die Schlitze der Kühlplatte aufgesetzt sein. Die Schlitze können so in vor teilhafter Weise einerseits der Halterung der Kühlkörper und andererseits der fluidischen Ver bindung zwischen Kühlkörper und Kühlplatte dienen.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Aspekts kann der Endbereich des Kühlkörpers eine Dichtlippe zur fluidischen Abdichtung des Schlitzes und damit der fluidischen Verbin dungsstelle zwischen Kühlplatte und Kühlkörper(n) aufweisen. Vorzugsweise kann die Dicht lippe als Elastomer-Dichtlippe, z. B. als Elastomer-Anspritzung ausgeführt sein. Es ist denkbar, dass die Dichtlippe bereits im Anlieferungszustand des Kühlkörpers auf den Kühlkörper auf gebracht ist. Alternativ ist denkbar, dass die Dichtlippe erst durch Umspritzung der Kühlkörper bei der Montage aufgebracht wird. Die Dichtlippe kann zur fluidischen Abdichtung des Schlit zes beispielsweise einen in etwa Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen, der in den Schlitz gepresst wird und den Schlitz in allen Raumrichtungen überlappt. Vorteilhaft ergibt sich eine einfache und effektive fluidische Abdichtung der Schlitze bzw. der fluidischen Verbindung zwi schen Kühlkörper und Kühlplatte.
Gemäß einer Weiterbildung des Aspekts der Dichtlippe kann diese Dichtlippe eine Nase auf weisen, die in eine formkorrespondierende Kerbung oder Hinterschneidung der ersten Wan dung zur Herstellung eines Formschlusses zwischen Dichtlippe und Kühlplatte eingreift. Dies erhöht vorteilhaft die Stabilität der Anbindung zwischen Kühlkörper und Kühlplatte, was die Gefahr verringert, dass eine Halterung des Kühlkörpers unter einem in der Kühlplatte anste henden Fluiddruck des Kühlmittels aus dem jeweiligen Schlitz gedrückt wird und undicht wird. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Kühlpatte eine den Speicherzellen abgewandte zweite, z. B. halbschalenförmige, Wandung umfassen. Diese zweite Wandung kann Prägun gen aufweisen, die ausgebildet sind, Kühlmittel innerhalb der Kühlplatte in einen Kühlmittel- vorlauf und einen Kühlmittelrücklauf zu leiten. In anderen Worten können durch die Prägungen z. B. Kanäle oder Bahnen für das Kühlmittel zur Leitung des Kühlmittels abgegrenzt werden. Vorzugsweise können die Prägungen ferner Mulden zur Halterung des mindestens einen Kühl körpers aufweisen. Die Mulden können beispielsweise korrespondierend zur Position und Ab messungen der Falz der Kühlkörper ausgebildet sein. Die Prägungen können somit eine Dop pelfunktion ausbilden: Fluidführung und Halterung der Kühlkörper. Vorteilhaft ergibt sich eine besonders einfache und kostensparende Möglichkeit der Fluidführung innerhalb der Kühlplatte und der Halterung der Kühlkörper auf der Kühlplatte. Die Kühlplatte kann somit aus einer ers ten Platte mit Schlitzstruktur (erste Wandung) und einer zweiten Platte mit Prägestruktur (zweite Wandung) zusammengesetzt sein.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann die Kühlplatte so ausgeführt sein, dass der Kühl- mittelvorlauf innerhalb der Kühlplatte einen an einem Randbereich der Kühlpatte angeordne ten Kühlmittelkanal mit einer Mehrzahl dazu orthogonal angeordneter Seitenäste aufweist und der Kühlmittelrücklauf einen an einem zum Kühlmittelvorlauf gegenüberliegenden Randbe reich angeordneten Kühlmittelkanal mit einer Mehrzahl dazu orthogonal angeordneter Seiten äste aufweist. Zudem können die Seitenäste des Kühlmittelvorlaufs und die Seitenäste des Kühlmittelrücklaufs derart ineinander verschränkt sein, dass ein Seitenast des Kühlmittelvor laufs immer unmittelbar benachbart zu einem Seitenast des Kühlmittelrücklaufs angeordnet ist. In anderen Worten kann sich innerhalb der Kühlplatte eine alternierende Abfolge aus Sei tenästen des Kühlmittelvorlaufs und Kühlmittelrücklaufs ergeben. Z. B. können Kühlmittelvor lauf und Kühlmittelrücklauf in Form zweier ineinander geschobener Buchstaben „n“, weiter vorzugsweise zweier ineinander geschobener Buchstaben „E“ ausgebildet sein. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit der Kühlvorrichtung über eine verbesserte Wärmeübertragung weiter.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Aspekts können die Seitenäste des Kühlmit telvorlaufs und die Seitenäste des Kühlmittelrücklaufs der Kühlplatte über die Kühlkörper flui- disch miteinander in Verbindung stehen. Auf diese Weise wird eine besonders lange Kühlstre cke innerhalb des Batterie-Zellenmoduls realisiert.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Kühlkörper zumindest teilweise von einem zwi schen benachbarten Speicherzellen angeordneten Rahmen umgeben sein, der zur Aufnahme von Kräften zwischen benachbarten Speicherzellen ausgebildet ist, vorzugsweise zur Auf nahme von Verpresskräften zwischen benachbarten Speicherzellen. Ein derartiger Druckrah men wird daher nachfolgend als Druckrahmen bezeichnet. Vorzugsweise ist der Druckrahmen ein Kunststoff-Druckrahmen. Es ist möglich, dass der Druckrahmen z. B. in seiner Struktur und Form an die Ausführung des Speicherzellen-Moduls und dessen Anbindung im Batteriepack angepasst ist. Es ergibt sich vorteilhaft, dass die Kräfte einer Verpressung der Batterie-Zellen- module über die Druckrahmen und nicht die Kühlkörper abgeleitet werden, was die Lebens dauer der Energiespeichereinrichtung erhöht. Durch die Druckfestigkeit des Druckrahmens ist ferner, insbesondere im Falle prismatischer Speicherzellen, eine Verspannung der Speicher zellen möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Druckrahmen an einem Rand des Kühlkörpers be festigt sein. Vorzugsweise kann der Druckrahmen an einer äußeren Randprägung oder Rand falz des Kühlkörpers durch eine Umspritzung befestigt sein. Dieser Fall der Anspritzung von Kühlkörper zu Druckrahmen findet vorzugsweise nur dann Anwendung, wenn der Druckrah men zusammen mit den Kühlkörpern montiert wird, und nicht bei der Verpressung des Batte riezellen in der Modulherstellung. Hierbei kann ein separates Bauteil als Druckrahmen durch die Umspritzung am Kühlkörper befestigt werden oder die Umspritzung selbst kann den Druck rahmen ausbilden.
