WO2022263059A1 - Batteriemodul mit temperierkanalanordnung - Google Patents

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WO2022263059A1
WO2022263059A1 PCT/EP2022/062548 EP2022062548W WO2022263059A1 WO 2022263059 A1 WO2022263059 A1 WO 2022263059A1 EP 2022062548 W EP2022062548 W EP 2022062548W WO 2022263059 A1 WO2022263059 A1 WO 2022263059A1
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battery
channels
battery module
discharge
feed
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PCT/EP2022/062548
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Inventor
Hafiz Muhammad Waqas
Charlotte Tardt
Julian CARL
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Lion Smart Gmbh
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/213—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for cells having curved cross-section, e.g. round or elliptic

Definitions

  • the invention relates to a battery module having a battery housing, a plurality of battery cells arranged between a first side and a second side opposite the first side within the battery housing, and a temperature control channel arrangement through which a temperature control liquid can flow.
  • Cooling systems in traction batteries of motor vehicles are predominantly known from the prior art, which provide indirect and serial temperature control or are designed as plate or side cooling. This form of cooling leads to large gradients between the first and last battery cells in a battery module. This sometimes has the disadvantage that the battery cells age differently and can be used less heavily and for longer periods.
  • immersion cooling systems in which the battery cells are arranged in a coolant bath. In the case of the known immersion cooling systems, the battery cells are surrounded by a serial, relatively uncoordinated or different flow rate, so that marginal areas with dead zones arise in which no coolant exchange takes place. The increasing temperature gradient within a battery pack and the insufficient temperature control of the battery cells in the edge and end areas lead to varying degrees of stress and aging on the battery cells.
  • the object of the invention is to provide improved temperature control for a battery module, which can control the temperature of the battery cells of the battery module as evenly as possible and is preferably inexpensive and requires little installation space.
  • the object of the invention is achieved by a battery module with a battery housing, a plurality of battery cells arranged between a first side and a second side opposite the first side within the battery housing, and a temperature control channel arrangement through which a temperature control liquid can flow, the temperature control channel arrangement having a number of temperature control channels on the second side of the battery housing arranged and spaced apart from each other and a plurality of discharge ducts arranged on the first side of the battery housing and spaced apart from one another, the feed ducts having outlets which are spaced apart from one another in a direction of longitudinal extent of the feed ducts, the discharge ducts having inlets which are spaced apart from one another in a direction of longitudinal extent of the discharge ducts are, and between the plurality of battery cells fluidically interconnected spaces of the temperature control channel arrangement are formed , which are fluidically connected to the outlets of the supply channels and the inlets of the discharge channels.
  • the invention enables a uniformly distributed immersion temperature control by means of the temperature control channel arrangement designed according to the invention Battery cells in the battery module.
  • the uniform distribution of the temperature control liquid is made possible by the elongated feed and discharge channels with their inlets and outlets, which are fluidically connected to one another by means of the intermediate spaces.
  • the temperature control liquid is introduced on one side of the feed channels and flows through the feed channels.
  • the tempering liquid enters through the inlets into the gaps between the battery cells, flows through the gaps and flows around the battery cells.
  • the temperature control liquid flows out of the intermediate spaces via the inlets on the discharge ducts in order to flow through the discharge ducts and be discharged at the ends of the discharge ducts. Dead zones within the gaps are avoided and the battery cells can withstand significantly higher loads and achieve a longer service life.
  • the temperature control channel arrangement forms flow paths for the temperature control liquid, with the flow paths extending from an inlet at the feed channels along the feed channels, through the outlets, along the intermediate spaces, through the inlets and along the discharge channels to an outlet at the Drainage channels extend.
  • a large number of flow paths result within the intermediate spaces, which also meet one another. What is decisive, however, is that the main direction of flow leads from the outlets of the supply channels to the inlets of the discharge channels.
  • the tempering liquid expediently has (high) dielectric properties, preferably without any electrical conductivity, in order to safely and reliably avoid leakage currents, creepage currents or even short circuits within the battery module.
  • a (single-phase) non-halogen-containing and food-grade coolant e.g. Asperitas® from Shell
  • a two-phase immersion coolant e.g. from Novec® from 3M
  • the heat transfer liquid By using the heat transfer liquid for the (liquid) cooling of the battery module, a selective overheating of battery cells can be achieved much better than with air cooling. The energy required for cooling can also be reduced in this way.
  • the battery module according to the invention can be set up in particular for use in a motor vehicle.
  • it can be the battery module according to the invention is a battery module for a traction battery of a motor vehicle.
  • the battery module according to the invention can also be used in other applications in which temperature control of the battery is necessary or beneficial.
  • the battery module also has a temperature control system with the temperature control liquid, the temperature control system being designed to introduce the temperature control liquid into the supply channels under pressure and to discharge it from the discharge channels.
  • the temperature control system can have a corresponding cooling and/or heating unit for temperature control of the heat transfer liquid.
  • the temperature control system can also be referred to as a cooling and/or heating system. Accordingly, either cooling or heating of the tempering liquid, which can be designed in particular as a cooling liquid or coolant, can be achieved. Accordingly, if necessary, the battery cells can be cooled when they are at operating temperature or heated to bring them up to operating temperature.
  • the temperature control system can have a pump or some other device, by means of which the temperature control system can apply pressure to the temperature control liquid and can introduce pressure into the feed channels at an input of the battery module.
  • the pressure of the heat transfer liquid can be adjusted by means of the pump or other device in such a way that there is a pressure drop in the supply channels and at the outlets that results in a heat transfer liquid distribution that is as uniform as possible in the battery module.
  • the pressure of the heat transfer liquid or the pressure drop, in particular within the feed channels, at the outlets and in the intermediate spaces, can also be adjusted by selecting their number, geometry, dimensioning, etc.
  • Heat transfer liquid can be adjusted. Then the size of the outlets can be chosen to achieve a specific pressure drop across the outlets at a given flow rate. This specific drop in pressure enables the temperature control liquid to be evenly distributed. Provision can thus be made for the supply channels and/or the discharge channels to each run parallel to one another in their direction of longitudinal extent.
  • the parallel courses of the supply channels to one another and/or the parallel courses of the discharge channels to one another make it possible to achieve a uniform distribution of the tempering liquid along an entire length of the battery module over a width of the battery module.
  • the feed channels and/or the discharge channels can each be spaced apart from one another by a suitable amount. In particular, the number of feed channels and the number of discharge channels can be suitably selected.
  • the number of feed channels and/or discharge channels can be between two and twenty, in particular between three and ten, especially between four and eight.
  • a (corresponding) discharge channel can be provided for each feed channel, but the number of feed channels can also vary depending on the number of discharge channels; in particular, the number of discharge channels can be larger or smaller than the number of feed channels.
  • the demands on the discharge channels are lower than on the supply channels because the discharge channels only have to collect and discharge the heat transfer liquid again.
  • the feed channels can preferably be located between every second battery cell in order to enable the battery cells to be flowed through as uniformly as possible with tempering liquid. It is possible that each feed channel is parallel or diagonally opposite a discharge channel. It can also be provided at least for some feed ducts and discharge ducts that the feed ducts
  • Drainage ducts are parallel opposite. An equal number of discharge ducts as
  • Feed channels or vice versa is not necessary, for example the number of discharge channels can be smaller than the number of feed channels.
  • the intermediate spaces each extend around one, in particular the entire, outer lateral surface of the battery cells. This allows the temperature control liquid to flow around the battery cells or the entire surfaces of the battery cells that have no electrical contact surface and are not electrically contacted on all sides. This enables very even temperature control of the individual battery cells.
  • the gaps are formed by spacers between the battery cells.
  • the spacers can be, for example Act individual elements that fix the individual battery cells relative to each other forming a gap between the battery cells.
  • the spacers can be support structures, such as a support frame or a grid, or spacers can be provided on such support structures or formed by them, which, in addition to forming the gaps, also support or position the Provide battery cells in the battery case.
  • the battery housing can also be referred to as a battery module housing.
