WO2012000606A1 - Modulare vorrichtung zur spannungsversorgung eines kraftfahrzeugs und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Modulare vorrichtung zur spannungsversorgung eines kraftfahrzeugs und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2012000606A1
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heat sink
cooling medium
cell modules
coolant
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PCT/EP2011/002876
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Micha Dirmeier
Thomas Hoefler
Stephan Weileder
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a modular device for supplying power to a motor vehicle, in particular a car or a motorcycle, with at least two memory cell modules, each memory cell module connected by a cooling medium (coolant or refrigerant) heat sink and at least one electrochemical storage cell, the heat conductively connected to the heat sink is, comprises, and with a coolant line structure, via which the heat sinks for guiding the cooling medium are interconnected.
  • the invention further relates to a method for producing such a device for supplying power to a motor vehicle.
  • Memory cells in particular those based on lithium-ion storage cells, but also metal hydride storage cells (such as nickel-metal hydride batteries) or lithium polymer memory cells or other chemical energy storage, are gaining in importance in the automotive industry.
  • metal hydride storage cells such as nickel-metal hydride batteries
  • lithium polymer memory cells or other chemical energy storage are gaining in importance in the automotive industry.
  • alternative drive concepts for example hybrid drives or pure electric drives, the storage of electrical energy is of immense importance for future automobile construction.
  • lithium-ion batteries as electrical energy storage for electric motors in the automotive industry has proved to be advantageous.
  • these accumulators store a large amount of energy with a small volume and, on the other hand, such batteries are only conditionally subject to an aging process.
  • a "memory effect" does not occur in this case, as a result of which a large number of charge cycles can take place, so that the service life of the battery essentially corresponds to that of a vehicle.
  • memory cells provide only low voltages between one or more 10V. These low voltages are far from sufficient to drive an electric motor of an electric vehicle. For this reason, memory cells are interconnected to so-called memory cell modules. In this case, a plurality of individual memory cells can be connected to each other in series, whereby the output voltage of the memory cell module multiplies according to the number of memory cells connected in series. In a motor vehicle, a plurality of such memory cell modules may be provided and electrically interconnected. Thus, batteries for vehicles with electric drive or hybrid drive are composed of a plurality of memory cells.
  • the memory cell modules Due to the current flowing during the discharging and / or charging processes, and the internal resistances of the individual memory cells, a loss of heat is created in the memory cells, which results in high temperatures in the memory cell modules. To avoid damage to the memory cells or the entire memory cell module by excessive temperatures and to achieve a sufficient life of the memory cell module, the heat loss must be removed from this.
  • the heat dissipation takes place for example by active cooling.
  • the memory cells of the memory cell module with a cooling element heat conductively connected, wherein the cooling element is flowed through by a cooling medium (so-called. Active cooling).
  • the cooler consists e.g. of a plurality of coils formed to form respective receiving areas for the memory cell modules.
  • the memory cell modules are placed, for example, in two rows arranged side by side.
  • the memory cells combined into a unit and the cooler are manufactured as separate components from each other.
  • the cooler of a device for power supply with a plurality of memory cell modules is a one-piece component, in which for the production of the device only the prepared memory cell modules must be introduced.
  • the entire unit of cooler and memory cell modules can be placed in a housing surrounding the components.
  • the housing is arranged and fixed in the motor vehicle at a designated position. Cooling medium connections of the radiator are then connected to a corresponding coolant reservoir of the motor vehicle.
  • a disadvantage of such a device for power supply is that, in the case of a plurality of memory cell modules, on the one hand, the cooler has a high degree of complexity.
  • a surface corresponding to the size of the device is required for arranging and fixing the device.
  • a further adaptation of the radiator may result from the fact that, depending on the size of the vehicle, the space required for installing a device having a predetermined number of memory cell modules is not available. This may require adapting the arrangement of the memory cell modules to each other, thereby providing a new cooler each time.
  • each battery module has an at least partially cooled by a coolant heat sink and a battery cell.
  • the battery cell is arranged on the heat sink such that a heat-conducting contact between the battery cell and the heat sink is established.
  • a coolant supply with a coolant conductor for distributing the coolant to the heat sinks and for discharging the coolant from the heat sinks.
  • the coolant conductor has coolant conductor modules which can be connected to one another and at least partially form the coolant conductor.
  • the invention provides a modular device for supplying power to a motor vehicle, in particular a car or a motorcycle, comprising at least two memory cell modules, each memory cell module comprising a heat sink through which a cooling medium and at least one electrochemical storage cell, which is conductively connected to the heat sink, and with a coolant line structure over which the heat sinks are connected to each other to guide the cooling medium.
  • each of the heat sink has at least onedemediumanBankeingang and a cooling medium connection output, which during or after a sequential mounting of the memory cell modules in the motor vehicle or in a housing either directly or, if the memory cell modules are arranged spatially separated individual lines of the coolant line structure are connected to each other, wherein the lines are adapted to the spatial installation situation.
  • the invention is based on the consideration that the relative arrangement of a plurality of memory cell modules relative to one another can be varied in that a respective memory cell module comprises a separate heat sink.
  • a direct connection of each two memory cell modules by their heatsink are plugged together, a compact device for power supply can be generated. It is readily possible to connect more than two memory cell modules directly to each other serially. If the space required in a motor vehicle for a direct, serial interconnection is not available, the memory cell modules can also be used
  • the memory cell modules can be arranged on a longitudinal axis at a distance from each other and / or laterally offset with respect to the longitudinal axis to each other.
  • respective cooling medium connections ie associated
  • the production or completion of the coolant circuit only after the installation of the memory cell modules in a motor vehicle allows the flexible arrangement of any number of memory cell modules in a vehicle.
  • An advantage of this approach is that with different numbers and / or arrangement of memory cell modules in different types of vehicles not the entire cooler needs to be redeveloped and manufactured, but only the two memory cell modules interconnecting lines. As a result, the costs for the production of a device for power supply over conventional devices can be significantly reduced.
  • each memory cell module comprises identically designed heat sinks with respect to its dimensions and / or the arrangement of its coolant inputs and outputs.
  • all the memory cell modules of the modular device are identical. If all the components of the memory cell modules are identical, large scaling effects can be achieved in terms of cost.
  • connection between ademediumanBankeingang a heat sink and ademediuman gleichaus- gang of the same or another heat sink; or ademediumanBankeingang a heat sink and a line output; or ademediuman- final output of a heat sink and a line input releasably formed in the form of a coupling or an adapter.
  • the releasable connection is realized using a quick coupling and an insertable into the quick coupling nipple.
  • the releasable connection can be made using a Be realized screw.
  • the releasable connection can also be designed as a compression fitting.
  • the compounds mentioned can also be insoluble, in particular by material, force or form fit, be formed.
  • the permanent connection is made using a press fitting.
  • the design of the connection in detachable form in the manner of a coupling or an adapter allows the rapid production of respective compounds.
  • the choice of a permanent connection has the advantage that a good tightness of the cooling system can be ensured. Likewise, less space is needed.
  • heat sinks with each other can be connected to a central cooling medium distributor with the above-mentioned releasable and non-detachable connections.
  • the use of a central cooling medium distributor also has the advantage that individual heat sinks can be supplied with cooling medium, without it being absolutely necessary for the heat sinks to be connected in series with one another or serially connected to one another. It is conceivable that a number of heat sinks are each connected directly to the cooling medium distributor.
  • the conduit is formed of a flexible material.
  • the line may be formed as a hose which can be adapted by bending without special measures of the spatial installation situation.
  • the course of the line can be prefabricated according to the installation situation of two memory cell modules to be interconnected with coolant. This makes the use of pipes and conduits of a rigid material, e.g. Metal or plastic, possible, which have no flexible properties.
  • the following elements are formed complementary to each other: thedemediumanBankeingang and the cooling medium connection output of respective heat sink; thedemediumanBankeingang a heat sink and a line output; the cooling medium connection output of a heat sink and a line input.
  • the memory cell modules can optionally be arranged in a common housing.
  • the arrangement of all memory cell modules in a common The advantage of this housing is that all the components can be combined in it, thus enabling a greater degree of prefabrication.