Alternativ zur Befestigung des Druckrahmens am Rand des Kühlkörpers kann der Druckrah men lose an dem Kühlkörper anliegen und durch Verpressung der benachbarten Speicherzel len in Position gehalten sein. In anderen Worten kann der Druckrahmen bspw. keine mecha nische Verbindung zum Kühlkörper aufweisen und nach unten, d.h. in Richtung zur Kühlplatte, frei stehen. Es ist denkbar, dass der Druckrahmen während der Montage der Batterie-Zellen eingelegt wird oder bereits im Anlieferungszustand Teil des Gruppierung der Speicherzellen, z. B. Teil des Batterie-Zellenmoduls, ist. Dies stellt eine besonders einfache und kostengüns tige Anordnung des Druckrahmens dar. Ferner kann der bisher geläufige Montageprozess be kannter Batterie-Zellenmodule oder bekannter Cell-to-Pack-Batteriepacks aufgrund des Druckrahmens auch für das hier vorgeschlagene Batterie-Zellenmodul oder Cell-to-Pack-Bat- teriepacks übernommen werden.
Der Druckrahmen ist bevorzugt an die Außenkontur des Kühlkörpers angepasst. Gemäß ei nem weiteren Aspekt kann der Druckrahmen in Form der Buchstaben „M“, also M-förmig, oder io
„n“ ausgebildet sein. Diese Formgebungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Der Druck rahmen kann auch andere Formen aufweisen und in seiner Formgebung von der Form der Batterie abhängig sein oder an diese angepasst sein.
Bei den Speicherzellen kann es sich um sog. Pouch-Speicherzellen oder prismatische Spei cherzellen handeln. Sind die Speicherzellen beispielsweise zu einem Batterie-Zellenmodul zu sammengefasst, kann das Batterie-Zellenmodul prismatische Speicherzellen oder Pouch- Speicherzellen aufweisen. Sind die Speicherzellen alternativ im Rahmen einer sog. cell-to- pack, Technologie direkt in ein Batteriepack verbaut, können die Speicherzellen auch hier als prismatische Speicherzellen oder als Pouch-Speicherzellen ausgeführt sein.
Unter den Begriff der prismatischen Speicherzellen, wie er im Sinne dieses Dokuments ver wendet wird, sollen insbesondere solche Speicherzellen fallen, die ein festes prismenförmiges oder quaderförmiges Gehäuse, z. B. aus einem formstabilen Kunststoff, aufweisen. Demge genüber sollen unter den Begriff der Pouch-Speicherzellen, wie er im Sinne dieses Dokuments verwendet wird, insbesondere solche Speicherzellen fallen, die von einer flexiblen Außenfolie umschlossen sind. Daneben wird auf die - in der Batterietechnik hinlänglich bekannten - Un terschiede im inneren Aufbau der prismatischen und Pouch-Speicherzellen verwiesen. In Be zug auf prismatische Speicherzellen und Pouch-Speicherzellen ergeben sich durch die zu sätzliche erfindungsgemäße aktive Seitenkühlung eine verbesserte Wärmeabfuhr und insbe sondere die Vorteile einer homogeneren Speicherzellen-Temperaturverteilung, einem kon stanteren Speicherzellen-Temperaturniveau, einer längeren Speicherzellen-Lebensdauer und einer gezielteren Temperatur-Konditionierung der Speicherzelle (u. a. auch beim Ladevor gang).
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, aufweisend eine Energiespeichervorrichtung wie in diesem Dokument beschrieben. Das Fahrzeug ist vorzugsweise zumindest teilweise elektrisch angetrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Kraftfahrzeug, beispiels weise um einen Personenkraftwagen (PKW) oder um ein Nutzfahrzeug. In letztgenanntem Fall kann es sich bei dem Fahrzeug mit anderen Worten um ein Kraftfahrzeug handeln, das durch seine Bauart und Einrichtung zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Lastkraftwagen, einen Omnibus und oder einen Sattelzug handeln, der zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug oder Flugzeug ist. Ferner ist es ebenso denkbar, dass die Erfindung als stationäre Energiespeichervorrichtung oder Batteriespeicher ausgebildet ist oder dass die Energiespeichervorrichtung Teil einer sta tionären, also nicht-mobilen, Vorrichtung ist. Ein Beispiel hierfür wäre eine fest installierte Energiespeichervorrichtung, beispielsweise im Kombination mit einer Solar- oder Windraftan lage.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Zur Herstellung einer Energiespei chervorrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei der die Kühl platte eine dem Batterie-Zellenmodul zugewandte erste Wandung mit Schlitzstruktur zur Hal terung der Kühlkörper aufweist, zeichnet sich das Verfahren durch folgenden Schritt zur An ordnung der Kühlkörper auf der Kühlplatte aus:
Der mindestens eine Kühlkörper wird an der Kühlplatte befestigt durch Hindurchstecken des Kühlkörpers durch einen Schlitz der Schlitzstruktur bis der den Kühlmitteleingang und Kühl mittelausgang aufweisende Endbereich des Kühlkörpers am Schlitz positioniert ist und/oder anliegt.
Hierbei kann das Hindurchstecken jeweils eines Kühlkörpers durch einen Schlitz mittels eines Montageschwertes erfolgen, auf welches der Kühlkörper vor dem Hindurchstecken aufgestülpt wird und welches nach dem Hindurchstecken und Befestigung des Kühlkörpers an der Kühl platte wieder herausgezogen wird. Dies birgt den Vorteil, dass ein zusammenfallen des Kühl körpers mit elastischer Hülle bei der Herstellung der Energiespeichervorrichtung verhindert wird und eine einfache Montage ermöglicht wird.