  • the spacers with a (self-contained) dead space can reduce the required volume of heat transfer liquid inside the battery housing. Consequently, the spacers with a dead space volume are not flowed through from the inside with the temperature control liquid.
  • the feed channels and/or the discharge channels in particular feed pipes and/or discharge pipes of the battery module that are formed separately (as components) from the battery housing.
  • Forming the channels (preferably as identical components) in separate tubes makes it easier to manufacture or provide the feed channels and discharge channels independently of the battery housing.
  • the supply channels and discharge channels can have the same cross-section in terms of size and/or shape, so that the two channels (supply channels and discharge channels) preferably only differ in terms of the inlets and outlets. Both channels can thus be manufactured as an identically constructed extruded component. The only difference to the feed channel and discharge channel is the subsequently manufactured inlets and outlets in the structurally identical extruded components.
  • the feed channels are preferably also of identical design and/or that the discharge channels are also preferably of identical design.
  • the feed ducts can be connected on the inlet side to an inlet or, in other words, an inlet duct, which can be designed as an inlet connector or can be formed by this, for example.
  • the discharge channels can in turn be connected on the outlet side to an outlet or, in other words, to an outlet channel be, which can be designed for example as an inlet port.
  • the inlet and outlet may be on the same side of the battery case or on opposite sides of the battery case.
  • the battery housing can also be designed with corresponding recesses in order to accommodate the feed ducts and/or discharge ducts, in particular the feed pipes and/or discharge pipes.
  • the sum of all cross sections of the feed channels can correspond to a cross section of the inlet in order to enable a maximum flow cross section of the feed channels with the smallest possible cross section or installation space of the inlet.
  • the same can be provided analogously for the discharge channels and the outlet.
  • the feed pipes and/or discharge pipes can be made of a plastic, for example.
  • the feed pipes are designed as identical parts, in particular as extruded components.
  • the discharge pipes are designed as identical parts.
  • the feed pipes and/or discharge pipes are designed as identical parts.
  • a contour of the feed ducts and/or discharge ducts corresponds to a contour of the battery cells.
  • the contour in each case means an outer geometry of the channels and battery cells (in particular in cross section).
  • Corresponding means, in particular, that the battery cells are in contact with the channels in a manner that is close to the contour or is close to contact or has a positive fit. This is particularly advantageous for the feed channels. As a result, the space required for the channels can be reduced.
  • the contour of the channels themselves (in cross-section) is preferably triangular, with two sides of the triangle being arcuate in order to (directly) contact the outer sides of the (round) battery cells, and the two arcuate sides leading to a point (of the triangle) converge.
  • the feed pipes and/or the discharge pipes can have an essentially triangular cross section in order to correspond to the contour of the battery cells.
  • a mathematically perfect triangular cross section as well as deviations from this due to manufacturing technology and function are included, so that a mathematically perfect triangular cross section is not assumed.
  • the essentially triangular cross-section can have curves on two sides or the sides can be concave in order to receive the round cells therein in a form-fitting manner or to correspond thereto.
  • the round contour or geometry of the round cells corresponds to the contour of the feed pipes and/or discharge pipes in order to reduce the space required for the pipes.
  • the outlets of the feed channels are aligned with the discharge channels.
  • this can be done by providing the outlets on an upper side or point (pointed edge) between the concave sides.
  • the round cross section can in particular be circular.
  • the round cross-section of the outlets enables an optimal flow profile of the heat transfer liquid into the gaps.
  • the outlets of the feed channels have a cross-sectional area in the range of 0.05 mm 2 to 3 mm 2 , in particular in the range of 0.1 mm 2 to 1.5 mm 2 and very particularly in the range of 0.15 mm 2 to 1 mm 2 have.
  • the diameter of the outlets can, for example in the range from 50 ⁇ m to 1000 ⁇ m, in particular in the range from 100 ⁇ m to 600 ⁇ m and very particularly in the range from 200 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • outlets In order to achieve an optimal flow of the tempering liquid and thus optimized cooling, between 2 and 10 outlets, in particular between 3 and 8 outlets, preferably 5 outlets are provided over a length of a battery cell over a comparable length in the feed channel (in sections).
  • the corresponding longitudinal area of the feed channel can be designed without outlets (free of outlets) to the comparable longitudinal area between two battery cells.
  • the existing outlets in the feed channel are advantageously configured in sections for the respective lengths of the battery cells in order to be able to optimally cool the battery cells.
  • the outlets can also be referred to as micro-outlets or micro-bores. Due to their small size, they can be introduced (by laser processing) as lasered openings in the feed tubes.
  • the quotient of the length and diameter of the outlets is 10 to 100 times, in particular 20 to 50 times, the quotient of the length and diameter of the feed channel.
  • the outlets can be dimensioned in relation to the supply channels within which they are formed in such a way that the ratio of length to diameter of the outlets is in the range from 10 to 100 times, in particular in the range from 20 to 50 times, the Ratio of length and diameter of the feed channel is.
  • L/D X*I/d, where L is the length of the feed duct, D is the diameter of the feed duct, I is the length of the outlet(s), and d is the diameter of the Outlet or outlets is.
  • the factor X can be in the range from 10 to 100, in particular from 15 to 75 and very particularly from 20 to 50. It could be determined that with such a dimensioning, an optimal pressure drop takes place in the supply channel at the outlets, so that the Battery module can be supplied evenly with heat transfer fluid along the entire supply channel by means of the outlets.
  • the inlets of the discharge channels are designed as slits or in the form of slits.
  • a slot is also understood to mean a slot. It has been shown that the slits represent a particularly advantageous geometry of the inlets, because the heat transfer liquid can be admitted into the discharge channels along the entire length of the slit and at the same time, due to the comparatively small width of the slits compared to the length, a still uniform flow around the the discharge ducts near or adjacent battery cells is possible.
  • the inlets of the discharge channels can also be designed as a large number of, in particular round, bores.
  • the inlets may not be aligned (directly) with the feed channels, but may be aligned obliquely or substantially perpendicularly thereto.
  • This is particularly advantageous in an embodiment in which the discharge ducts or discharge pipes in which the discharge ducts are formed are designed to correspond in shape to the contours of the battery cells, because the battery cells can still be flowed almost completely despite this compact embodiment.
  • two inlets of a discharge channel can be opposite one another.
  • the two opposite inlets of the discharge channel can be formed on opposite sides of the discharge channel.
  • the battery cells of a battery stack can be next to each other arranged and stacked on top of each other. This results in a battery stack made up of battery cells, which extends in a width direction and a height direction. For example, five to thirty battery cells can be arranged next to one another in a layer in the width direction and two or more, for example three to ten such layers of battery cells can be stacked one on top of the other.
  • the individual battery cells of such a battery stack can be connected to one another in parallel.
  • a battery stack can have, for example, 8 to 124, in particular 16 to 56 battery cells, but also in particular fewer or else more battery cells.
  • the battery module itself can have, for example, two to thirty, in particular four to twenty-five, battery stacks.
  • An intermediate structure can be arranged between each two battery stacks. The intermediate structure can be used, for example, to fix and/or electrically contact the battery cells in the battery stack.
  • outlets of the feed channels in the area of a respective battery stack are essentially equidistant from one another.
  • a substantially equidistant arrangement includes an equidistant arrangement as well as technical deviations from a mathematically perfect equidistant arrangement.
  • the temperature control liquid flowing out of the outlets can flow uniformly around the battery cells of the battery stack in accordance with the length of the battery stack.
  • no outlets can be provided between the battery stacks or in an area of the intermediate structure between two adjacent battery stacks, or an area without outlets can be formed.
  • the discharge ducts also have ventilation openings which are designed to ventilate the battery cells by means of the discharge ducts.
  • the ventilation openings can be formed on the side of the discharge channels. Vent openings lying opposite one another can also be formed in the discharge channels, but this is not necessary since large vent openings can also be provided in each case.