  • the housing with the device according to the invention can then be installed as a whole in the motor vehicle. Also for safety reasons, it is preferable to arrange all the components in a single housing. If a memory cell is damaged, for example because of an emergency degassing, then other functional components of the vehicle can not be affected.
  • thedemediumanschiusingange and outputs are arranged on at least one end side of a respective heat sink. In this way it is possible not to have to make the base of the heat sink much larger than the area of the number of memory cells of the memory cell module. As a result, compact memory cell modules can be provided. It is particularly preferred if at least one coolant inlet and outlet is arranged on opposite end faces of a respective heat sink. This makes it possible in a particularly simple manner, a serial interconnection of the heat sink of the memory cell modules. In particular, the crossing of different lines is not required or can be avoided.
  • a particularly simple embodiment of the memory cell module results from the fact that the heat sink is designed as a cooling plate, on the main page, the at least one memory cell is arranged.
  • a heat sink is particularly suitable for those memory cells which have a prismatic or cylindrical cross-section.
  • the heat sink at least on two opposite side edges extending perpendicular to the main side extending walls.
  • the heat sink is then U-shaped.
  • additional walls may be provided between these two outer walls, so that each memory cell is enclosed by two oppositely disposed walls.
  • the walls are thermally bonded to the plate of the heat sink to improve heat dissipation.
  • a heat-conducting sheet designed in particular in one piece can be arranged between the storage cells and the heat sink.
  • the heat conducting sheet extends over the entire bottom surface of a memory cell module or a battery constructed of a plurality of memory cell modules. The use of a skilletleitblechs allows uniform heat dissipation.
  • the invention further provides a method for producing a device for supplying power to a motor vehicle, in particular a car or a motorcycle, according to one of the preceding claims.
  • the method comprises the following steps: producing a first memory cell module which comprises a first cooling body through which a cooling medium flows with at least one cooling medium connection input and a cooling medium connection output and at least one electrochemical storage cell which is conductively connected to the first heat sink; Producing a second memory cell module comprising a second cooling body through which a cooling medium flows, with at least one cooling medium connection input and a cooling medium connection output, and at least one electrochemical storage cell which is conductively connected to the second heat sink; sequential mounting of the first and the second memory cell module in the motor vehicle or in a storage housing according to an individual, spatial installation situation; optionally, directly connecting respective cooling medium connection inlets and outlets of the first and second memory cell modules when mounting the memory cells in the vehicle or memory housing or, if the memory cell modules are spaced apart from each other after mounting, connecting respective cooling medium connection inlets and outlets
  • the memory cell modules are arranged in a common housing or in separate housings.
  • FIG. 1 is a perspective view of a single memory cell module for use in a modular device according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the heat sink of the memory cell module shown in FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a first embodiment of a modular device according to the invention in a perspective view
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a modular device according to the invention in a perspective representation.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a memory cell module 100 for a device according to the invention for supplying power to a motor vehicle, in particular a car or a motorcycle.
  • the memory cell module 100 has eight memory cells 120 arranged one behind the other.
  • the memory cells 120 have a prismatic shape only by way of example.
  • the shape of the memory cells is of subordinate importance in principle.
  • the memory cells could also be cylindrical, elliptical or in the form of so-called coffee bags (so-called pouch cells).
  • the memory cells 120 are applied with their rear side on a plate-shaped heat sink 110.
  • the heat sink 110 which is shown in FIG. 2 alone in a perspective view, has a cooling medium connection outlet 111 and a cooling medium connection input 113 on its front end side 117.
  • the plate-shaped heat sink 110 On its rear, opposite end face 118, the plate-shaped heat sink 110 has a cooling medium connection input 112 and a cooling medium connection exit 114.
  • the arranged on the opposite end faces 117, 118 demediuman gleichein- and outputs 112, 111 and 13, 114 are respectively connected via channels 119, through which a cooling medium can flow.
  • the course of the channels 119 connecting a cooling medium connection input and output can be designed as desired. As can be seen from FIG.
  • a cooling medium is understood as meaning both a coolant, such as, for example, water or glycol, and a coolant in the form of a two-phase mixture.
  • Coolant port ports 112, 113 are formed in the illustrated embodiments for providing a releasable connection.
  • a releasable connection may be provided in the form of a coupling or an adapter.
  • Thedemediuman gleichein réelle 112, 113 are complementary to the
  • Cooling medium connection outlets 111, 114 formed. That is, the nozzle 116 exemplified at the cooling medium connection outlets 111, 114 may be directly, i. be connected with ademediuman gleicheingang another heat sink without the interposition of other cooling medium leading components.
  • the configuration of the connecting pieces 116, in particular on the outside thereof, and the design of thedemediuman gleichein réelle 112, 113 on the inner sides, can be configured by a person skilled in any way.
  • the nozzle 16 can be designed as a plug-in nipple and thedemediuman gleichein réelle 112, 113 each as quick couplings. When designing the connection, make sure there is a secure seal around the joint. This can be realized by suitable sealing means.
  • the production of the example designed as a cooling plate heat sink 0 can be done in different ways.
  • the heat sink 110 may be produced from a rollbond.
  • the production is possible through several layers, wherein in one or more inner layers of the line course of the channels 1 19, e.g. by lasers, is introduced.
  • the channels 119 through a straight-line connection between the cooling medium connection inputs 112, 113 and the associated
  • Cooling medium connection outputs 111, 114 is formed, the heat sink 110 may also be made by extrusion.
  • the configuration of the channels in the interior of the heat sink can furthermore be realized by what are known as flat tubes which are embedded between two outer cover layers.
  • the heat sink 110 can be designed, at least partially, as a cooling tube or as a multiport tube.
  • the memory cells 120 are only conductively connected to the heatsink 110 with their rear sides, it is expedient if the latter Cell coats consist of a good heat conductive material.
  • the cell shells of the memory cells 120 may be formed of aluminum. This ensures a good heat conduction perpendicular to the main surface 1 5 of the heat sink 1 0.
  • the attachment of the memory cells 120 is preferably carried out by a tension, not shown in the figures.
  • the bracing initially serves to clamp the memory cells 120, which are arranged one after the other in the longitudinal direction, in order to produce a so-called due to chemical reactions during operation of the memory cells 120.
  • the tensioning comprises a front plate which is coupled to the observer-facing main side 121 of the foremost memory cell 120 and a rear pressure plate which is mechanically in contact with the main side 122 of the rearmost memory cell.
  • the two printing plates are loaded by a tensioning means, such as welded or bolted rods or plates, to train.
  • the two pressure plates can have a flange with recesses on their side facing the heat sink 110. Through these recesses through the strained memory cells heat can be conductively connected to the heat sink 1 0.
  • other, for example, positive and / or positive and / or cohesive connections are conceivable.
  • connection terminals battery poles
  • the connection terminals could be provided on the opposite lateral end faces of the memory cells 120.
  • the arrangement of the connection terminals on its front side has the advantage that the electrical contact can be made via a cell connector inserted in a connection matrix in a simple manner.
  • the heat sink 110 has walls extending in the longitudinal direction at two opposite side edges perpendicular to the main side. As a result, heat could additionally be dissipated via the opposite side edges of the memory cells 120.
  • the memory cells could also be provided between each two adjacently arranged memory cells 120 to provide fins, which are also heat-conductively connected to the plate-shaped main body of the heat sink 110.
  • the memory cell module 100 shown in FIG. 1 is thus basically composed of the memory cells 120 and an associated active heat sink 10, i. formed by a cooling medium through which heatsink. Because the heat sink is part of a memory cell module, a device for generating voltage, which consists of a plurality of memory cell modules as shown in FIG. 1, can be flexibly arranged in a housing of the device for supplying voltage. A flexible arrangement is to be understood as any spatial arrangement of two memory cells relative to one another.
  • An actively cooled memory cell module makes it possible to carry out the coolant line structure, via which the heat sinks are connected to one another for the guidance of cooling medium, during or after installation of the memory cell modules in the housing (or alternatively directly the motor vehicle).
  • two memory cell modules can be connected to each other either directly or, if the memory cell modules are spatially separated, via individual lines of the coolant line structure, wherein the lines are or can be adapted to the spatial installation situation in a simple and cost-effective manner.