Bei einer Gruppierung der Speicherzellen als Batterie-Zellenmodul mit prismatischen Spei cherzellen erfolgt anschließend das Aufsetzen des Batterie-Zellenmoduls auf den mindestens einen hindurchgesteckten Kühlkörper . Es ist auch denkbar, zuerst das Batterie-Zellenmodul aufzusetzen und anschließend von unten die Kühlkörper durch Hindurchstecken durch die Schlitzstruktur in den Zwischenräumen zwischen den Speicherzellen zu positionieren.
Kommen Pouch-Zellen zum Einsatz, werden diese separat auf die Kühlplatte aufgesetzt und anschließend zu einem Zellenmodul zusammengefasst.
Bei der Ausführungsvariante als Cell-to-Pack-Batteriemodul werden die Speicherzellen sepa rate im Rahmen des cell-to-pack, CTP, -Verfahrens auf die Kühlplatte aufgesetzt, beispiels weise einzeln aufgesetzt. Das vorgeschlagene Verfahren kann ferner optional das Aufträgen einer Wärmeleitpaste (sog. „Gapfiller“) auf die Kühlplatte umfassen.
Das vorgeschlagene Verfahren und seine Weiterbildungen sind sowohl auf prismatische Spei cherzellen als auch auf Pouch-Speicherzellen anwendbar.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrich tungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und bean spruchbar sein. Die vorgenannten Aspekte und erfindungsgemäßen Merkmale, insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung der Kühlkörper und Kühlplatte und deren Anordnung zueinander gelten somit auch für das Verfahren.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Kühlvorrichtung der Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungs form der Erfindung;
Figur 2 eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform in der Explosions darstellung;
Figur 3 eine untere Wandung der Kühlplatte der Kühlvorrichtung zur Illustration der Kühl mittelführung innerhalb der Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Er findung;
Figur 4 einen Kühlkörper der Kühlvorrichtung in einer Seitenansicht gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung;
Figur 5 den Kühlkörper aus Figur 4 in einer perspektivischen Ansicht;
Figur 6 einen Kühlkörper der Kühlvorrichtung mit Druckrahmen gemäß einer weiteren Aus führungsform der Erfindung;
Figur 7 eine Detailansicht der Figur 6 zur Illustration der Halterung bzw. fluidischen Ver bindung eines Kühlkörpers an bzw. mit der Kühlplatte;
Figur 8 einen Kühlkörper der Kühlvorrichtung mit Druckrahmen gemäß einer weiteren Aus führungsform der Erfindung; Figur 9 eine Detailansicht der Figur 8 zur Illustration der Halterung bzw. fluidischen Ver bindung eines Kühlkörpers an bzw. mit der Kühlplatte;
Figur 10 eine Energiespeichervorrichtung mit einer Detailvergrößerung zur Illustration der Halterung und fluidischen Verbindung eines Kühlkörpers zur Kühlplatte gemäß ei ner weiteren Ausführungsform;
Figur 11 ergänzende Ansicht der Positionierung einer Pouch-Speicherzelle zwischen zwei auf einer Kühlplatte angeordneten Kühlkörpern gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform;
Figur 12 ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung der Energie speichervorrichtung; und
Figur 13 ergänzende schematische Darstellungen der Verfahrensschritte aus Fig. 12.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei chen bezeichnet und sind zum Teil nicht gesondert beschrieben.
Die Figuren 1, 2, 3, 4 und 5 zeigen eine erste, die Figuren 6 und 7 eine zweite, die Figuren 8 und 9 eine dritte, die Figur 10 eine vierte und die Figur 11 eine fünfte Ausführungsform der vorgeschlagenen Energiespeichervorrichtung 1, wobei die Figuren zum Teil lediglich der bes seren Veranschaulichung des jeweils charakteristischen Teilaspekts der jeweiligen Ausfüh rungsform dienen. Auf die Darstellung von für diese charakteristischen Teilaspekte nicht we sentlicher Komponenten wurde insofern zur besseren Sichtbarkeit dieses charakteristischen Aspekts verzichtet.
Nachfolgend wird zunächst auf die Figuren 1 , 2, 3, 4 und 5 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt eine Energiespeichervorrichtung 1 zur Speicherung elektrischer Energie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (nicht dargestellt). Die Energiespeicherung 1 kann in sofern ausgebildet sein, elektrische Energie, vorzugsweise Traktionsenergie, temporär aufzu nehmen. Die Energiespeichervorrichtung 1 verfügt in an sich bekannterWeise übereine Mehr zahl von stapelartig nebeneinander angeordnete Speicherzellen 3. Die Speicherzellen können z. B. als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein. Die Speicherzellen 3 sind zu einem Bat terie-Zellenmodul 2 zusammengefasst und parallel und/oder seriell miteinander verschaltetet. In Figur 1 sind die Speicherzellen 3 als prismatische Zellen 5 dargestellt. Alternativ können die Speicherzellen 3 auch als Pouch-Speicherzellen 4 (vgl. Fig. 11) ausgeführt sein. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass alternativ zur Verwendung von Batterie-Zellenmodule auch sog. cell-to-pack-Verfahren zu Anwendung kommen können, bei der die Speicherzellen direkt in ein Batteriepack eingebaut und somit die Kosten für die Modul-Komponenten als Zwischen schritt übersprungen werden können.
Das Batterie-Zellenmodul 2 umfasst neben dem Speicherzellen-Verbund an sich auch zusätz lich weitere an sich bekannte und zur Speicherung elektrischer Energie notwendige Kompo nenten, wie beispielsweise Grund- oder Endplattenplatten 33, Platinen bzw. Busbars 35 und Leiterplatten 36, Deck- oder Seitenabdeckungen 31 , 32, Schutzplatten 34 etc. fallen, die teil weise exemplarisch in Fig. 2 dargestellt sind.
In den Speicherzellen 3 entsteht im Betrieb Verlustwärme. Bei niedriger Umgebungstempera tur kann auch eine Wärmeaufnahme erfolgen, die Energiespeichervorrichtung also geheizt werden. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen und eine Beschädigung der Speicherzellen 3 zu vermeiden sowie um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen, müssen dieselben in einem definierten Temperaturbereich betrieben werden.