  • Figure 1 is a perspective view of a battery module according to one
  • FIG. 2 shows a view of a cross section through a battery stack of the battery module of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a side view of a feed channel of the battery module of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a plan view of the feed channel from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a view of a cross section of the feed channel from FIG. 3 in the area of an outlet
  • FIG. 6 shows a detailed view of the feed channel from FIG. 3;
  • FIG. 7 shows a side view of a discharge channel of the battery module of FIG. 1;
  • FIG. 8 shows a view of a cross section of the discharge channel from FIG. 7 in the area of inlets
  • FIG. 9 shows a perspective view of a detail of the battery module of FIG. 1 in an entry area of a temperature control channel arrangement
  • FIG. 10 shows a perspective view of a detail of the supply channel from FIG. 3 through which the temperature control liquid flows;
  • FIG. 11 shows a perspective view of a detail of the battery module of FIG. 1 through which the temperature control liquid flows;
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the flow around the battery cells, shown in cross section, of the battery stack from FIG. 2 with tempering liquid;
  • FIG. 13 shows a perspective view of a detail of the discharge channel from FIG. 8 through which the temperature control liquid flows.
  • FIG. 14 shows a perspective view of a detail of the battery module of FIG. 1 in an exit area of a temperature control channel arrangement.
  • FIG. 1 shows a battery module 1 according to an embodiment of the invention.
  • the battery module 1 shown has a battery housing 10 or battery module housing, which has a first side 11 and a second side 12 opposite this first side 11 .
  • the two sides 11, 12 are the widest and longest sides of the battery housing 10.
  • the two sides 11, 12 correspond to housing shells of the battery housing 10 or the sides 11, 12 are formed by housing shells of the battery housing 10.
  • the first side 11 is in the present case an upper side and the second side 12 is in the present case an underside of the battery housing 10.
  • the battery module 1 shows the battery module 1 in perspective from below, so that a view of the second side 12 or underside is made possible.
  • the short side 13 on which, as will be explained in more detail later, an input and/or output area of a temperature control channel arrangement for a temperature control system (not shown) of the battery module 1, can be provided.
  • the short side 13 is another short side 14 of the battery case 10.
  • One or both short sides 13, 14 can also be designed as a case cover 13, 14 for the battery case 10.
  • the battery module 1 includes a plurality of battery cells 20 (see FIG. 2 ), which are arranged or combined in battery stacks 21 .
  • the battery cells 20 are connected to one another in parallel.
  • the battery module 1 shown here has a total of seventeen battery stacks 21 which are arranged next to one another in the battery module 1 in the longitudinal direction of the battery module 1 .
  • the number of battery stacks 21 is of course only selected as an example here and can alternatively also be more or less to achieve a specific voltage, for example in the range of five to thirty battery stacks 21 .
  • An intermediate structure 22 is introduced in the battery module 1 between each two adjacent battery stacks 21, which intermediate structure separates the battery stacks 21 from one another, in particular can partially or predominantly isolate them fluidically. Electrical contacting of the battery cells 20 in the battery stack 21 and/or alternatively mechanical fixing of the battery cells 20 in the battery stack 21 is also possible by means of the intermediate structure 22 .
  • the feed tubes 30 running parallel to one another and in the longitudinal direction of the battery module 1 or extending along their length.
  • the feed tubes 30 in turn each have a feed channel 31 (see FIG. 5).
  • the feed tubes 30 are designed as separate parts from the battery housing 10, which can be accommodated on the battery housing 10 or the lower side 12 in particular with a form fit, alternatively or additionally, but also with a force fit and/or material connection.
  • a total of six discharge pipes 40 running parallel to one another and in the longitudinal direction of the battery module 1 are arranged on the first side 11 (see Fig. 2), which in turn each have an internal discharge channel 41 (see Fig.
  • the supply pipes 30 and the discharge pipes 40 extend along all battery stacks 21 or substantially completely from the short side 13 to the short side 14.
  • the number of feed pipes 30 and discharge pipes 40 can alternatively be more or less than six, for example in the range from two to ten.
  • the manufacturing effort and the costs are increased by an increasing number of tubes 30, 40, but a better uniform distribution of the immersion temperature control can be achieved, as will be described in more detail below.
  • Figure 2 shows a battery stack 21 of the battery module 1 in cross section.
  • the large number of battery cells 20 of the battery stack 21 is clearly visible.
  • the number of battery cells 20 is 46, but it can also be more or less, for example in the range from 16 to 128.
  • the battery cells 20 in the battery stack 21 are arranged side by side and one above the other, so that there are several layers of battery cells 20, in the present example 4 layers.
  • Spaces 4 through which a dielectric temperature control liquid 2 can flow can be formed between the battery cells 20 by appropriate spacers (not shown), the arrangement of the battery cells 20 in the battery stack 21 and/or their mechanical fastening or fixing.
  • the intermediate spaces 4 can in particular be designed in such a way that the battery cells 20 can be flowed around by the temperature control liquid 2 with their entire outer lateral surface.
  • the battery cells 20 are designed in the form of round cells.
  • other geometries for the battery cells 20 of the battery stack 21 in the battery module 1 can also be used, for example battery cells 20 with a rectangular fixed housing or a flexible housing can be used.
  • the feed pipes 30 with their feed channels 31 and the discharge pipes 40 with their discharge channels 41 are accommodated or integrated in the battery housing 10 on the second side 12 and the first side 11 .
  • the feed tubes 30 are arranged on the second side 12 between two battery cells 20 each.
  • the discharge pipes 40 are also arranged on the first side 11 between two battery cells 20 each.
  • the feed pipes 30 and the discharge pipes 40 are opposite one another, for example. In the present case, there are not all battery cells 20 on the second side 12 or first side 11 Supply pipes 30 and discharge pipes 40 are arranged, although this can also be provided if required.
  • a temperature control channel arrangement is created by means of a fluid connection of the supply channels 31 by means of outlets 34 in the supply pipes 30 (see Fig. 3) with the intermediate spaces 4 and a fluid connection of the intermediate spaces 4 by means of inlets 44 in the discharge pipes 40 with the discharge channels 41, by means of which the Battery cells 20 can be temperature-controlled by a temperature control liquid 2 flowing into the supply channels 31 and flowing out of the discharge channels 41, as will be explained in more detail below.
  • FIGS 3 to 6 show one of the six feed tubes 30 from the battery module 1 in different perspectives and as a detail or section.
  • the feed pipes 30 are all constructed in the same way.
  • the supply tubes 30 are identical parts that are constructed identically, which simplifies production, saves costs and, above all, leads to an even temperature control liquid distribution along the entire battery module 1 .
  • the outlets 34 have a circular cross section and are produced by means of a laser in the micrometer range.
  • the diameter of the outlets 34 is 280 ⁇ m, for example in the present case.
  • the outlets 34 can also be referred to as micro-openings or micro-bores.
  • the specific pressure drop at these outlets can be set by suitably dimensioning the outlets 34, so that the temperature control liquid 2 flowing in the supply channels 31 can be introduced uniformly into the interspaces 4 .
  • first areas 35 are located within the battery module 1 on or below the battery stack 21.
  • the first areas 35 alternate with the second areas 36.
  • FIG. The second areas 36 are located within the battery module 1 on or below the intermediate structures 22.
  • the second areas 36 have no outlets 34, since it is not necessary for tempering liquid 2 to be discharged into the intermediate structures 22.
  • the feed pipes 30 have an essentially triangular cross section.
  • the two sides adjacent to the upper side 33 which is embodied as a point in the present example, are rounded inwards or concave in order to enable the battery cells 20, which are embodied here as round cells, to optimize the installation space in the battery module 1.
  • the feed channel 31 is also essentially triangular in cross section. If the battery cells 20 have a different geometry, the cross section of the feed tubes 30 and thus possibly also of the feed channels 31 can be designed differently in order to adapt to a contour of the battery cells 20 and thus reduce the space requirement of the feed tubes 30 in the battery module 1.
  • the same with regard to the cross-sectional geometry of the feed pipes 30 also applies to the discharge pipes 40, which is identical to the geometry of the feed pipes 30 here by way of example, as can be seen in FIG.
  • FIGS. 7 and 8 show the difference between the discharge pipes 40 and the feed pipes 30, namely that the discharge pipes 40 are designed with slot-shaped inlets 44 instead of circular outlets 34.