  • each of the memory cell modules 100, 200 with respect to its dimensions and / or the arrangement of its coolant inputs and outputs identically formed heat sink 110, 210.
  • the heat sinks 110, 210 are identical, but all the memory cell modules 100, 200 of the modular device 1 are identical.
  • eight memory cells 220 arranged one behind the other are thus also arranged with their rear side on a plate-shaped heat sink 210 in the memory cell module 200.
  • the memory cell modules can be manufactured in a large number, whereby the unit costs are reduced.
  • a device 1 can have any number of memory cell modules with any desired number of memory cells, the number depending on a particular application.
  • the cooling medium connection output 111 of the memory cell module 100 is connected to the cooling medium connection input 113 via a line 150.
  • the line 150 has at its end facing thedemediumanBankeingang 113 a nozzle 51 and at its thedemediuman gleichausgang 111 end facing a cap 152.
  • the cap 152 is guided over the socket 116 in the manner of a coupling or an adapter.
  • the nozzle 151 which is not yet coupled in the illustration with thedemediumanBankeingang 1 13 and corresponds to the shape of the nozzle 116 is inserted into this.
  • the fluid-tight connection between the mutually associated and oppositemémediuman gleichein- and outputs of the memory cell modules 00, 200 is executed.
  • the device 1 With its front side 218 facing away from the memory cell module 100, the device 1 can be connected to a coolant feed system or a further memory cell module.
  • the nozzle 151 may be designed as a plug-in nipple and the cap 52 as a quick coupling.
  • Fig. 3 allows a space-optimized, modular device.
  • the direct connection of a plurality of memory cell modules arranged one behind the other requires that the required base area is also available in the motor vehicle in which the device 1 is to be arranged.
  • the device 1 allows an almost arbitrary relative arrangement of the memory cell modules 100, 200 to one another.
  • the memory cell modules 100, 200 are arranged side by side with an (arbitrary) distance from one another.
  • the cooling medium connection output 111 of the memory cell module 100 is connected via the line 160 to a cooling medium connection input 213 of the memory cell module 200.
  • a cooling medium connection output 21 1 of the memory cell module 200 is connected to a cooling medium connection input 113 of the memory cell module 100.
  • the compounds are releasably formed in the form of a coupling or an adapter.
  • the caps 162, 172, 182, 192 designed as quick couplings and the nozzle 161, 171 as a plug-in nipple.
  • the coolant feed can be a central cooling medium distributor.
  • the lines it is possible to interconnect a basically any number of memory cell modules 100, 200 serially and / or in parallel (when forming at least some of the lines as a switch or Y).
  • the lines can be flexible, e.g. in the form of a tube, be formed.
  • the lines may also consist of a rigid material, which is brought into the required shape according to the particular installation situation.
  • the lines can then be formed, for example, of metal or plastic.
  • the detachable connection in the manner of a coupling or an adapter with regard to the tightness appears unsafe, appropriate means for locking the connection may be provided.
  • the use of a squeezing ring between the line and cap or nozzle is conceivable.
  • the detachable connection can also be designed as a compression fitting.
  • All components ie all memory cell modules including the lines connecting them, are preferably arranged in a common housing, which is introduced after final production of the device 1 in the motor vehicle.
  • the memory cell modules 100, 200 are first introduced into the housing or alternatively directly into the vehicle.
  • an insulating layer is preferably provided between the cooling plate and the bottom of the housing or of the vehicle so as not to impair the cooling performance.
  • the connection of respective associated cooling medium connection inlets and outlets is made.
  • the production of the coolant line structure thus takes place only within the framework of the installation of the memory cell modules in the housing or the vehicle. As a result, a high flexibility is given, since the lines required for the preparation of the connection - if no direct connection of two memory cell modules - can be done by simple and inexpensive hoses or tubes.
  • FIGS. 3, 4 omitted the illustration of a heat conducting sheet.
  • the heat sink with connection options namely the nozzle and coolant inputs are provided, via which the individual heat sink connected by hoses or hose lines or pipes or pipes, preferably connected in series, or can be connected to a centraldemediumverteiler ,
  • the heat sink can also be provided with pipe and / or hose ends, via which they can then be connected to the cooling medium distributor or connected in series with each other.
  • Coolant connection output Coolant connection inlet Coolant connection inlet Coolant connection outlet Main side

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine modulare Vorrichtung (1 ) zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkws oder eines Motorrads, mit zumindest zwei Speicherzellenmodulen (100, 200). Jedes Speicherzellenmodul (100, 200) umfasst einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper (110, 210) und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (120, 220), die Wärme leitend mit dem Kühlkörper (110, 210) verbunden ist, und mit einer Kühlmittelleitungsstruktur (119), über die die Kühlkörper (110, 210) zur Führung des Kühlmediums miteinander verschaltet sind. Die erfindungsgemäße modulare Vorrichtung (1 ) zeichnet sich dadurch aus, dass jeder der Kühlkörper (110, 210) zumindest einen Kühlmediumanschlusseingang (112, 113; 212, 213) und einen Kühlmediumanschlussausgang (111, 114; 211, 214) aufweist, die bei oder nach einer sequenziel- len Montage der Speicherzellenmodule (100, 200) in das Kraftfahrzeug oder in ein Gehäuse der Vorrichtung wahlweise direkt und/oder, wenn die Speicherzellenmodule (100, 200) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, über einzelne Leitungen (150; 160, 170, 180) der Kühlmittelleitungsstruktur (119) miteinander verbunden sind. Die Leitungen (150; 160, 170, 180) sind an die räumliche Einbausituation angepasst.

Description

Modulare Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs und
Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine modulare Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder eines Motorrads, mit zumindest zwei Speicherzellenmodulen, wobei jedes Speicherzellenmodul einen von einem Kühlmedium (Kühlmittel oder Kältemittel) durchströmten Kühlkörper und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, die Wärme leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist, umfasst, und mit einer Kühlmittelleitungsstruktur, über die die Kühlkörper zur Führung des Kühlmediums miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs.
Speicherzellen, insbesondere solche auf Lithium-Ionen basierenden Speicherzellen, jedoch auch Metall-Hydrid-Speicherzellen (wie Nickel-Metall-Hydrid-Batterien) oder Lithium- Polymer-Speicherzellen oder andere chemische Energiespeicher, erlangen in der Automobilindustrie einen immer höheren Stellenwert. Insbesondere durch den Bedarf an alternativen Antriebskonzepten, beispielsweise Hybridantrieben oder reinen Elektroantrieben, ist die Speicherung von elektrischer Energie von immenser Bedeutung für den zukünftigen Automobilbau.
Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien als elektrischer Energiespeicher für Elektromotoren im Automobilbau hat sich als vorteilhaft erwiesen. Zum einen speichern diese Akkumulatoren eine große Energiemenge bei kleinem Volumen und zum anderen unterliegen solche Batterien nur bedingt einem Alterungsprozess. Insbesondere ein„Memory- Effekt" stellt sich bei diesem nicht ein. Dadurch kann eine Vielzahl von Ladezyklen stattfinden, so dass die Lebensdauer der Batterie der eines Fahrzeugs im Wesentlichen entspricht.
Die meisten Speicherzellen stellen nur geringe Spannungen zwischen einem oder mehreren 10 V zur Verfügung. Diese geringen Spannungen reichen bei Weitem nicht aus, um einen Elektromotor eines Elektrofahrzeugs anzutreiben. Aus diesem Grunde werden Speicherzellen zu sog. Speicherzellenmodulen zusammengeschaltet. Hierbei kann eine Mehrzahl von einzelnen Speicherzellen miteinander in Reihe geschaltet werden, wodurch sich die Ausgangsspannung des Speicherzellenmoduls entsprechend der Anzahl der in Reihe geschalteten Speicherzellen multipliziert. In einem Kraftfahrzeug kann eine Mehrzahl solcher Speicherzellenmodule vorgesehen und elektrisch miteinander verschaltet sein. Somit sind Batterien für Fahrzeuge mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb aus einer Vielzahl von Speicherzellen aufgebaut.