Die Energiespeichervorrichtung 1 weist hierzu eine Kühlvorrichtung 6 zur Temperierung, ins besondere zur Kühlung, der Speicherzellen 3 auf, die in Figur 1 dargestellt ist. Die Kühlvor richtung 6 weist eine mit einem Kühlmittel durchströmbare, an einer Seitenfläche, hier an einer Bodenfläche, des Batterie-Zellenmoduls 2 angeordnete, zur Bodenkühlung des Batterie-Zel lenmoduls 2 ausgebildete Kühlplatte 7 auf. Dazu kann die Kühlplatte 7 z. B. einen Kühlmittel anschluss 37 aufweisen, über den Kühlmittel in die Kühlplatte 7 fließen kann und einen Kühl mittelabfluss 38 aufweisen über den Kühlmittel aus der Kühlplatte 7 herausfließen kann. Die Kühlplatte 7 kann fluidisch an einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein, dessen weitere Komponenten hier nicht dargestellt sind.
Ferner weist die Kühlvorrichtung im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Kühlkör per 8 auf (hier lediglich beispielhaft 42 Stück). Die Kühlkörper 8 haben eine elastische äußere Hülle. Derartige Kühlkörper 8 können daher auch als Folien-Kühlkörper oder Pouch-Kühlkör per bezeichnet werden. Nachfolgend wird daher auch der Begriff Pouch-Kühlkörper verwen det. Die elastische Hülle kann z. B. eine Aluminium-Folie und eine Kunststoffbeschichtung aufweisen. Die Pouch-Kühlkörper 8 sind korrespondierend zur der Anordnung der Speicherzellen in Rei hen neben- und hintereinander auf der Kühlplatte angeordnet, so dass im Zwischenraum zwi schen zwei benachbarten Speicherzellen jeweils ein Pouch-Kühlkörper 8 angeordnet ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in den Figuren 1, 2, 10 und 11 nicht ausnahmslos alle Kühl körper 8 mit Bezugszeichen versehen.
In Fig. 2 wird die Positionierung der Kühlkörper 8 zwischen den Speicherzellen 3, 5 der Ener giespeichervorrichtung 1 dieser ersten Ausführungsform deutlich. Gezeigt ist ein Teil der Ener giespeichervorrichtung 1 in der (teilweisen) Explosionsdarstellung.
In dieser Ausführungsform ist jeweils ein Kühlkörper 8 zwischen allen benachbarten Speicher zellen 3 zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen 3 angeordnet. Im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel folgen in der Energiespeichervorrichtung 1 also Speicherzellen 3 und Kühlkörper 8 in alternierender Abfolge hintereinander. Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass jeweils ein Pouch-Kühlkörper 8 an den Außenflächen der äußeren Speicherzellen 10 zur Seitenflä chenkühlung angeordnet ist (hier nicht dargestellt).
Die Kühlkörper 8 liegen an den Seitenflächen der Speicherzellen 3, 5 an. Durch die, insbeson dere im Vergleich zur ausschließlichen Bodenkühlung, relativ große Anlagefläche geht eine vergleichsweise große Wärmemenge der Speicherzellen 3, 5 an die Kühlkörper 8 über. Den Speicherzellen 3, 5 wird insofern eine relativ große Wärmemenge entzogen.
Die Kühlkörper 8 stehen mit der Kühlplatte 7 fluidisch in Verbindung und sind mit dem Kühl mittel durch ström bar. Die durch die Kühlkörper 8 aufgenommene Wärme geht auf das Kühl mittel über und wird abtransportiert.
Dazu umfasst die Kühlplatte 7 eine dem Batterie-Zellenmodul 2 zugewandte erste Wandung 17 (siehe z. B. Fig. 7) und eine dem Batterie-Zellenmodul 2 abgewandte halbschalenförmige zweite Wandung 18 (siehe z. B. Fig. 3).
In Fig. 3 ist ersichtlich, dass die zweite Wandung 18 Prägungen 23 aufweist, die ausgebildet sind, Kühlmittel innerhalb der Kühlplatte 7 in einen Kühlmittelvorlauf und einen Kühlmittelrück lauf zu leiten. Die Prägungen 23 der zweiten Wandung 18 weisen ihrerseits vorzugsweise Mulden 24 zur Halterung der Kühlkörper 8 auf.
Fig. 3 illustriert die Kühlmittelführung innerhalb der Kühlvorrichtung 6. Der Kühlmittelvorlauf weist einen an einem Randbereich der Kühlplatte 7 angeordneten Kühlmittelkanal 25 mit einer Mehrzahl dazu orthogonal angeordneter Seitenäste 26 auf. Der Kühlmittelrücklauf weist einen an einem zum Kühlmittelvorlauf gegenüberliegenden Randbereich angeordneten Kühlmittel kanal 27 mit einer Mehrzahl dazu orthogonal angeordneter Seitenäste 28 auf. Die Seitenäste 26 des Kühlmittelvorlaufs und die Seitenäste 28 des Kühlmittelrücklaufs sind derart ineinander verschränkt, dass ein Seitenast 26 des Kühlmittelvorlaufs immer unmittelbar benachbart zu einem Seitenast 28 des Kühlmittelrücklaufs angeordnet ist. In anderen Worten ergibt sich in dieser Ausführungsform eine alternierende Abfolge aus Seitenästen 26 des Kühlmittelvorlaufs und Seitenästen 28 des Kühlmittelrücklaufs. In anderen Worten weist der Kühlmittelvorlauf und der Kühlmittelrücklauf in der Draufsicht die Form zweier ineinander geschobener Buchstaben „E“ auf, wobei diese Kühlmittelführung lediglich beispielhaft ist.
Die Seitenäste 26 des Kühlmittelvorlaufs und die Seitenäste 28 des Kühlmittelrücklaufs der Kühlplatte 7 stehen über die Kühlkörper 8 fluidisch miteinander in Verbindung. Dazu ist ein Kühlmitteleingang 15 des Kühlkörpers 8 fluidisch mit einem Seitenast 26 des Kühlmittelvor laufs verbunden, während ein Kühlmittellausgang 16 des Kühlkörpers 8 fluidisch mit einem Seitenast 28 des Kühlmittelrücklaufs der Kühlplatte 7 in Verbindung steht.
In anderen Worten tritt Kühlmittel über den Kühlmittelanschluss 37 in die Kühlplatte 7 ein und fließt in den Kühlmittelvorlauf und die orthogonal angeordneten Seitenäste 26. Das Kühlmittel tritt anschließend über den Kühlmitteleingang des Kühlkörpers 15 in den Kühlkörper 8 ein, nimmt die Wärme der Speicherzellen 8 auf und fließt erwärmt über den Kühlmittelausgang 16 des Kühlkörpers 8 in den Kühlmittelrücklauf der Kühlplatte 7. Der Kühlmittelrücklauf führt das erwärmte Kühlmittel über den Kühlmittelabfluss 38 einem Kühlkreislauf (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs zu. Die Speicherzellen 3 werden insofern aktiv temperiert, bzw. im Kühlmodus gekühlt.