  • the slot-shaped inlets 44 extend essentially over the entire first area 45 of the Drainage pipes 40, which alternate with the second regions 46 of the discharge pipes 40, analogously to the first areas 35 of the feed pipes 30.
  • ventilation openings 47 are formed in the second regions 46. These vent openings 47 can be fluidically connected to the intermediate structures 22, on which in turn a vent or bursting valve (not shown) can be arranged.
  • the rupture valve can separate the intermediate structures 22 or a fluid channel in the intermediate structures 22 from the battery stacks 21 .
  • the bursting valve can open.
  • the gases produced reach the fluid channel in the intermediate structure 22 via the bursting valve, which can be connected to one or more vent openings 47 .
  • the resulting gas can be admitted into the discharge pipes 40 via the ventilation openings 47 in order to finally be safely discharged from the battery module 1 by means of the same. Thereby, a thermal runaway can be surely prevented.
  • the intermediate structures 22 can be provided with a propagation shield in order to prevent thermal spread from one battery stack 21 to an adjacent battery stack 21 .
  • the inlets 44 are not located on the upper sides 43, which are designed as points in the present example, of the discharge pipes 40, but on the sides of the discharge pipes 40.
  • Two of the slit-shaped inlets 44 are located one on top of the other opposite to.
  • two ventilation openings 47 are located opposite one another in the present case and are formed laterally on the discharge pipes 40 .
  • Figure 9 shows the entry of tempering liquid 2 on the short side 13 or on a housing cover on the battery module 1 through an inlet 50 designed in the form of a feed connector 50 with a corresponding feed line 51.
  • the feed line 51 is fluidically connected to each of the feed pipes 30. Accordingly, there is a flow path 3 from the inlet 50 to the feed pipes 30.
  • a temperature control system is not shown here, which can be equipped with a heating and/or cooling unit and can be connected to the input 50 of the battery module 1, in particular to inputs 50 of a plurality of battery modules 1.
  • the heating unit can be used to heat the temperature control liquid 2 supplied from the temperature control system, in particular a corresponding reservoir, in order to bring the battery module 1 or the battery cells 20 to operating temperature during a cold start.
  • the cooling unit which can be designed as a combined heating and cooling unit, the temperature control liquid 2 supplied can be cooled in order to cool the battery cells 20, once they have been brought to operating temperature, or to keep them at operating temperature and to avoid overheating .
  • FIG 10 shows the flow path 3 within an isolated section of a feed pipe 30 within the battery module 1.
  • One end of the feed pipe 30 is closed in the present example with a plug 38, but nevertheless allows the inflow of heat transfer fluid 2 from the input 50 into the feed channel 31.
  • the temperature control liquid 2 flows along the longitudinal extension direction of the feed channel 31.
  • the temperature control liquid 2 flows out of the outlets 34 into the intermediate spaces 4 of the battery stacks 21.
  • FIG. 11 shows the flow path 3 through a feed pipe 30 and by means of the outlets 34 into the battery stack 21 or the spaces 4 between the battery cells 20 of the battery stack 21.
  • the temperature control liquid 2 flows from the feed pipes 30 along the gaps 4 from the second side 12 to the first side 11 or from bottom to top.
  • the fact that the discharge channels 41 are arranged at the top in the installed position of the battery module 1 allows air or air bubbles to flow up together with the flow of the temperature control liquid 2 in order to discharge the air together with the temperature control liquid 2 from the battery module 1 .
  • FIG. 12 shows schematically the flow around and thus temperature control of the battery cells 20 that takes place. Due to the large number of outlets 34 with the same spacing from one another and set pressure conditions, a very evenly distributed flow of tempering liquid 2 and thus evenly distributed tempering is made possible. To the Arriving at the discharge pipes 40, the temperature control liquid 2 is admitted into the discharge channels 41 by means of the inlets 44 and discharged from there.
  • FIG. 13 shows the flow path 3 within an isolated section of a discharge pipe 40 within the battery module 1.
  • the temperature control liquid 2 enters the discharge channel 41 through the inlets 44 and flows out at its end to an outlet 52 (see FIG. 14).
  • a plug 48 is also shown here by way of example, which closes off the discharge pipe 40 at one end.
  • the plugs 38, 48 are designed as separate parts from the feed and discharge pipes 30, 40, which are accommodated therein, in particular in a form-fitting manner. This facilitates manufacture because the tubes 30, 40 can be easily manufactured by means of extrusion.
  • the plugs 38, 48 can also be formed in one piece with the tubes 30, 40.
  • Figure 14 shows a section of the battery module 1 from above with the flow paths 3 on the outlet side.
  • the temperature control liquid 2 flows from the discharge pipes 40 on the first side 11 into the outlet 52 designed as a discharge socket 52 with a discharge line 53.
  • the outlet can be on the same short side 13 like the entrance 50 or on the opposite short side 14.
  • the temperature control system with the heating and/or cooling unit and a pump can in turn be connected to the outlet 52 or the discharge nozzle 52 .
  • the temperature control system can allow the temperature control liquid 2 to circulate through the battery module 1 along the described flow path 3 or the described temperature control channel arrangement of supply channels 31, discharge channels 41 and intermediate spaces 4, with the temperature control liquid 2 passing through the heating and/or cooling unit depending on the operating situation of the Battery module 1 is heated or cooled.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) mit einem Batteriegehäuse (10), mehreren zwischen einer ersten Seite (11) und einer der ersten Seite (11) gegenüberliegenden zweiten Seite (12) innerhalb des Batteriegehäuses (10) angeordneten Batteriezellen (20) und einer mit einer Temperierflüssigkeit (2) durchströmbaren Temperierkanalanordnung, wobei die Temperierkanalanordnung mehrere an der zweiten Seite (12) des Batteriegehäuses (10) angeordnete und voneinander beabstandete Zuführkanäle (31) und mehrere an der ersten Seite (11) des Batteriegehäuses (10) angeordnete und voneinander beabstandete Abführkanäle (41) aufweist, wobei die Zuführkanäle (31) Auslässe (34) aufweisen, welche in eine Längserstreckungsrichtung der Zuführkanäle (31) voneinander beabstandet sind, wobei die Abführkanäle (41) Einlässe (44) aufweisen, welche in eine Längserstreckungsrichtung der Abführkanäle (40) voneinander beabstandet sind, und wobei zwischen den mehreren Batteriezellen (20) strömungstechnisch miteinander verbundene Zwischenräume (4) der Temperierkanalanordnung ausgebildet sind, welche strömungstechnisch mit den Auslässen (34) der Zuführkanäle (31) und den Einlässen (44) der Abführkanäle (40) verbunden sind.

Description

Batteriemodul mit Temperierkanalanordnung
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Batteriegehäuse, mehreren zwischen einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite innerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Batteriezellen und einer mit einer Temperierflüssigkeit durchströmbaren Temperierkanalanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind überwiegend Kühlsysteme in Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen bekannt, die eine indirekte und serielle Temperierung bereitstellen bzw. als Platten- oder Seitenkühlung ausgebildet sind. Diese Form der Kühlung führt zu großen Gradienten zwischen den ersten und letzten Batteriezellen in einem Batteriemodul. Dies hat mitunter den Nachteil, dass die Batteriezellen unterschiedlich altern und weniger stark und lang beansprucht werden können. Bekannt sind hierneben auch Immersionskühlungen, bei denen die Batteriezellen in einem Kühlflüssigkeitsbad angeordnet sind. Bei den bekannten Immersionskühlungen werden die Batteriezellen seriell, relativ unkoordiniert bzw. unterschiedlich stark umströmt, sodass Randgebiete mit Totzonen entstehen, in denen kein Kühlflüssigkeitsaustausch stattfindet. Der ansteigende Temperaturgradient innerhalb eines Batteriepacks und die unzureichende Temperierung der Batteriezellen in den Rand- und Endbereichen führt bei den Batteriezellen zu unterschiedlich starker Beanspruchung und Alterung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Temperierung eines Batteriemoduls bereitzustellen, welche die Batteriezellen des Batteriemoduls möglichst gleichmäßig temperieren kann und vorzugsweise kostengünstig ist sowie wenig Bauraum erfordert.