Im Betrieb der Speicherzellenmodule entsteht aufgrund des während der Entlade- und/oder Ladevorgänge fließenden Stroms und der Innenwiderstände der einzelnen Speicherzellen eine Verlustwärme in den Speicherzellen, wodurch hohe Temperaturen in den Speicherzellenmodulen entstehen. Zur Vermeidung einer Schädigung der Speicherzellen oder des gesamten Speicherzellenmoduls durch überhöhte Temperaturen sowie zur Erzielung einer auseichenden Lebensdauer des Speicherzellenmoduls muss die Verlustwärme aus diesem abgeführt werden. Die Wärmeabfuhr erfolgt beispielsweise durch eine aktive Kühlung. Hierbei stehen die Speicherzellen des Speicherzellenmoduls mit einem Kühlelement Wärme leitend in Verbindung, wobei das Kühlelement von einem Kühlmedium durchströmt wird (sog. aktive Kühlung). Der Kühler besteht z.B. aus einer Vielzahl von Rohrschlangen, welche derart geformt sind, dass sie jeweilige Aufnahmebereiche für die Speicherzellenmodule ausbilden. Um die Vorrichtung zur Spannungsversorgung auch bei einer Vielzahl an Speicherzellenmodulen möglichst kompakt ausgestalten zu können, werden die Speicherzellenmodule beispielsweise in zwei nebeneinander angeordneten Reihen platziert.
Bei einer derartigen Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs werden die zu einer Einheit zusammengefassten Speicherzellen sowie der Kühler als getrennte Komponenten voneinander gefertigt. Der Kühler einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung mit einer Mehrzahl an Speicherzellenmodulen ist ein einstückiges Bauteil, in welches zur Herstellung der Vorrichtung lediglich noch die vorbereiteten Speicherzellenmodule eingebracht werden müssen. Die gesamte Einheit aus Kühler und Speicherzellenmodulen kann in ein die Komponenten umgebendes Gehäuse eingebracht werden. Das Gehäuse wird in dem Kraftfahrzeug an einer dafür vorgesehenen Position angeordnet und befestigt. Kühlmediumanschlüsse des Kühlers werden dann mit einem entsprechenden Kühlmittelreservoir des Kraftfahrzeugs verbunden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass der Kühler als einstückige, monolithische Komponente vor dem Verbau im Kraftfahrzeug auf Dichtheit geprüft werden kann. Der einzige, durch den Hersteller des Kraftfahrzeugs vorzunehmende Anschluss besteht in der Verbindung der Kühlmediumanschlüsse mit der Kühlmittelvorrichtung des Fahrzeugs.
Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung zur Spannungsversorgung besteht darin, dass bei einer Vielzahl von Speicherzellenmodulen einerseits der Kühler eine große Komplexität aufweist. Andererseits wird in dem Fahrzeug zur Aufnahme der Vorrichtung eine der Größe der Vorrichtung entsprechende Fläche zur Anordnung und Befestigung der Vorrichtung benötigt. Bei einer Änderung der geometrischen Abmaße der Speicherzellen und/oder bei einer Änderung der Anzahl an Speicherzellen eines Speicherzellenmoduls besteht darüber hinaus die Notwendigkeit, den Kühler an die spezifischen Eigenheiten des Speicherzellenmoduls anzupassen. Eine weitere Anpassung des Kühlers kann sich unter Umständen dadurch ergeben, dass je nach Größe des Fahrzeugs nicht der notwendige Bauraum zum Einbau einer Vorrichtung mit einer vorgegebenen Anzahl an Speicherzellenmodulen zur Verfügung steht. Dies erfordert unter Umständen die Anpassung der Anordnung der Speicherzellenmodule zueinander, wodurch jedes Mal ein neuer Kühler bereitgestellt werden muss.
Aus der DE 10 2008 014 155 A1 ist ein modulares Batteriesystem mit zumindest zwei Batteriemodulen bekannt, das mit wenig Aufwand und kostengünstig für unterschiedliche Anwendungen und in unterschiedlichen Größen bereitgestellt werden kann. Bei dem dort vorgeschlagenen Batteriesystem weist jedes Batteriemodul einen zumindest teilweise von einem Kühlmittel durchströmten Kühlkörper und eine Batteriezelle auf. Die Batteriezelle ist derart an dem Kühlkörper angeordnet, dass sich ein Wärme leitender Kontakt zwischen der Batteriezelle und dem Kühlkörper einstellt. Es ist ferner eine Kühlmittelversorgung mit einem Kühlmittelleiter zur Verteilung des Kühlmittels an die Kühlkörper und zum Ableiten des Kühlmittels von den Kühlkörpern vorgesehen. Der Kühlmittelleiter weist Kühlmittelleitermodule auf, die miteinander verbindbar sind und zumindest teilweise den Kühlmittelleiter bilden. Ein Nachteil des in der DE 10 2008 0 4 155 A1 gezeigten Batteriesystems ist der Umstand, dass die Anordnung der Speicherzellenmodule zueinander nicht flexibel erfolgen kann. Es besteht lediglich die Möglichkeit, die neben- bzw. hintereinander angeordnete Anzahl an Batteriemodulen zu variieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexiblere Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei der die Anzahl und Anordnung von Speicherzellenmodulen zueinander auf kostengünstige Weise flexibler bereitgestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine modulare Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft eine modulare Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder eines Motorrads, mit zumindest zwei Speicherzellenmodulen, wobei jedes Speicherzellenmodul einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, die Wärme leitend mit dem Kühlkörper verbunden ist, umfasst, und mit einer Kühlmittelleitungsstruktur, über die die Kühlkörper zur Führung des Kühlmediums miteinander verschaltet sind. Die modulare Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder der Kühlkörper zumindest einen Kühlmediumanschlusseingang und einen Kühlmediumanschlussausgang aufweist, die bei oder nach einer sequentiellen Montage der Speicherzellenmodule in das Kraftfahrzeug oder in ein Gehäuse wahlweise direkt oder, wenn die Speicherzellenmodule räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, über einzelne Leitungen der Kühlmittelleitungsstruktur miteinander verbunden sind, wobei die Leitungen an die räumliche Einbausituation angepasst sind.
Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass die relative Anordnung mehrerer Speicherzellenmodule zueinander dadurch variiert werden kann, dass ein jeweiliges Speicherzellenmodul einen eigenen Kühlkörper umfasst. Durch eine direkte Verbindung jeweils zweier Speicherzellenmodule (indem deren Kühlkörper zusammengesteckt werden) kann eine kompakte Vorrichtung zur Spannungsversorgung erzeugt werden. Dabei ist es ohne Weiteres möglich, mehr als zwei Speicherzellenmodule direkt miteinander seriell zu verschalten. Steht der für eine direkte, serielle Verschaltung notwendige Platz in einem Kraftfahrzeug nicht zur Verfügung, so können die Speicherzellenmodule auch
beabstandet zueinander im Kraftfahrzeug angeordnet werden. Beabstandung meint, dass die Speicherzellenmodule auf einer Längsachse in einem Abstand zueinander und/oder auch seitlich versetzt bezüglich der Längsachse zueinander angeordnet sein können. Um die Führung des Kühlmediums durch die Kühlkörper der Speicherzellenmodule sicherzustellen, werden dann jeweilige Kühlmediumanschlüsse (d.h. zugeordnete
Kühlmediumanschlussein- und -ausgänge seriell zu verschaltender Speicherzellenmodule) über eine jeweilige Leitung miteinander verbunden.