Fig. 4 zeigt einen einzelnen Kühlkörper 8 der Energiespeichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform aus Fig. 1 in einer Seitenansicht. Fig. 5 dient der ergänzenden Ansicht in perspektivischer Darstellung des Kühlkörpers 8.
Der Pouch-Kühlkörper 8 ist, wie vorstehend erwähnt, mit einer elastischen Hülle 9 ausgebildet. Die Wandstärke der elastischen Hülle liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel bei ca. 0,1 mm. Der Pouch-Kühlkörper kann sich aus diesem Grund der Seitenwand einer (in Fig. 4 nicht dar gestellten) Speicherzelle 3, 4 ,5 besonders gut anlegen - auch für den Fall, dass die Speicher zelle 3, 4 ,5 sich thermisch bedingt ausdehnt oder zusammenzieht. Der Kühlkörper 8 weist in der gezeigten Ausführungsform in dem mittleren Bereich seiner Sei tenfläche eine Falz 11 auf. In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsformen kann der Kühlkörper 8 auch mehrere Falzen 11 aufweisen.
Die Falz 11 unterteilt den Innenraum des Kühlkörpers 8 in fluidisch miteinander verbundene Teilräume 13, 14. In anderen Worten erstreckt sich die Falz 11 nicht über die gesamte Höhe des Kühlkörpers 8, sodass Kühlmittel oberhalb der Falz 11 vom ersten Teilraum 13 in den zweiten Teilraum 14 treten kann.
Die Falz 11 ist ausgebildet, Kühlmittel U-förmig vom Kühlmitteleingang 15 des Kühlkörpers 8 zum Kühlmittellausgang 16 des Kühlkörpers 8 zu leiten (siehe auch Fig. 3). In anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsformen können mehrere Falze vorgesehen sein, um Kühlmittel mäanderförmig vom Kühlmitteleingang 15 des Kühlkörpers 8 zum Kühlmittellausgang 16 des Kühlkörpers 8 zu leiten.
Der Pouch-Kühlkörper 8 weist ferner einen Randfalz 12 auf, der das Innenvolumen des Kühl körpers 8 abdichtet. Falz 11 und Randfalz 12 sind vorliegend durch Faltung unter Erhitzung aufgebracht worden. In weiteren Ausführungsformen können der Falz 11 und der Randfalz 12 aber auch bspw. durch Umformung, Knickung, Faltung und/oder Erhitzung aufgebracht wer den.
Fig. 6 zeigt einen Kühlkörper 8 der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer zweiten Aus führungsform.
In dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper 8 teilweise von einem zwischen benachbarten Speicherzellen 3, 4, 5 angeordneten Druckrahmen 29 umgeben. Der Druckrahmen 29 ist vor liegend als Kunststoff-Druckrahmen 29 ausgeführt.
Wird das Batterie-Zellenmodul 2 in dieser Ausführungsform zur Erhöhung der Steifigkeit in der Herstellung verpresst, werden die Verpresskräfte nicht durch die zwischen den Speicherzellen 3, 4, 5 angeordneten Kühlkörper 8, sondern durch den Kunststoff-Druckrahmen 29 aufgenom men. Die Kühlkörper 8 werden insofern vor Beschädigung geschützt und deren Durchfluss querschnitt offen gehalten.
Fig. 7 zeigt eine Detailansicht der Figur 6, insbesondere des linken unteren mit einem gestri chelten Kreis gekennzeichneten Bereichs der Figur 6, zur Illustration der Halterung des Pouch- Kühlkörpers 8 an der Kühlplatte und der fluidischen Verbindung. Der Kunststoff-Druckrahmen 29 ist vorliegend an der Randfalz 12 des Kühlkörpers 8 durch eine Umspritzung befestigt. Der Druckrahmen 29 sitzt dazu in der gezeigten Ausführungsform auf einer, später noch detailliert beschriebenen Dichtlippe 20 auf, die ihrerseits formschlüssig mit der ersten Wandung 17 der Kühlplatte 7 verbunden ist.
Fig. 8 zeigt einen Kühlkörper 8 der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausfüh rungsform.
Der Unterschied zur zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen darin zu sehen, dass der Druckrahmen 29 lose an bzw. auf dem Kühlkörper 8 anliegt und durch Verpressung der be nachbarten Speicherzellen 3 in Position gehalten ist.
Ferner weist der Druckrahmen 29 vorliegend die Form des Buchstabens „M“ auf. Diese Form ist lediglich beispielhaft. Die Aufnahme des Druckes durch Druckrahmen kann u.a. abhängig vom internen Aufbau der Speicherzellen sein. Lediglich beispielhaft kann die Ausgestaltung des Druckrahmens, insbesondere dessen Formgebung, davon abhängen, wo die Stellen der Druckübergabe nach außen angeordnet sind. Ferner kann die Ausgestaltung des Druckrah men von der Steifigkeit des Kunststoffgehäuses der prismatischen Batteriezelle abhängen.
Fig. 9 dient der ergänzenden Verdeutlich der Ausführungsform. Der Druckrahmen 29 weist keine mechanische Verbindung zum Randfalz 12 des Kühlkörpers 8 auf und wird lediglich durch die Verpressung der Speicherzellen (nicht dargestellt) in Position gehalten.
Fig. 10 zeigt eine Kühlvorrichtung und Speicherzellen 3 der Energiespeichervorrichtung 1 ge mäß einer vierten Ausführungsform mit einer in der unteren Darstellung der Fig. 10 gezeigten Detailvergrößerung der Kühlplatte 7, der Dichtlippe 20 und eines Kühlkörpers 8.
Die Kühlplatte 7 umfasst in Übereinstimmung mit einer bereits beschriebenen Ausführungs form eine erste Wandung 17 und eine zweite Wandung 18. Die erste Wandung 17 ist dem Batterie-Zellenmodul 2 zugewandt, während die zweite Wandung 18 dem Batterie-Zellenmo dul 2 abgewandt ist. Die erste Wandung 17 weist die in Fig. 13 oben dargestellte Schlitzstruktur 19 auf.