Die voranstehende Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche, insbesondere durch ein Batteriemodul nach Anspruch 1, gelöst. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Demgemäß wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Batteriemodul mit einem Batteriegehäuse, mehreren zwischen einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite innerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Batteriezellen und einer mit einer Temperierflüssigkeit durchströmbaren Temperierkanalanordnung, wobei die Temperierkanalanordnung mehrere an der zweiten Seite des Batteriegehäuses angeordnete und voneinander beabstandete Zuführkanäle und mehrere an der ersten Seite des Batteriegehäuses angeordnete und voneinander beabstandete Abführkanäle aufweist, wobei die Zuführkanäle Auslässe aufweisen, welche in eine Längserstreckungsrichtung der Zuführkanäle voneinander beabstandet sind, wobei die Abführkanäle Einlässe aufweisen, welche in eine Längserstreckungsrichtung der Abführkanäle voneinander beabstandet sind, und wobei zwischen den mehreren Batteriezellen strömungstechnisch miteinander verbundene Zwischenräume der Temperierkanalanordnung ausgebildet sind, welche strömungstechnisch mit den Auslässen der Zuführkanäle und den Einlässen der Abführkanäle verbunden sind.
Die Erfindung ermöglicht mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Temperierkanalanordnung eine gleichmäßig verteilte Immersionstemperierung der Batteriezellen in dem Batteriemodul. Die gleichmäßige Verteilung der Temperierflüssigkeit wird durch die längserstreckten Zuführ- und Abführkanäle mit ihren Einlässen und Auslässen ermöglicht, die strömungstechnisch mittels der Zwischenräume miteinander verbunden sind. Die Temperierflüssigkeit wird dabei an einer Seite der Zuführkanäle eingeleitet und durchströmt die Zuführkanäle. Dabei tritt die Temperierflüssigkeit durch die Einlässe jeweils in die Zwischenräume zwischen den Batteriezellen ein, durchströmt die Zwischenräume und umströmt dabei die Batteriezellen. Aus den Zwischenräumen strömt die Temperierflüssigkeit über die Einlässe an den Abführkanälen aus, um die Abführkanäle zu durchströmen und an den Enden der Abführkanäle abgeleitet zu werden. Totzonen innerhalb der Zwischenräume werden vermieden und die Batteriezellen können deutlich höheren Beanspruchungen standhalten und eine höhere Lebensdauer erzielen.
Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Temperierkanalanordnung Strömungspfade für die Temperierflüssigkeit ausbildet, wobei die Strömungspfade sich von einem Eingang an den Zuführkanälen entlang der Zuführkanäle, durch die Auslässe, entlang der Zwischenräume, durch die Einlässe und entlang der Abführkanäle zu einem Ausgang an den Abführkanälen erstrecken. Innerhalb der Zwischenräume ergibt sich dabei eine Vielzahl von Strömungspfaden, die auch aufeinander treffen. Entscheidend ist aber, dass die Hauptströmungsrichtung von den Auslässen der Zuführkanäle zu den Einlässen der Abführkanäle führt.
Zweckmäßigerweise weist die Temperierflüssigkeit (hohe) dielektrische Eigenschaften, vorzugsweise ohne jegliche elektrische Leitfähigkeit, auf, um Leckströme, Kriechströme oder sogar Kurzschlüsse innerhalb des Batteriemoduls sicher und zuverlässig zu vermeiden. Als Temperierflüssigkeit kann eine (einphasige) nicht-halogenhaltige und lebensmitteltaugliche Kühlflüssigkeit (z.B. Asperitas® von Shell) oder ein zwei-Phasen Tauchkühlmittel (z.B. von Novec® von 3M) Verwendung finden. Durch den Einsatz der Temperierflüssigkeit bei der (flüssig) Kühlung des Batteriemoduls kann eine punktuelle Überhitzung von Batteriezellen deutlich besser als bei einer Luftkühlung erreicht werden. Auch lässt sich damit die notwendige Energie für die Kühlung reduzieren.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Mit anderen Worten kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul um ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln. Gleichwohl kann das erfindungsgemäße Batteriemodul auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine Temperierung der Batterie erforderlich oder förderlich ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul ferner ein Temperiersystem mit der Temperierflüssigkeit aufweist, wobei das Temperiersystem dazu ausgebildet ist, die Temperierflüssigkeit mit Druck in die Zuführkanäle einzuleiten und aus den Abführkanälen auszuleiten. Das Temperiersystem kann ein entsprechendes Kühl- und/oder Heizaggregat zur Temperierung der Temperierflüssigkeit aufweisen. Insoweit kann das Temperiersystem auch als Kühl- und/oder Heizsystem bezeichnet werden. Entsprechend kann entweder ein Kühlen oder ein Erwärmen der Temperierflüssigkeit, die insbesondere als Kühlflüssigkeit oder Kühlmittel ausgestaltet sein kann, erzielt werden. Bedarfsweise können die Batteriezellen demgemäß gekühlt werden, wenn sie auf Betriebstemperatur sind, oder erwärmt werden, um sie auf Betriebstemperatur zu bringen. Ferner kann das Temperiersystem eine Pumpe oder eine anderweitige Vorrichtung aufweisen, mittels derer das Temperiersystem die Temperierflüssigkeit mit Druck beaufschlagen und an einem Eingang des Batteriemoduls mit Druck in die Zuführkanäle einleiten kann. Mittels der Pumpe oder der anderweitigen Vorrichtung lässt sich der Druck der Temperierflüssigkeit so einstellen, dass sich ein für eine möglichst gleichmäßige Temperierflüssigkeitsverteilung im Batteriemodul ergebender Druckabfall in den Zuführkanälen und an den Auslässen ergibt. Der Druck der Temperierflüssigkeit bzw. der Druckabfall, insbesondere innerhalb der Zuführkanäle, an den Auslässen und in den Zwischenräumen, lässt sich ferner durch die Wahl ihrer Anzahl, Geometrie, Dimensionierung usw. einstellen. Auf für den Druck bzw. den Druckabfall zur Erreichung einer Gleichverteilung der Temperierflüssigkeit in dem Batteriemodul vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere Geometrien und
Dimensionierungen, der Temperierkanalanordnung wird dabei im Folgenden näher eingegangen. Insbesondere kann mittels der Pumpe ein Volumenstrom der
Temperierflüssigkeit eingestellt werden. Dann kann die Größe der Auslässe so gewählt werden, dass bei einem gegebenen Durchfluss ein spezifischer Druckabfall über die Auslässe erreicht wird. Dieser spezifische Druckabfall ermöglicht eine Gleichverteilung der T emperierflüssigkeit. So kann vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle in ihrer Längserstreckungsrichtung jeweils parallel zueinander verlaufen. Durch die parallelen Verläufe der Zuführkanäle jeweils zueinander und/oder durch die parallelen Verläufe der Abführkanäle jeweils zueinander lässt sich über eine Breite des Batteriemoduls eine gleichmäßige Verteilung der Temperierflüssigkeit entlang einer gesamten Länge des Batteriemoduls erzielen. Dabei können die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle jeweils in geeignetem Maße voneinander beabstandet werden. Insbesondere kann die Anzahl der Zuführkanäle und die Anzahl der Abführkanäle geeignet gewählt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle zwischen zwei und zwanzig, insbesondere zwischen drei und zehn, ganz besonders zwischen vier und acht betragen. Zu jedem Zuführkanal kann ein (korrespondierender) Abführkanal vorgesehen werden, die Anzahl der Zuführkanäle kann aber auch von der Anzahl der Abführkanäle variieren, insbesondere kann die Anzahl der Abführkanäle größer oder kleiner als die Anzahl der Zuführkanäle sein. Dabei sind Anforderungen an die Abführkanäle geringer als an die Zuführkanäle, weil die Abführkanäle lediglich die Temperierflüssigkeit wieder einsammeln und ausleiten müssen. Vorzugsweise können die Zuführkanäle zwischen jeder zweiten Batteriezelle sitzen, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der Batteriezellen mit Temperierflüssigkeit zu ermöglichen. Möglich ist, dass je ein Zuführkanal jeweils einem Abführkanal parallel oder schräg gegenüberliegt. Auch kann zumindest für einige Zuführkanäle und Abführkanäle vorgesehen werden, dass die Zuführkanäle den
Abführkanälen parallel gegenüberliegen. Eine gleiche Anzahl von Abführkanälen wie
Zuführkanälen bzw. umgekehrt ist dabei nicht notwendig, beispielsweise kann die Anzahl an Abführkanäle kleiner als die Anzahl an Zuführkanälen sein.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Zwischenräume sich jeweils um eine, insbesondere gesamte, äußere Mantelfläche der Batteriezellen erstrecken. Damit wird ein allseitiges Umströmen der Batteriezellen bzw. der gesamten Oberflächen der Batteriezellen, die keine elektrische Kontaktfläche aufweisen und nicht elektrisch kontaktiert werden, mit der Temperierflüssigkeit ermöglicht. So kann eine sehr gleichmäßige Temperierung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Zwischenräume durch Abstandhalter zwischen den Batteriezellen ausgebildet sind. Bei den Abstandhaltern kann es sich beispielsweise um einzelne Elemente handeln, die die einzelnen Batteriezellen unter Ausbildung eines Zwischenraums zwischen den Batteriezellen relativ zueinander fixieren. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den Abstandhaltern beispielsweise um Tragstrukturen, wie einen Tragrahmen oder ein Gitter, handeln oder es können Abstandhalter an derartigen Tragstrukturen vorgesehen sein oder durch sie gebildet werden, die zusätzlich zu dem Ausbilden der Zwischenräume auch ein Tragen bzw. Positionieren der Batteriezellen in dem Batteriegehäuse bereitstellen. Das Batteriegehäuse kann dabei auch als Batteriemodulgehäuse bezeichnet werden. Durch die Abstandhalter mit einem (in sich geschlossenen) Totraumvolumen kann erreicht werden, dass das benötige Volumen an Temperierflüssigkeit innerhalb des Batteriegehäuse reduziert werden kann. Folglich werden die Abstandhalter mit einem Totraumvolumen nicht von innen mit der Temperierflüssigkeit durchströmt.