Die Herstellung bzw. Fertigstellung des Kühlmittelkreislaufs erst nach dem Einbau der Speicherzellenmodule in ein Kraftfahrzeug ermöglicht die flexible Anordnung einer beliebigen Anzahl an Speicherzellenmodulen in einem Fahrzeug. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass bei unterschiedlicher Anzahl und/oder Anordnung von Speicherzellenmodulen in unterschiedlichen Fahrzeugtypen nicht der gesamte Kühler neu entwickelt und hergestellt werden braucht, sondern lediglich die zwei Speicherzellenmodule miteinander verbindenden Leitungen. Hierdurch lassen sich die Kosten für die Herstellung einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erheblich senken.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst jedes Speicherzellenmodul hinsichtlich seiner Abmaße und/oder der Anordnung seiner Kühlmittelein- und -ausgänge identisch ausgebildete Kühlkörper. Durch die Verwendung eines standardisierten Kühlkörpers können die Kosten für die Herstellung der Vorrichtung zur Spannungsversorgung aufgrund höherer Stückzahlen von Gleichteilen reduziert werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind sämtliche Speicherzellenmodule der modularen Vorrichtung identisch ausgebildet. Sind sämtliche Komponenten der Speicherzellenmodule identisch ausgebildet, können große Skalierungseffekte hinsichtlich der Kosten erzielt werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Verbindung zwischen einem Kühlmediumanschlusseingang eines Kühlkörpers und einem Kühlmediumanschlussaus- gang des gleichen oder eines anderen Kühlkörpers; oder einem Kühlmediumanschlusseingang eines Kühlkörpers und einem Leitungsausgang; oder einem Kühlmediuman- schlussausgang eines Kühlkörpers und einem Leitungseingang lösbar in Form einer Kupplung oder eines Adapters ausgebildet. Vorzugsweise ist die lösbare Verbindung unter Verwendung einer Schnellkupplung und eines in die Schnellkupplung einführbaren Stecknippels realisiert. Alternativ kann die lösbare Verbindung unter Verwendung eines Schraubflanschs realisiert sein. Weiter alternativ kann die lösbare Verbindung auch als Klemmringverschraubung ausgebildet sein. In einer alternativen Variante können die genannten Verbindungen auch unlösbar, insbesondere durch Stoff-, Kraft- oder Form- schluss, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die unlösbare Verbindung unter Verwendung eines Pressfittings ausgeführt. Die Ausgestaltung der Verbindung in lösbarer Form nach Art einer Kupplung oder eines Adapters erlaubt die schnelle Herstellung jeweiliger Verbindungen. Die Wahl einer unlösbaren Verbindung weist den Vorteil auf, dass eine gute Dichtigkeit des Kühlsystems sichergestellt werden kann. Ebenso wird weniger Bauraum benötigt.
Vorteilhafterweise können mit den vorstehend genannten lösbaren und unlösbaren Verbindungen nicht nur Kühlkörper untereinander, sondern auch einzelne Kühlkörper mit einem zentralen Kühlmediumverteiler verbunden werden. Der Einsatz eines zentralen Kühlmediumverteilers hat zudem den Vorteil, dass einzelne Kühlkörper mit Kühlmedium versorgt werden können, ohne dass hierfür zwingend die Kühlkörper seriell miteinander verschaltet bzw. seriell miteinander verbunden sein müssen. Es ist nämlich denkbar, dass eine Anzahl von Kühlkörpern jeweils direkt mit dem Kühlmediumverteiler verbunden sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Leitung aus einem flexiblen Material gebildet. Beispielsweise kann die Leitung als Schlauch ausgebildet sein, welcher ohne besondere Maßnahmen der räumlichen Einbausituation durch Biegung angepasst werden kann. Alternativ kann der Verlauf der Leitung entsprechend der Einbausituation zweier mit Kühlmittel zu verschaltender Speicherzellenmodule vorgefertigt sein. Hierdurch wird die Verwendung von Rohren und Leitungen aus einem starren Material, wie z.B. Metall oder Kunststoff, möglich, welche keine flexiblen Eigenschaften aufweisen.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn folgende Elemente komplementär zueinander ausgebildet sind: der Kühlmediumanschlusseingang und der Kühlmediumanschlussausgang jeweiliger Kühlkörper; der Kühlmediumanschlusseingang eines Kühlkörpers und ein Leitungsausgang; der Kühlmediumanschlussausgang eines Kühlkörpers und ein Leitungseingang.
Die Speicherzellenmodule können wahlweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Die Anordnung sämtlicher Speicherzellenmodule in einem gemeinsamen Ge- häuse bringt den Vorteil mit sich, dass sämtliche Komponenten darin vereint werden können und dadurch ein größeres Maß an Vorfertigung ermöglicht wird. Das Gehäuse mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dann als Ganzes in dem Kraftfahrzeug verbaut werden. Auch aus Sicherheitsgründen ist es zu bevorzugen, sämtliche Komponenten in einem einzigen Gehäuse anzuordnen. Bei einer Beschädigung einer Speicherzelle, z.B. aufgrund einer Notentgasung, können andere Funktionskomponenten des Fahrzeugs dann nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Kühlmediumanschiusseingange und -ausgänge an wenigstens einer Stirnseite eines jeweiligen Kühlkörpers angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Grundfläche des Kühlkörpers nicht wesentlich größer als die Fläche der Anzahl an Speicherzellen des Speicherzellenmoduls machen zu müssen. Im Ergebnis lassen sich kompakte Speicherzellenmodule bereitstellen. Besonders bevorzugt ist es, wenn an gegenüberliegenden Stirnseiten eines jeweiligen Kühlkörpers zumindest ein Kühlmittelein- und -ausgang angeordnet ist. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Weise eine serielle Verschaltung der Kühlkörper der Speicherzellenmodule bewerkstelligen. Insbesondere ist das Kreuzen unterschiedlicher Leitungen nicht erforderlich bzw. kann vermieden werden.
Eine besonders einfache Ausgestaltung des Speicherzellenmoduls ergibt sich dadurch, dass der Kühlkörper als Kühlplatte ausgebildet ist, auf dessen Hauptseite die zumindest eine Speicherzelle angeordnet ist. Ein derartiger Kühlkörper bietet sich insbesondere bei solchen Speicherzellen an, welche einen prismatischen oder zylindrischen Querschnitt aufweisen. Bei davon abweichenden Formen der Speicherzellen, wie z.B. Coffeebag- ähnlichen Speicherzellen (sog. Pouch-Zellen) oder anderen Speicherzellen mit nichtfester Außenhülle, ist es zweckmäßig, wenn der Kühlkörper zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten sich senkrecht zur Hauptseite erstreckende Wände aufweist. In seiner einfachsten Ausgestaltung ist der Kühlkörper dann U-förmig. Optional können zwischen diesen beiden Außenwänden auch weitere Wände vorgesehen sein, so dass jede Speicherzelle von zwei gegenüberliegend angeordneten Wänden eingeschlossen ist. Bevorzugt sind die Wände wärmetechnisch an die Platte des Kühlkörpers angebunden, um die Wärmeableitung zu verbessern. In einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen den Speicherzellen und dem Kühlkörper ein insbesondere einstückig ausgebildetes Wärmeleitblech angeordnet sein. Vorzugsweise erstreckt sich das Wärmeleitblech über die gesamte Bodenfläche eines Speicherzellenmoduls oder einer aus mehreren Speicherzellenmodulen aufgebauten Batterie. Der Einsatz eines Wärmeleitblechs ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeabfuhr.
Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder eines Motorrads, gemäß einem der vorherigen Ansprüche. Das Verfahren weist die folgenden Schritt auf: Herstellen eines ersten Speicherzellenmoduls, das einen ersten von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper mit zumindest einem Kühlmediumanschlusseingang und einem Kühlmediumanschlussausgang und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, die Wärme leitend mit dem ersten Kühlkörper verbunden ist, umfasst; Herstellen eines zweiten Speicherzellenmoduls, das einen zweiten von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper mit zumindest einem Kühlmediumanschlusseingang und einem Kühlmediumanschlussausgang und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, die Wärme leitend mit dem zweiten Kühlkörper verbunden ist, umfasst; sequentielle Montage des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls in das Kraftfahrzeug bzw. in ein Speichergehäuse entsprechend einer individuellen, räumlichen Einbausituation; wahlweise direktes Verbinden jeweiliger Kühlmediumanschlussein- und -ausgänge des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls bei der Montage der Speicherzellen in das Fahrzeug bzw. das Speichergehäuse oder, wenn die Speicherzellenmodule nach der Montage räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, Verbinden jeweiliger Kühlmediumanschlussein- und - ausgänge des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls über einzelne Leitungen, die an die räumliche Einbausituation angepasst sind.