Die Schlitze der Schlitzstruktur 19 weisen jeweils eine zur Kühlkörperbreite korrespondierende Breite auf (in Tiefenrichtung der Zeichenebene). Der den Kühlmitteleingang 15 und Kühlmit telausgang 16 aufweisende Endbereich des Kühlkörpers 8 wird in den Schlitzen der Schlitz- Struktur 19 gehaltert. Zur fluidischen Abdichtung des Schlitzes weist der Endbereich des Kühl körpers die in Fig. 10 dargestellte Dichtlippe 20 auf. Die Dichtlippe 20 ist vorliegend eine Elastomer-Dichtlippe 20. Die Dichtlippe 20 überlappt die Schlitze der ersten Wandung 17 so wohl zur dem Batterie-Zellenmodul zugewandten als auch abgewandten Seite, sodass die Dichtlippe und damit der Kühlkörper auf der ersten Wandung 17 der Kühlplatte gehalten wird.
Zwischen ersten Wandung 17 und zweiten Wandung 18 strömt Kühlmittel über die Kühlmittel ebene 7a und tritt über den Kühlmitteleingang 15 (vgl. Fig. 3) am Endbereichs des Pouch- Kühlkörpers 8 in den nach unten offene Kühlmittelkanal 8a des Pouch-Kühlkörpers 8 ein.
Durch anstehenden Fluiddruck ist der mit der elastischer Hülle 9 ausgeführte Kühlkörper 8 Belastungen ausgesetzt. Um ein Einfallen des Kühlkörpers 8 im unteren Bereich unter dem Fluiddruck zu verhindern, weist die Dichtlippe 20 optional eine Nase 21 auf. Die Nase 21 greift in eine formkorrespondierende Hinterschneidung 22 (durch gestrichelte Linien gekennzeich net) der ersten Wandung 17 ein. Dieser Formschluss zwischen Dichtlippe 20 und Kühlplatte 7 wirkt dem horizontal anstehenden Fluiddruck entgegen. Ein Einfallen der Kühlkörper 8 wird verhindert.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind sowohl für Pouch-Speicherzellen 4 oder als pris matische Speicherzellen 5 anwendbar.
Fig. 11 zeigt eine ergänzende Ansicht der Positionierung einer Pouch-Speicherzelle zwischen zwei auf einer Kühlplatte angeordneten Kühlkörpern gemäß einer fünften Ausführungsform. Anstatt einer Pouch-Speicherzelle kann diese Positionierung auch analog mit einer anderen Speicherzelle, insbesondere einer prismatischen Speicherzelle erfolgen, die im Rahmen eines Cell-to-Pack, CTP, - Batteriedesigns verbaut wird.
In dieser Ausführungsform übernehmen die Kühlkörper 8 eine Doppelfunktion.
Erstens stellen sie die bereits beschriebene besonders vorteilhafte Kühlung der Speicherzel len bereit. Zweitens übernehmen sie in dieser Ausführungsform die Funktion von Kompressi onsschichten (sog. „compression/swelling-pads“). Die Kühlkörper 8 können aufgrund ihrer elastischen Hülle 9 thermisch bedingte Expansions- und Kompressionsbewegungen der Pouch-Speicherzelle 3,4 besonders effektiv ausgleichen und die Kompressionsschichten in sofern ersetzen. Diese Ausführungsform ist ebenso auf Energiespeichervorrichtungen mit pris matischen Zellen anwendbar, die ebenfalls ein Schwell-Verhalten aufweisen, das im Zwi- schenraum kompensiert werden muss, auch wenn das Schwellverhalten Bedingt durch Stei figkeit des Gehäuses prismatischer Speicherzellen das Schwellverhalten typischerweise ge ringer ausfallen kann als bei Pouch-Speicherzellen.
Fig. 12 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Ener giespeichervorrichtung 1 gemäß der vierten bereits beschriebenen Ausführungsform.
Zur ergänzenden Verdeutlichung sind die Schritte teilweise in Fig. 13 dargestellt.
Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt u. a. der Gedanke zugrunde, ein Zusammenfallen der Kühlkörper 8 mit elastischer Hülle 9 bei der Herstellung der Energiespeichervorrichtung 1 durch den Einsatz eines Montageschwerts 30 zu verhindern.
Der erste Schritt S1 des Verfahrens umfasst zunächst das optionale Aufträgen eine Wärme leitpaste (sog. „Gapfiller“) auf die die erste Wandung 17 der Kühlplatte 7 (nicht dargestellt). Die Wärmeleitpaste kann z. B. dazu dienen, luftgefüllte Spalte, die typischerweise eine schlechte Wärmeleitfähigkeit bzw. eine isolatorische Wirkung aufweisen, zwischen Kühlplatte
7 und Speicherzellen 3, 4, 5 zu schließen. Die Wärmeleitpaste kann mit einer entsprechend hohen Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass die Wärme der Speicherzellen 3, 4, 5 in die Kühl platte 7 geleitet werden kann.
Bei Schritt S2 werden die Kühlkörper 8 auf ein Montageschwert 30 aufgestülpt. Das in Fig. 13 dargestellte Montageschwert 30 kann dazu z. B. zwei Finnen aufweisen, die von unten über den Kühlmitteingang 15 und den Kühlmitteausgang 16 in die Teilräume 13, 14 des Kühlkörpers
8 eingeschoben werden. Das Innenvolumen des Kühlkörpers 8 kann durch das Montage schwert 30 zumindest annähernd vollständig ausgefüllt bzw. aufgespannt werden. Ein Zusam menfallen der flexiblen Hülle 9 der Kühlkörper 8 wird insofern verhindert.