Es kann außerdem vorgesehen werden, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle, insbesondere vom Batteriegehäuse separat (als Bauteile) ausgebildeten, Zuführrohren und/oder Abführrohren des Batteriemoduls ausgebildet sind. Die Ausbildung der Kanäle (vorzugsweise als Gleichbauteile) in separaten Rohren erleichtert die Fertigung bzw. die Bereitstellung der Zuführkanäle und Abführkanäle unabhängig vom Batteriegehäuse. Somit können die Zuführkanäle und Abführkanäle den gleichen Querschnitt in Größe und/oder Form aufweisen, so dass vorzugsweise sich die beiden Kanäle (Zuführkanäle und Abführkanäle) nur durch die Ein- und Auslässe unterscheiden. Damit können beide Kanäle als ein baugleiches Extrusionsbauteil gefertigt sein. Nur durch die anschließend gefertigten Ein- und Auslässe in die baugleichen Extrusionsbauteile entsteht der Unterscheid zum Zuführkanal und Abführkanal. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass vorzugsweise auch die Zuführkanäle baugleich ausgestaltet sind und/oder dass auch vorzugsweise die Abführkanäle baugleich ausgestaltet sind. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Zuführrohre und/oder Abführrohre bzw. die Zuführkanäle und Abführkanäle integral mit dem Batteriegehäuse zu fertigen.
Die Zuführkanäle können eingangsseitig mit einem Eingang oder, mit anderen Worten, Eingangskanal verbunden sein, der beispielsweise als ein Einlassstutzen ausgebildet sein kann bzw. durch diesen gebildet sein kann. Die Abführkanäle können wiederum ausgangsseitig mit einem Ausgang oder, mit anderen Worten, Ausgangskanal verbunden sein, der beispielsweise als ein Einlassstutzen ausgebildet sein kann. Der Eingang und der Ausgang können sich beispielsweise an einer gleichen Seite des Batteriegehäuses oder an voneinander gegenüberliegenden Seiten des Batteriegehäuses befinden.
Auch kann das Batteriegehäuse mit entsprechenden Ausnehmungen ausgestaltet sein, um die Zuführkanäle und/oder Abführkanäle, insbesondere die Zuführrohre und/oder Abführrohre, darin aufzunehmen. Die Summe aller Querschnitte der Zuführkanäle kann dabei einem Querschnitt des Eingangs entsprechen, um einen maximalen Strömungsquerschnitt der Zuführkanäle bei möglichst geringem Querschnitt bzw. Bauraum des Eingangs zu ermöglichen. Selbiges kann analog für die Abführkanäle und den Ausgang vorgesehen werden. Die Zuführrohre und/oder Abführrohre können beispielsweise aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
Ebenfalls ist es denkbar, die Zuführrohre als Gleichteile insbesondere als Extrusionsbauteile auszubilden. Auch oder alternativ eine Ausbildung der Abführrohre als Gleichteile ist möglich. Als Gleichteile ausgebildet sind die Zuführrohre und/oder Abführrohre identisch ausgebildet. Dadurch kann nicht nur der Fertigungsaufwand gesenkt werden, auch eine Homogenisierung der Verteilung der Temperierflüssigkeit wird weiter ermöglicht, da der Austritt der Temperierflüssigkeit in die Zwischenräume aus den Auslässen der Zuführkanäle und die Aufnahme der Temperierflüssigkeit aus den Zwischenräumen durch die Einlässe der Abführkanäle gleich erfolgt.
Es kann außerdem vorgesehen werden, dass eine Kontur der Zuführkanäle und/oder Abführkanäle mit einer Kontur der Batteriezellen korrespondiert. Mit der Kontur ist dabei jeweils eine äußere Geometrie der Kanäle und Batteriezellen (insbesondere im Querschnitt) gemeint. Mit Korrespondieren ist insbesondere eine konturnahe bzw. berührungsnahe oder formschlüssige Anlage der Batteriezellen an die Kanäle gemeint. Dies ist insbesondere bei den Zuführkanälen vorteilhaft. Dadurch kann der für die Kanäle notwendige Bauraum verringert werden. Die Kontur der Kanäle selber ist (im Querschnitt) vorzugsweise dreiecksartig, wobei zwei Seiten des Dreiecks bogenförmig ausgestaltet sind, um möglichst zur (direkten) Anlage an die Außenseiten der (runden) Batteriezellen zu gelangen, und die beiden bogenförmige Seiten zu einer Spitze (des Dreiecks) zusammenlaufen. Grundsätzlich ist es möglich, verschiedene Bautypen bzw. Geometrien von Batteriezellen, wie beispielsweise Rundzellen, quadratische Zellen mit starrem Gehäuse bzw. Festgehäuse oder flexiblem Gehäuse, insbesondere Pouch-Zellen, und dergleichen in dem Batteriemodul zu nutzen.
Wenn die Batteriezellen beispielsweise Rundzellen sind, können die Zuführrohre und/oder die Abführrohre einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen, um mit der Kontur der Batteriezellen zu korrespondieren. Mit im Wesentlichen sind ein mathematisch perfekter dreieckiger Querschnitt sowie fertigungstechnisch und funktionsbedingte Abweichungen davon inbegriffen, sodass kein mathematisch perfekter dreieckiger Querschnitt vorausgesetzt wird. So kann der im Wesentlichen dreieckige Querschnitt an zwei Seiten Rundungen aufweisen bzw. können die Seiten konkav ausgeführt sein, um die Rundzellen darin formschlüssig aufzunehmen bzw. dazu zu korrespondieren. Entsprechend korrespondiert die runde Kontur bzw. Geometrie der Rundzellen mit der Kontur der Zuführrohre und/oder Abführrohre, um den Bauraumbedarf für die Rohre zu verringern.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Auslässe der Zuführkanäle auf die Abführkanäle ausgerichtet sind. Dies kann bei einer dreieckartigen Querschnittsgeometrie der Zuführkanäle durch Vorsehen der Auslässe an einer Oberseite bzw. Spitze (spitzen Kante) zwischen den konkaven Seiten erfolgen. Dadurch kann der Bauraum optimal genutzt werden und der Strömungspfad der Temperierflüssigkeit kann ohne unerwünschte Turbulenzen zu den Abführkanälen vorgegeben werden, um für eine optimale Umströmung der Batteriezellen mit der Temperierflüssigkeit zu sorgen.