Vorzugsweise werden die Speicherzellenmodule in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen angeordnet.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Speicherzellenmoduls zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Kühlkörpers des in Fig. 1 dargestellten Speicherzellenmoduls,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung, und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Speicherzellenmoduls 100 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs oder eines Motorrads. Das Speicherzellenmodul 100 weist beispielhaft acht hintereinander angeordnete Speicherzellen 120 auf. Die Speicherzellen 120 weisen in den gezeigten Ausführungsbeispielen lediglich beispielhaft eine prismatische Gestalt auf. Die Form der Speicherzellen ist von prinzipiell untergeordneter Bedeutung. Die Speicherzellen könnten ebenso zylindrisch, elliptisch oder in Form sog. Coffeebags (sog. Pouch-Zellen) ausgebildet sein.
Die Speicherzellen 120 sind mit ihrer Rückseite auf einem plattenförmigen Kühlkörper 110 aufgebracht. Der Kühlkörper 110, der in Fig. 2 alleine in einer perspektivischen Darstellung gezeigt ist, weist an seiner vorderen Stirnseite 117 einen Kühlmediumanschlussaus- gang 111 sowie einen Kühlmediumanschlusseingang 113 auf. Auf seiner hinteren, gegenüberliegenden Stirnseite 118 weist der plattenförmige Kühlkörper 110 einen Kühlmediumanschlusseingang 112 und einen Kühlmediumanschlussausgang 114 auf. Die auf den gegenüberliegenden Stirnseiten 117, 118 angeordneten Kühlmediumanschlussein- und -ausgänge 112, 111 bzw. 13, 114 sind jeweils über Kanäle 119 verbunden, durch welche ein Kühlmedium strömen kann. Der Verlauf der einen Kühlmediumanschlussein- und -ausgang verbindenden Kanäle 119 kann beliebig ausgebildet sein. Da, wie besser aus Fig. 1 ersichtlich ist, nahezu die gesamte Fläche einer Hauptseite 115 des plattenförmigen Kühlkörpers 110 mit den Rückseiten der Speicherzellen 120 in Kontakt steht, versteht es sich, dass sich der Verlauf der Kanäle 119 bevorzugt über die gesamte Fläche des Kühlkörpers 1 0 erstreckt. Unter einem Kühlmedium wird sowohl ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser oder Glykol, als auch ein Kühlmittel in Form eines 2-Phasengemisches verstanden.
Die Kühlmediumanschlussausgänge 111 , 114 des Kühlkörpers 1 10 sowie die
Kühlmediumanschlusseingänge 112, 113 sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen zur Herstellung einer lösbaren Verbindung ausgebildet. Eine lösbare Verbindung kann beispielsweise in der Form einer Kupplung oder eines Adapters bereitgestellt werden. Dabei sind die Kühlmediumanschlusseingänge 112, 113 komplementär zu den
Kühlmediumanschlussausgängen 111 , 114 ausgebildet. Dies bedeutet, der beispielhaft an den Kühlmediumanschlussausgängen 111 , 114 dargestellte Stutzen 116 kann direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Kühlmedium führender Komponenten, mit einem Kühlmediumanschlusseingang eines anderen Kühlkörpers verbunden werden. Die Ausgestaltung der Stutzen 116, insbesondere auf deren Außenseite, sowie die Ausgestaltung der Kühlmediumanschlusseingänge 112, 113 auf deren Innenseiten, kann durch einen Fachmann in beliebiger Weise ausgestaltet werden. Beispielsweise kann der Stutzen 16 als Stecknippel und die Kühlmediumanschlusseingänge 112, 113 jeweils als Schnellkupplungen ausgeführt sein. Beim Design der Verbindung ist sicherzustellen, dass eine sichere Abdichtung im Bereich der Verbindungsstelle gegeben ist. Dies kann durch geeignete Dichtmittel realisiert werden.
Die Herstellung des beispielhaft als Kühlplatte ausgebildeten Kühlkörpers 0 kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Beispielsweise kann der Kühlkörper 110 aus einem Rollbond erzeugt sein. Ebenso ist die Herstellung durch mehrere Schichten möglich, wobei in eine oder mehrere innere Schichten der Leitungsverlauf der Kanäle 1 19, z.B. durch Lasern, eingebracht ist. Sofern die Kanäle 119 durch eine geradlinige Verbindung zwischen den Kühlmediumanschlusseingängen 112, 113 und den zugeordneten
Kühlmediumanschlussausgängen 111 , 114 gebildet ist, kann der Kühlkörper 110 auch durch Strangpressen gefertigt sein. Die Ausgestaltung der Kanäle im Inneren des Kühlkörpers kann weiterhin durch sog. Flachrohre realisiert sein, welche zwischen zwei äußeren Deckschichten eingebettet sind. Alternativ kann der Kühlkörper 110 zumindest teilumfänglich auch als Kühlrohr oder als Multiporttube ausgeführt sein.
Da die Speicherzellen 120, wie aus Fig. 1 ersichtlich, lediglich mit ihren Rückseiten mit dem Kühlkörper 110 Wärme leitend verbunden sind, ist es zweckmäßig, wenn deren Zellmäntel aus einem gut Wärme leitenden Material bestehen. Beispielsweise können die Zellmäntel der Speicherzellen 120 aus Aluminium gebildet sein. Hierdurch ist eine gute Wärmeleitung senkrecht zur Hauptfläche 1 5 des Kühlkörpers 1 0 gewährleistet.
Die Befestigung der Speicherzellen 120 erfolgt vorzugsweise durch eine in den Figuren nicht dargestellte Verspannung. Die Verspannung dient zunächst dazu, die in Längsrichtung hintereinander angeordneten Speicherzellen 120 miteinander zu verspannen, um aufgrund von chemischen Reaktionen im Betrieb der Speicherzellen 120 ein sog.
Aufbauchen zu verhindern. Zu diesem Zweck umfasst die Verspannung eine vordere Platte, welche mit der dem Betrachter zugewandten Hauptseite 121 der vordersten Speicherzelle 120 gekoppelt ist sowie eine hintere Druckplatte, welche mit der Hauptseite 122 der hintersten Speicherzelle mechanisch in Kontakt steht. Die beiden Druckplatten sind über ein Verspannmittel, beispielsweise verschweißte oder verschraubte Stangen oder Platten, auf Zug belastet. Die beiden Druckplatten können an ihrer, dem Kühlkörper 110 zugewandten Seite einen Flansch mit Ausnehmungen aufweisen. Durch diese Ausnehmungen hindurch können die verspannten Speicherzellen Wärme leitend mit dem Kühlkörper 1 0 verbunden werden. Darüber hinaus sind auch weitere, beispielsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindungen denkbar.
Beispielsweise auf ihrer von dem Kühlkörper 110 abgewandten Vorderseite weisen die Speicherzellen 120 jeweils zwei Anschlussterminals (Batteriepole) auf. Diese sind in der Figur ebenfalls nicht dargestellt, da diese für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung sind. Alternativ könnten die Anschlussterminals auf den gegenüberliegenden seitlichen Stirnseiten der Speicherzellen 120 vorgesehen sein. Die Anordnung der Anschlussterminals auf ihrer Vorderseite weist jedoch den Vorteil auf, dass die elektrische Kontak- tierung über in einer Anschlussmatrix eingelegte Zellverbinder auf einfache Weise erfolgen kann.
Um die Kühlung der Speicherzellen 120 zu verbessern, könnte in einer zeichnerisch nicht dargestellten Abwandlung des Kühlkörpers 110 vorgesehen sein, dass der Kühlkörper 110 an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten sich senkrecht zur Hauptseite in Längsrichtung erstreckende Wände aufweist. Hierdurch könnte zusätzlich über die gegenüberliegenden Seitenkanten der Speicherzellen 120 Wärme abgeführt werden. Je nach Ausgestaltung der Speicherzellen könnte darüber hinaus vorgesehen sein, zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Speicherzellen 120 Finnen vorzusehen, welche ebenfalls Wärme leitend mit dem plattenförmigen Grundkörper des Kühlkörpers 110 verbunden sind.