Der dritte Schritt S3 umfasst das Einführen des auf das Montageschwert 30 aufgestülpten Kühlkörpers 8 von unten in die Schlitze der Schlitzstruktur 19 der oberen Wandung 17 der Kühlplatte 7. In Fig. 13 ist zur besseren Sichtbarkeit ein Einführen von oben in die Schlitzstruk tur dargestellt. Die Kühlkörper 8 können z. B. bereits im Anlieferungszustand eine an einem Endbereich der Kühlkörper 8 angeordnete Dichtlippe 20 aufweisen, die beim Einführen der Kühlkörper 8 mit der Schlitzstruktur formschlüssig verkeilt, sodass die Kühlkörper 8 auf der oberen Wandung 17 der Kühlplatte 7 gehalten werden. Der zweite und dritte Schritt S3 können vorzugsweise so lange wiederholt werden, bis jeder Schlitz der Schlitzstruktur 19 mit einem auf ein Montageschwert 30 aufgestülpten Kühlkörper 8 besetzt ist. Die Wiederholung der Schritte S2 und S3 kann ersetzt werden durch die Ver wendung eines Montagwerkzeugs, welches mehrere Montageschwerter besitzt, so dass an statt von Wiederholungen der Schritte S2 und S3 alle Kühlkörper in nur einem Arbeitsschritt in die Schlitzstruktur eingebracht werden können.
Im vierten Schritt S4 werden entweder Speicherzellen 3, 4, 5 oder ein Batterie-Zellenmodul 2 von oben auf die obere Wandung 17 aufgesetzt.
Innerhalb dieses Schritts werden insofern die auf der oberen Wandung 17 sitzenden Kühlkör per 8 zwischen den, optional als Batterie-Zellenmodul 2 angeordneten, Speicherzellen 3, 4 ,5 positioniert.
Dieses Aufsetzen der Speicherzellen auf die Kühlplatte erfolgt bei einer Ausführungsvariante der Energiespeichervorrichtung, bei der die Speicherzellen in Form von vorgefertigte Batterie- Zellenmodulen 2 aus prismatischen Speicherzellen bereitgestellt werden, derart, dass das ganze Batterie-Zellenmodul 2 auf die Kühlplatte aufgesetzt wird. Dies in Figur 13 durch die linke Variante des Schritts S4 illustriert.
Bei einem Batterie-Zellenmodul, das aus Pouch-Zellen gebildet ist, erfolgt dagegen vorzugs weise ein Aufsetzen von separate Pouch-Zellen auf die Kühlplatte, so dass die Pouch-Zellen erst anschließend zu einem Zellenmodul zusammengefasst werden. Dies in Figur 13 durch die rechte Variante des Schritts S4 illustriert.
Wird die Energiespeichervorrichtung dagegen durch ein sog. cell-to-pack-Verfahren herge stellt, wobei die Speicherzellen direkt in ein Batteriepack eingebaut werden und somit die Kos ten für die Modul-Komponenten als Zwischenschritt übersprungen werden, dann erfolgt das Aufsetzen der Speicherzellen auf die Kühlplatte auch durch Aufsetzen separater Speicherzel len, unabhängig davon, ob diese als prismatische Speicherzellen oder Pouch-Speicherzellen ausgebildet sind. Dies ist ebenfalls in Figur 13 durch die rechte Variante des Schritts S4 illus triert.
In Schritt S5 wird das Montageschwert 30 nach unten herausgezogen. Anschließend wird in Schritt S6 die zweite Wandung 18 der Kühlplatte 7 von unten auf die erste Wandung 17 aufgesetzt. In an sich bekannter Weise werden die erste und zweite Wan dung 17, 18 anschließend zur Herstellung der Strömungsleitebene aneinander gefügt.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbei spiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug ge nommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Energiespeichervorrichtung
2 Batterie-Zellenmodul
3 Speicherzelle
4 Pouch-Speicherzelle
5 prismatische Speicherzelle
6 Kühlvorrichtung
7 Kühlplatte
7a Kühlmittelebene
8 Kühlkörper
8a Kühlmittelkanal
9 Elastische Hülle
10 Äußere Speicherzelle
11 Falz
12 Randfalz
13 Erster Teilraum
14 Zweiter Teilraum
15 Kühlmitteleingang
16 Kühlmittelausgang
17 Erste Wandung
18 Zweite Wandung
19 Schlitzstruktur
20 Dichtlippe
21 Nase
22 Hinterschneidung
23 Prägung
24 Mulde
25 Kühlmittelkanal des Kühlmittelvorlaufs
26 Seitenast des Kühlmittelvorlaufs
27 Kühlmittelkanal des Kühlmittelrücklaufs
28 Seitenast des Kühlmittelrücklaufs
29 Druckrahmen
30 Montageschwert
31 Deckabdeckung 32 Seitenabdeckung
33 Endplatte
34 Schutzplatte
35 Busbar 36 Leiterplatte
37 Kühlmittelanschluss
38 Kühlmittelabfluss

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichervorrichtung (1) zur Speicherung elektrischer Energie, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, aufweisend eine Mehrzahl von stapelartig nebeneinander angeordnete Speicherzellen (3, 4, 5) und eine Kühlvorrichtung (6) zur Kühlung der Speicherzellen (3, 4, 5), wobei die Kühlvorrichtung (6) aufweist:
- eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte (7), die seitlich, vorzugsweise bo denseitig, in Bezug auf die Speicherzellen (3, 4, 5) angeordnet ist, und
- zumindest einen mit dem Kühlmittel durch ström baren Kühlkörper (8), der zwischen zwei benachbarten Speicherzellen (3, 4, 5) zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen (3, 4, 5) angeordnet ist, mit der Kühlplatte (7) fluidisch in Verbindung steht und als Kühlkörper (8) mit einer elastischen Hülle (9) ausgebildet ist.
2. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass die elastische Hülle (9) des Kühlkörpers (8) eine Aluminium-Folie und/oder eine Kunststoffbeschichtung umfasst; und/oder b) dass der Kühlkörper (8) ein Folien-Kühlkörper und/oder Pouch-Kühlkörper ist.
3. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der zumindest eine Kühlkörper (8) mehrere Kühlkörper (8) umfasst, wobei zwischen allen Speicherzellen (3, 4, 5) jeweils ein Kühlkörper (8) zur Seitenflächenkühlung der Speicherzellen (3, 4, 5) angeordnet ist; und/oder b) dass jeweils ein Kühlkörper (8) mit einer elastischen Hülle (9) an den äußeren Spei cherzellen (10) außenseitig zur Seitenflächenkühlung angeordnet ist.
4. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) mindestens einen Falz (11) oder Prägung aufweist, der oder die ausgebildet ist, einen Innenraum des Kühlkörpers (8) in fluidisch miteinander ver bundene Teilräume (13, 14) zu unterteilen, um Kühlmittel bogenförmig, U-förmig oder mä anderförmig von einem Kühlmitteleingang (15) des Kühlkörpers (8) zu einem Kühlmittel lausgang (16) des Kühlkörpers (8) zu leiten.
5. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) genau einen oder eine in einem mittleren Bereich angeordnete Falz (11) oder Prägung aufweist, die ausgebildet ist, einen Innenraum des Kühlkörpers (8) in zwei fluidisch miteinander verbundene Teilräume (13, 14) zu unterteilen, um Kühlmittel bogen förmig und/oder U-förmig von dem Kühlmitteleingang (15) des Kühlkörpers (8) zu dem Kühlmittellausgang (16) des Kühlkörpers (8) zu leiten.
6. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) eine den Speicherzellen (3, 4, 5) zugewandte erste Wan dung (17) aufweist, die eine Schlitzstruktur (19) zur Halterung des zumindest einen Kühl körpers (8) aufweist, wobei Schlitze der Schlitzstruktur (19) jeweils eine zur Kühlkörper breite korrespondierende Breite aufweisen und ein einen Kühlmitteleingang (15) und Kühl mittelausgang (16) aufweisender Endbereich des Kühlkörpers (8) in einem der Schlitze gehaltert ist.
7. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich des Kühlkörpers (8) eine Dichtlippe (20) zurfluidischen Abdichtung des Schlit zes aufweist, wobei vorzugsweise die Dichtlippe (20) als Elastomer-Anspritzung ausge führt ist.
8. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Dichtlippe (20) eine Nase (21) aufweist, die in eine formkorrespondierende Kerbung oder Hinterschneidung (22) der ers ten Wandung (17) zur Herstellung eines Formschlusses zwischen Dichtlippe (20) und Kühlplatte (7) eingreift.
9. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (7) eine den Speicherzellen (3, 4, 5) abgewandte zweite halbschalenförmige Wandung (18) umfasst, die Prägungen (23) aufweist, die ausgebildet sind, Kühlmittel innerhalb der Kühlplatte (7) in einen Kühlmittelvorlauf und einen Kühlmit telrücklauf zu leiten und die ihrerseits vorzugsweise Mulden (24) zur Halterung des min destens einen Kühlkörpers (8) aufweisen.
10. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Kühlmittelvorlauf einen an einem Randbereich der Kühlplatte (7) angeord neten Kühlmittelkanal (25) mit einer Mehrzahl dazu orthogonal angeordneter Seitenäste (26) aufweist, und b) dass der Kühlmittelrücklauf einen an einem zum Kühlmittelvorlauf gegenüberlie genden Randbereich angeordneten Kühlmittelkanal (27) mit einer Mehrzahl dazu ortho gonal angeordneter Seitenäste (28) aufweist, und c) dass die Seitenäste (26) des Kühlmittelvorlaufs und die Seitenäste (28) des Kühl- mittelrücklaufs derart ineinander verschränkt sind, dass ein Seitenast (26) des Kühlmittel vorlaufs immer unmittelbar benachbart zu einem Seitenast (28) des Kühlmittelrücklaufs angeordnet ist.
11. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenäste (26) des Kühlmittelvorlaufs und die Seitenäste (28) des Kühlmittelrücklaufs der Kühlplatte (7) über die Kühlkörper (8) fluidisch miteinander in Verbindung stehen.
12. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) zumindest teilweise von einem zwischen benach barten Speicherzellen (3, 4, 5) angeordneten Druckrahmen (29), vorzugsweise einen Kunststoff-Druckrahmen (29), umgeben ist, der zur Aufnahme von Kräften, vorzugsweise zur Aufnahme von Verpresskräften, zwischen benachbarten Speicherzellen (3, 4, 5), aus gebildet ist.
13. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckrahmen (29) a) an einem Rand des Kühlkörpers (8) befestigt ist, vorzugsweise an einer äußeren Randprägung oder Randfalz (12) des Kühlkörpers (8) durch eine Umspritzung befestigt ist; oder b) lose an dem Kühkörper (8) anliegt und durch Verpressung der benachbarten Spei cherzellen (3, 4, 5) in Position gehalten ist.
14. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckrahmen (29) in Form der Buchstaben „M“ oder „n“ ausgebildet ist.
15. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von stapelartig nebeneinander angeordneten Speicher zellen (3, 4, 5) a) zu einem Batterie-Zellenmodul (2) zusammengefasst sind und die Kühlplatte an einer Seitenfläche, vorzugsweise an einer Bodenfläche, des Batterie-Zellenmoduls (2) an geordnet ist; oder b) Speicherzellen eines Cell-to-Pack, CTL, -Energiespeichers sind.
16. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (3, 4, 5) als Pouch-Speicherzellen (4) oder als prismatische Speicherzellen (5) ausgebildet sind.
17. Fahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, aufweisend die Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, die als stationäre Energiespeichervorrichtung ausgebildet ist oder die Teil einer stationären Vorrichtung ist.
19. Verfahren zur Herstellung der Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt:
Befestigen des mindestens einen Kühlkörpers (8) an der Kühlplatte (7) durch Hindurch stecken des Kühlkörpers (8) durch einen Schlitz der Schlitzstruktur (19) bis der den Kühl mitteleingang (15) und Kühlmittelausgang (16) aufweisende Endbereich des Kühlkörpers (8) am Schlitz positioniert ist und/oder anliegt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Hindurchstecken mit tels eines Montageschwertes (30) erfolgt, auf welches der Kühlkörper (8) vor dem Hin durchstecken aufgestülpt wird und welches nach dem Hindurchstecken und Befestigung des Kühlkörpers (8) an der Kühlplatte (7) wieder herausgezogen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, ferner umfassend den Schritt:
Aufsetzen der Speicherzellen (3, 4, 5) auf die Kühlplatte, so dass zwischen zwei benach barten Batterie-Zellen jeweils einer der hindurchgesteckten Kühlkörper (8) positioniert ist, a) wobei die Speicherzellen als vorgefertigtes Batterie-Zellenmodul bereitgestellt wer den, das auf die Kühlplatte aufgesetzt wird, oder b) wobei die Speicherzellen als lose Pouch-Zellen auf die Kühlplatte aufgesetzt und zu einem Zellenmodul zusammengefasst werden; oder c) wobei die Speicherzellen im Rahmen eines cell-to-pack, CTP, -Verfahrens auf die Kühlplatte aufgesetzt werden.
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