Vorgesehen werden kann auch, dass die Auslässe der Zuführkanäle einen runden Querschnitt aufweisen. Der runde Querschnitt kann insbesondere kreisrund sein. Der runde Querschnitt der Auslässe ermöglicht ein optimales Strömungsprofil der Temperierflüssigkeit in die Zwischenräume hinein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Auslässe der Zuführkanäle eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,05 mm2 bis 3 mm2, insbesondere im Bereich von 0,1 mm2 bis 1,5 mm2 und ganz besonders im Bereich von 0,15 mm2 bis 1 mm2 aufweisen. Bei einem runden Querschnitt der Auslässe kann der Durchmesser der Auslässe beispielsweise im Bereich von 50 pm bis 1000 pm, insbesondere im Bereich von 100 pm bis 600 pm und ganz besonders im Bereich von 200 pm bis 400 pm liegen. Um eine optimale Strömung der Temperierflüssigkeit und damit optimierten Kühlung zu erreichen, sind zwischen 2 und 10 Auslässe, insbesondere zwischen 3 und 8 Auslässe, vorzugsweise 5 Auslässe auf eine Länge einer Batteriezelle auf einer vergleichbaren Länge im Zuführkanal (abschnittsweise) vorgesehen. Der korrespondierende Längsbereich des Zuführkanals kann auslassfrei (frei von Auslässen) zum vergleichbaren Längsbereich zwischen zwei Batteriezelle ausgestaltet sein. Damit sind vorteilhafterweise die vorhandenen Auslässe im Zuführkanal abschnittsweise zu den jeweiligen Längen der Batteriezellen ausgestaltet, um die Batteriezellen optimal kühlen zu können. Die Auslässe können entsprechend auch als Mikroauslässe oder Mikrobohrungen bezeichnet werden. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie (durch Laserbearbeitung) als gelaserte Öffnungen in die Zuführrohre eingebracht werden. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Dimensionierung der Auslässe eine optimale gleichverteilte Strömung der Temperierflüssigkeit entlang der Zuführkanäle und aus den Auslässen in die Zwischenräume hinein erzielbar ist. Dabei kann die exakte Querschnittsgröße der Auslässe über eine passende Druckauslegung ermittelt werden, wozu der Querschnitt des Zuführkanals und die Massenströme des strömenden Temperiermittels betrachtet werden können.
Ferner ganz besonders kann vorgesehen sein, dass der Quotient aus Länge und Durchmesser der Auslässe jeweils das 10- bis 100-fache, insbesondere das 20- bis 50-fache des Quotienten aus Länge und Durchmesser des Zuführkanals beträgt. Mit anderen Worten können die Auslässe gegenüber den Zuführkanälen, innerhalb derer sie ausgebildet sind, derart dimensioniert werden, dass das Verhältnis aus Länge zu Durchmesser der Auslässe im Bereich vom 10- bis 100-fachen, insbesondere im Bereich von 20- bis 50-fachen des Verhältnisses aus Länge und Durchmesser des Zuführkanals beträgt. Dies kann durch eine Formel wie folgt ausgedrückt werden: L / D = X * I / d , wobei L die Länge des Zuführkanals ist, D der Durchmesser des Zuführkanals ist, I die Länge des Auslasses bzw. der Auslässe ist und d der Durchmesser des Auslasses bzw. der Auslässe ist. Der Faktor X kann dabei, wie oben beschrieben, im Bereich 10 bis 100, insbesondere 15 bis 75 und ganz besonders 20 bis 50 liegen. Es konnte ermittelt werden, dass bei einer derartigen Dimensionierung ein optimaler Druckabfall im Zuführkanal an den Auslässen stattfindet, sodass das Batteriemodul entlang des gesamten Zuführkanals mittels der Auslässe gleichmäßig mit Temperierflüssigkeit versorgt werden kann.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Einlässe der Abführkanäle als Schlitze bzw. schlitzförmig ausgebildet sind. Unter einem Schlitz wird auch ein Langloch verstanden. Es hat sich gezeigt, dass die Schlitze eine besonders vorteilhafte Geometrie der Einlässe darstellen, weil sich die Temperierflüssigkeit entlang der gesamten Länge des Schlitzes in die Abführkanäle einlassen lässt und gleichzeitig durch die gegenüber der Länge vergleichsweise geringe Breite der Schlitze eine noch immer gleichmäßige Umströmung auch der den Abführkanälen nahen bzw. benachbarten Batteriezellen möglich ist. Alternativ können die Einlässe der Abführkanäle aber auch als viele, insbesondere runde, Bohrungen ausgestaltet sein.
Auch kann es vorgesehen sein, dass die Einlässe in den Abführkanälen seitlich ausgebildet sind, wobei insbesondere bei einer dreieckartigen Querschnittsgeometrie der Abführkanäle durch Vorsehen der Auslässe an den (beiden zusammenlaufenden) Seiten erfolgt. Mit anderen Worten können die Einlässe nicht (direkt) zu den Zuführkanälen ausgerichtet sein, sondern können schräg oder im Wesentlichen senkrecht dazu ausgerichtet sein. Dies ist ganz besonders vorteilhaft bei einer Ausführungsform, in der die Abführkanäle bzw. Abführrohre, in denen die Abführkanäle ausgebildet sind, formkorrespondierend zu den Konturen der Batteriezellen ausgebildet sind, weil die Batteriezellen trotz dieser kompakten Ausführungsform dann noch immer nahezu komplett umströmt werden können.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass jeweils zwei Einlässe eines Abführkanals einander gegenüberliegen. Insbesondere können die beiden einander gegenüberliegenden Einlässe des Abführkanals auf einander gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seiten des Abführkanals ausgebildet sein. Dadurch kann der Strömungspfad der Temperierflüssigkeit in den Zwischenräumen zu den Abführkanälen weiter vergleichmäßigt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul mehrere in Reihe miteinander verschaltete Batteriestapel aufweist, in denen mehrere Batteriezellen parallel miteinander verschaltet sind. Die Batteriezellen eines Batteriestapels können dabei nebeneinander angeordnet und übereinander gestapelt sein. Dadurch ergibt sich jeweils ein Batteriestapel aus Batteriezellen, der sich in einer Breitenrichtung und Höhenrichtung erstreckt. Dabei können in Breitenrichtung beispielsweise fünf bis dreißig Batteriezellen in einer Lage nebeneinander angeordnet sein und zwei oder mehr, beispielsweise drei bis zehn solcher Lagen an Batteriezellen übereinander gestapelt werden. Die einzelnen Batteriezellen eines solchen Batteriestapels können parallel miteinander verschaltet werden. Ein Batteriestapel kann beispielsweise 8 bis 124, insbesondere 16 bis 56 Batteriezellen, jedoch auch insbesondere weniger oder aber auch mehr Batteriezellen, aufweisen. Das Batteriemodul selbst kann beispielsweise zwei bis dreißig, insbesondere vier bis fünfundzwanzig Batteriestapel aufweisen. Zwischen jeweils zwei Batteriestapeln kann eine Zwischenstruktur angeordnet sein. Durch die Zwischenstruktur kann beispielsweise die Fixierung und/oder die elektrische Kontaktierung der Batteriezellen in dem Batteriestapel erfolgen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Auslässe der Zuführkanäle im Bereich jeweils eines Batteriestapels im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet sind. Eine im Wesentlichen äquidistante Anordnung umfasst eine äquidistante Anordnung sowie technische Abweichungen von einer mathematisch perfekten äquidistanten Anordnung. Dadurch wird im Bereich der Batteriestapel jeweils eine der Länge des Batteriestapels nach gleichmäßige Umströmung der Batteriezellen des Batteriestapels mit aus den Auslässen ausströmender Temperierflüssigkeit ermöglicht. Zwischen den Batteriestapeln bzw. in einem Bereich der Zwischenstruktur zwischen zwei benachbarten Batteriestapeln können optional hingegen keine Auslässe vorgesehen sein bzw. ein Bereich ohne Auslässe ausgebildet sein.