Das in Fig. 1 dargestellte Speicherzellemodul 100 ist somit grundsätzlich aus den Speicherzellen 120 und einem damit verbundenen, aktiven Kühlkörper 1 0, d.h. einem von Kühlmedium durchströmten Kühlkörper, gebildet. Dadurch, dass der Kühlkörper Bestandteil eines Speicherzellenmoduls ist, kann eine Vorrichtung zur Spannungserzeugung, welche aus einer Mehrzahl an wie in Fig. 1 dargestellten Speicherzellenmodulen besteht, flexibel in einem Gehäuse der Vorrichtung zur Spannungsversorgung angeordnet werden. Unter einer flexiblen Anordnung ist dabei eine beliebige räumliche Anordnung zweier Speicherzellen zueinander zu verstehen. Ein aktiv gekühltes Speicherzellenmodul erlaubt es, die Kühlmittelleitungsstruktur, über die die Kühlkörper zur Führung von Kühlmedium miteinander verschaltet sind, während oder nach dem Einbau der Speicherzellenmodule in das Gehäuse (oder alternativ auch direkt das Kraftfahrzeug) vorzunehmen. Insbesondere können zwei Speicherzellenmodule wahlweise direkt oder, wenn die Speicherzellenmodule räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, über einzelne Leitungen der Kühlmittelleitungsstruktur miteinander verbunden werden, wobei die Leitungen auf einfache und kostengünstige Weise an die räumliche Einbausituation angepasst sind bzw. werden können.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen modularen Vorrichtung zur Spannungsversorgung mit beispielhaft zwei Speicherzellenmodulen 100, 200. Prinzipiell ist es ausreichend, wenn jedes der Speicherzellenmodule 100, 200 hinsichtlich seiner Abmaße und/oder der Anordnung seiner Kühlmittelein- und -ausgänge identisch ausgebildete Kühlkörper 110, 210 umfasst. Vorzugsweise sind jedoch nicht nur die Kühlkörper 110, 210 identisch ausgebildet, sondern sämtliche Speicherzellenmodule 100, 200 der modularen Vorrichtung 1 identisch. Im Ausführungsbeispiel sind bei dem Speicherzellenmodul 200 somit ebenfalls acht hintereinander angeordnete Speicherzellen 220 mit ihrer Rückseite auf einem plattenförmigen Kühlkörper 210 angeordnet. Hierdurch können die Speicherzellenmodule in einer großen Stückzahl gefertigt werden, wodurch die Stückkosten sinken. Prinzipiell kann eine Vorrichtung 1 eine beliebige Anzahl an Speicherzellenmodulen mit einer jeweils beliebigen Anzahl an Speicherzellen aufweisen, wobei die Anzahl von einer jeweiligen Anwendung abhängig ist.
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind einander gegenüberliegende Kühlmediumanschlussein- und -ausgänge direkt miteinander verbunden. Der Kühlmediu- manschlussausgang 111 des Speicherzellenmoduls 100 ist über eine Leitung 150 mit dem Kühlmediumanschlusseingang 113 verbunden. Die Leitung 150 weist an ihrem den Kühlmediumanschlusseingang 113 zugewandten Ende einen Stutzen 51 und an ihrem dem Kühlmediumanschlussausgang 111 zugewandten Ende eine Kappe 152 auf. Die Kappe 152 ist dabei nach Art einer Kupplung oder eines Adapters über den Stutzen 116 geführt. Der Stutzen 151 , der in der Darstellung noch nicht mit dem Kühlmediumanschlusseingang 1 13 gekoppelt ist und von der Form dem Stutzen 116 entspricht, wird in diesen eingeführt. In entsprechender Weise ist die fluiddichte Verbindung zwischen den einander zugeordneten und gegenüberliegenden Kühlmediumanschlussein- und - ausgängen der Speicherzellenmodule 00, 200 ausgeführt. Mit ihrer von dem Speicherzellenmodul 100 abgewandten Stirnseite 218 kann die Vorrichtung 1 an ein Kühlmittelspeisesystem oder ein weiteres Speicherzellenmodul angeschlossen werden. Beispielsweise können der Stutzen 151 als Stecknippel und die Kappe 52 als Schnellkupplung ausgeführt sein.
Die in Fig. 3 dargestellte Variante ermöglicht eine raumoptimierte, modulare Vorrichtung. Die direkte Verbindung einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Speicherzellenmodulen bedingt jedoch, dass die dafür benötigte Grundfläche auch in dem Kraftfahrzeug zur Verfügung steht, in welches die Vorrichtung 1 angeordnet werden soll.
Demgegenüber ermöglicht die Vorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante, die in Fig. 4 dargestellt ist, eine nahezu beliebige relative Anordnung der Speicherzellenmodule 100, 200 zueinander. In der dargestellten perspektivischen Darstellung sind die Speicherzellenmodule 100, 200 nebeneinander mit einem (beliebigen) Abstand zueinander angeordnet. Die Verbindung jeweiliger, zugeordneter Kühlmediumanschlussein- und - ausgänge der Speicherzellenmodule 100, 200 erfolgt über Leitungen 160, 170. Über weiter dargestellte Leitungen 180, 190 können die Speicherzellenmodule 100, 200 mit weiteren, nicht dargestellten Speicherzellenmodulen oder einer Kühlmitteleinspeisung gekop- pelt sein. Wie aus der Zeichnung ohne Weiteres ersichtlich ist, ist der Kühlmediumanschlussausgang 111 des Speicherzellenmoduls 100 über die Leitung 160 mit einem Kühlmediumanschlusseingang 213 des Speicherzellenmoduls 200 verbunden. In entsprechender Weise ist ein Kühlmediumanschlussausgang 21 1 des Speicherzellenmoduls 200 mit einem Kühlmediumanschlusseingang 113 des Speicherzellenmoduls 100 verbunden. Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Verbindungen lösbar in Form einer Kupplung oder eines Adapters ausgebildet. Hierzu weisen die Leitungen 160, 170, 180, 190 an ihrem einen Ende eine Kappe 162, 172, 182, 192 zur Aufnahme eines jeweiligen Stutzens des zugeordneten Kühlmediumanschlussausgangs sowie einen Stutzen 161 , 71 zum Einführen in einen zugeordneten Kühlmediumanschlusseingang 113, 213 auf. Beispielsweise können die Kappen 162, 172, 182, 192 als Schnellkupplungen und die Stutzen 161 , 171 als Stecknippel ausgeführt sein. Bei der Kühlmitteleinspeisung kann es sich um einen zentralen Kühlmediumverteiler handeln.
Durch die Leitungen ist es möglich, eine prinzipiell beliebige Anzahl an Speicherzellenmodulen 100, 200 seriell und/oder parallel (bei Ausbildung zumindest mancher der Leitungen als Weiche oder Y) zu verschalten. Die Leitungen können flexibel, z.B. in Gestalt eines Schlauches, ausgebildet sein. Die Leitungen können ebenfalls aus einem starren Material bestehen, das entsprechend der jeweiligen Einbausituation in die erforderliche Form gebracht ist. Die Leitungen können dann beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet sein.
Sofern die lösbare Verbindung nach Art einer Kupplung oder eines Adapters bezüglich der Dichtheit als unsicher erscheint, können entsprechende Mittel zur Verriegelung der Verbindung vorgesehen sein. Ebenso ist die Verwendung eines Quetschringes zwischen Leitung und Kappe bzw. Stutzen denkbar. Alternativ kann die lösbare Verbindung auch als Klemmringverschraubung ausgebildet sein.
Sämtliche Komponenten, d.h. sämtliche Speicherzellenmodule einschließlich der diese verbindenden Leitungen, sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, welches nach endgültiger Herstellung der Vorrichtung 1 in das Kraftfahrzeug eingebracht wird. Zur Herstellung der Vorrichtung 1 werden die Speicherzellenmodule 100, 200 zunächst in das Gehäuse oder alternativ direkt in das Fahrzeug eingebracht. Dabei wird vorzugsweise zwischen die Kühlplatte und dem Boden des Gehäuses bzw. des Fahrzeugs eine Isolationsschicht vorgesehen, um die Kühlleistung nicht zu verschlechtern. Nach dem Einbringen der Speicherzellenmodule in das Gehäuse oder das Fahrzeug erfolgt die Herstellung der Verbindung jeweiliger, zugeordneter Kühlmediumanschlussein- und -ausgänge. Die Herstellung der Kühlmittelleitungsstruktur erfolgt damit erst im Rahmen des Einbaus der Speicherzellenmodule in das Gehäuse oder das Fahrzeug. Hierdurch ist eine hohe Flexibilität gegeben, da die zur Herstellung der Verbindung benötigten Leitungen - sofern keine direkte Verbindung zweier Speicherzellenmodule erfolgt - durch einfache und kostengünstige Schläuche oder Rohre erfolgen kann.
Um die Wärmeabfuhr zu verbessern, kann ein Wärmeleitblech zwischen den Speicherzellen und dem Kühlkörper eingefügt sein. Das Wärmeleitblech ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeabfuhr. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in den Fig. , 3 und 4 auf die Darstellung eines Wärmeleitblechs verzichtet.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Kühlkörper mit Anschlussmöglichkeiten, nämlich den Stutzen und Kühlmitteleingängen versehen, über die die einzelnen Kühlkörper mittels Schläuchen bzw. Schlauchleitungen oder Rohren bzw. Rohrleitungen miteinander verbunden, vorzugsweise seriell verschaltet werden können, oder mit einem zentralen Kühlmediumverteiler verbunden werden können. Alternativ können die Kühlkörper auch mit Rohr- und/oder Schlauchenden versehen sein, über die sie dann mit dem Kühlmediumverteiler verbunden oder seriell miteinander verschaltet werden können.
Bezugszeichenliste Vorrichtung zur Spannungsversorgung
Speicherzellenmodul
Kühlkörper
Kühlmittelanschlussausgang
Kühlmittelanschlusseingang
Kühlmittelanschlusseingang
Kühlmittelanschlussausgang
Hauptseite
Stutzen
Stirnseite
Stirnseite
Kanal
Speicherzelle
Hauptseite
Hauptseite
Leitung
Stutzen
Kappe
Leitung
Stutzen
Kappe
Leitung
Stutzen
Kappe
Leitung
Stutzen
Kappe
Leitung
Kappe
Speicherzellenmodul
Kühlkörper
Kühlmittelanschlussausgang Kühlmittelanschlusseingang Kühlmittelanschlusseingang Kühlmittelanschlussausgang Hauptseite
Stutzen
Stirnseite
Stirnseite
Speicherzelle

Claims

Patentansprüche . Modulare Vorrichtung (1 ) zur Spannungsversörgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkws oder eines Motorrads, mit zumindest zwei Speicherzellenmodulen (100, 200), wobei jedes Speicherzellenmodul (100, 200) einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper (110, 210) und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (120, 220), die Wärme leitend mit dem Kühlkörper (110, 210) verbunden ist, umfasst, und mit einer Kühlmittelleitungsstruktur (119), über die die Kühlkörper (110, 210) zur Führung des Kühlmediums miteinander verschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder der Kühlkörper (110, 210) zumindest einen Kühlmediumanschlusseingang (112, 113; 212, 213) und einen Kühlmediumanschlussausgang (1 11 , 1 14; 211 , 214) aufweist, die bei oder nach einer sequenziellen Montage der Speicherzellenmodule (100, 200) in das Kraftfahrzeug oder in ein Gehäuse der Vorrichtung wahlweise direkt und/oder, wenn die Speicherzellenmodule ( 00, 200) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, über einzelne Leitungen (150; 160, 170, 180) der Kühlmittelleitungsstruktur (119) miteinander verbunden sind, wobei die Leitungen (150; 160, 170, 180) an die räumliche Einbausituation angepasst sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Speicherzellenmodul (100, 200) hinsichtlich seiner Abmaße und/oder der Anordnung seiner Kühlmittelein- und -ausgänge identisch ausgebildete Kühlkörper (1 10, 210) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Speicherzellenmodule (100, 200) der modularen Vorrichtung identisch ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen
- einem Kühlmediumanschlusseingang (112, 113; 212, 213) eines Kühlkörpers (110, 210) und einem Kühlmediumanschlussausgang (111 , 114; 211 , 214) des gleichen oder eines anderen Kühlkörpers (110, 210); oder - einem Kühlmediumanschlusseingang (1 2, 1 3; 212, 2 3) eines Kühlkörpers (110, 210) und einem Leitungsausgang; oder
- einem Kühlmediumanschlussausgang (111 , 114; 211 , 214) eines Kühlkörpers (110, 210) und einem Leitungseingang
lösbar in Form einer Kupplung oder eines Adapters ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen
- einem Kühlmediumanschlusseingang (112, 1 3; 212, 213) eines Kühlkörpers (110, 210) und einem Kühlmediumanschlussausgang (1 1 , 114; 211 , 214) des gleichen oder eines anderen Kühlkörpers (110, 210); oder
- einem Kühlmediumanschlusseingang (112, 113; 212, 213) eines Kühlkörpers (110, 210) und einem Leitungsausgang; oder
- einem Kühlmediumanschlussausgang (111 , 114; 211 , 214) eines Kühlkörpers (1 0, 210) und einem Leitungseingang
unlösbar, insbesondere durch Stoff-, Kraft- oder Formschluss, ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung aus einem flexiblen Material gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Leitung entsprechend der Einbausituation zweier mit Kühlmedium zu verschaltender Speicherzellenmodule (100, 200) vorgefertigt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Elemente komplementär zueinander ausgebildet sind:
- der Kühlmediumanschlusseingang ( 2, 113, 212, 213) und der Kühlmediumanschlussausgang (111, 114; 211, 2 4) jeweiliger Kühlkörper (1 0, 210);
- der Kühlmediumanschlusseingang (112, 113; 212, 213) eines Kühlkörpers (110, 210) und ein Leitungsausgang;
- der Kühlmediumanschlussausgang (111, 114; 211 , 214) eines Kühlkörpers
(110, 210) und ein Leitungseingang.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellenmodule (100, 200) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Kühlmediumanschlusseingänge und -ausgänge an wenigstens einer Stirnseite eines jeweiligen Kühlkörpers (110, 210) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an gegenüberliegenden Stirnseiten eines jeweiligen Kühlkörpers (1 0, 210) zumindest ein Kühlmittelein- und -ausgang angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (110, 210) als Kühlplatte ausgebildet ist, auf dessen Hauptseite (115, 215) die zumindest eine Speicherzelle (120, 220) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (110, 210) zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten sich senkrecht zur Hauptseite erstreckende Wände aufweist.
14. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkws oder eines Motorrads, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten:
- Herstellen eines ersten Speicherzellenmoduls (100), das einen ersten von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper (110, 210) mit zumindest einem Kühlmediumanschlusseingang (112, 113) und einem Kühlmediumanschlus- sausgang (111 , 114) und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (120, 220), die Wärme leitend mit dem ersten Kühlkörper (110) verbunden ist, um- fasst;
- Herstellen eines zweiten Speicherzellenmoduls (200), das einen zweiten von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkörper (210) mit zumindest einem Kühlmediumanschlusseingang (212, 213) und einem Kühlmediumanschlus- sausgang (211 , 214) und zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (220), die Wärme leitend mit dem zweiten Kühlkörper (210) verbunden ist, umfasst; - sequentielle Montage des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls (100, 200) in das Kraftfahrzeug entsprechend einer individuellen, räumlichen Einbausituation;
- Wahlweise direktes Verbinden jeweiliger Kühlmediumanschlussein- und - ausgänge des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls (100, 200) bei der Montage der Speicherzellen in das Fahrzeug oder in ein Gehäuse oder, wenn die Speicherzellenmodule (100, 200) nach der Montage räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, Verbinden jeweiliger Kühlmediumanschlussein- und - ausgänge des ersten und des zweiten Speicherzellenmoduls (100, 200) über einzelne Leitungen (150; 160, 170, 180), die an die räumliche Einbausituation angepasst sind.
15. Verfahren nach Anspruch14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellenmodule (100, 200) in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen angeordnet werden.
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