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Abführkanäle ferner Entlüftungsöffnungen aufweisen, die dazu ausgebildet sind, die Batteriezellen mittels der Abführkanäle zu entlüften. Die Gase, die bei einem unerwünschten Zellereignis (Auslösen der Entlüftung) entstehen, können so das System verlassen. Insbesondere können die Entlüftungsöffnungen seitlich an den Abführungskanälen ausgebildet sein. Es können auch jeweils einander gegenüberliegende Entlüftungsöffnungen in den Abführungskanälen ausgebildet werden, was aber nicht notwendig ist, da auch jeweils große Entlüftungsöffnungen vorgesehen werden können. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Ansicht auf einen Querschnitt durch einen Batteriestapel des Batteriemoduls der Fig. 1;
Figur 3 eine seitliche Ansicht auf einen Zuführkanal des Batteriemoduls der Fig. 1 ;
Figur 4 eine Draufsicht auf den Zuführkanal aus Fig. 3;
Figur 5 eine Ansicht auf einen Querschnitt des Zuführkanals aus Fig. 3 im Bereich eines Auslasses;
Figur 6 eine Detailansicht des Zuführkanals aus Fig. 3;
Figur 7 eine seitliche Ansicht auf einen Abführkanal des Batteriemoduls der Fig. 1 ;
Figur 8 eine Ansicht auf einen Querschnitt des Abführkanals aus Fig. 7 im Bereich von Einlässen;
Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines Details des Batteriemoduls der Fig. 1 in einem Eingangsbereich einer Temperierkanalanordnung; Figur 10 eine perspektivische Ansicht eines Details des mit Temperierflüssigkeit durchströmten Zuführkanals aus Fig. 3;
Figur 11 eine perspektivische Ansicht eines Details des mit Temperierflüssigkeit durchströmenden Batteriemoduls der Fig. 1;
Figur 12 eine schematische Darstellung des Umströmens der im Querschnitt gezeigten Batteriezellen des Batteriestapels aus Fig. 2 mit Temperierflüssigkeit;
Figur 13 eine perspektivische Ansicht eines Details des mit Temperierflüssigkeit durchströmten Abführkanals aus Fig. 8; und
Figur 14 eine perspektivische Ansicht eines Details des Batteriemoduls der Fig. 1 in einem Ausgangsbereich einer Temperierkanalanordnung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 14 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Batteriemodul 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das gezeigte Batteriemodul 1 weist ein Batteriegehäuse 10 bzw. Batteriemodulgehäuse auf, welches eine erste Seite 11 und eine dieser ersten Seite 11 gegenüberliegende zweite Seite 12 aufweist. Die beiden Seiten 11, 12 sind die breitesten und längsten Seiten des Batteriegehäuses 10. Vorliegend entsprechen die beiden Seiten 11, 12 Gehäuseschalen des Batteriegehäuses 10 bzw. werden die Seiten 11, 12 durch Gehäuseschalen des Batteriegehäuses 10 gebildet. Die erste Seite 11 ist in Bezug auf eine Einbaulage, insbesondere in einem Kraftfahrzeug (nicht gezeigt), vorliegend eine Oberseite und die zweite Seite 12 ist vorliegend eine Unterseite des Batteriegehäuses 10.
Die Fig. 1 zeigt das Batteriemodul 1 vorliegend perspektivisch von unten, sodass ein Blick auf die zweite Seite 12 bzw. Unterseite ermöglicht wird. Außerdem kann die kurze Seite 13, an der, wie später näher erläutert wird, ein Eingangs- und/oder Ausgangsbereich einer Temperierkanalanordnung für ein Temperiersystem (nicht gezeigt) des Batteriemoduls 1 vorgesehen werden. Gegenüber der kurzen Seite 13 befindet sich eine weitere kurze Seite 14 des Batteriegehäuses 10. Eine oder beide kurze Seiten 13, 14 können dabei auch als Gehäusedeckel 13, 14 für das Batteriegehäuse 10 ausgebildet sein.
Das Batteriemodul 1 umfasst mehrere Batteriezellen 20 (siehe Fig. 2), die in Batteriestapeln 21 angeordnet bzw. zusammengefasst sind. In den Batteriestapeln 21 sind die Batteriezellen 20 parallel miteinander verschaltet. Wie sich der Fig. 1 entnehmen lässt, weist das vorliegend gezeigte Batteriemodul 1 insgesamt siebzehn Batteriestapel 21 auf, welche in dem Batteriemodul 1 in Längserstreckungsrichtung des Batteriemoduls 1 nebeneinander angeordnet sind. Die Anzahl der Batteriestapel 21 ist hier selbstverständlich nur beispielhaft gewählt und kann zur Erzielung einer bestimmten Spannung alternativ auch mehr oder weniger betragen, beispielsweise im Bereich von fünf bis dreißig Batteriestapeln 21 liegen.
Zwischen je zwei benachbarten Batteriestapeln 21 ist jeweils eine Zwischenstruktur 22 in dem Batteriemodul 1 eingebracht, welche die Batteriestapel 21 voneinander trennt, insbesondere teilweise oder überwiegend fluidtechnisch isolieren kann. Mittels der Zwischenstruktur 22 ist zudem eine elektrische Kontaktierung der Batteriezellen 20 in dem Batteriestapel 21 sowie oder alternativ eine mechanische Fixierung der Batteriezellen 20 in dem Batteriestapel 21 möglich.
An der zweiten Seite 12 befinden sich insgesamt sechs parallel zueinander und in Längserstreckungsrichtung des Batteriemoduls 1 verlaufende bzw. sich ihrer Länge nach erstreckende Zuführrohre 30. Die Zuführrohre 30 weisen ihrerseits jeweils einen Zuführkanal 31 auf (siehe Fig. 5). Die Zuführrohre 30 sind vorliegend als vom Batteriegehäuse 10 separate Teile ausgebildet, die insbesondere formschlüssig, alternativ oder zusätzlich aber auch kraft- und/oder stoffschlüssig an dem Batteriegehäuse 10 bzw. der unteren Seite 12 aufgenommen werden können. An der ersten Seite 11 sind insgesamt sechs zueinander parallel und in Längserstreckungsrichtung des Batteriemoduls 1 verlaufende Abführrohre 40 angeordnet (siehe Fig. 2), die ihrerseits jeweils einen intern verlaufenden Abführkanal 41 aufweisen (siehe Fig. 8) und als vom Batteriegehäuse 10 separate Teile ausgebildet sein können, die insbesondere formschlüssig, alternativ oder zusätzlich aber auch kraft- und/oder stoffschlüssig an dem Batteriegehäuse 10 bzw. der oberen Seite 11 aufgenommen werden können. Die Zuführrohre 30 und die Abführrohre 40 erstrecken sich entlang aller Batteriestapel 21 bzw. im Wesentlichen vollständig von der kurzen Seite 13 bis zu der kurzen Seite 14. Selbstverständlich kann die Anzahl der Zuführrohre 30 und der Abführrohre 40 alternativ auch mehr oder weniger als sechs betragen, beispielsweise im Bereich von zwei bis zehn liegen. Der Fertigungsaufwand und die Kosten werden durch eine zunehmende Anzahl der Rohre 30, 40 erhöht, gleichwohl kann eine bessere Gleichverteilung der Immersionstemperierung erzielt werden, wie sie im Weiteren näher beschrieben wird.
Figur 2 zeigt einen Batteriestapel 21 des Batteriemoduls 1 im Querschnitt. Gut sichtbar ist die Vielzahl an Batteriezellen 20 des Batteriestapels 21. Vorliegend beträgt die Anzahl der Batteriezellen 20 beispielhaft 46, sie kann aber auch mehr oder weniger betragen, beispielsweise im Bereich von 16 bis 128 liegen.
Die Batteriezellen 20 in dem Batteriestapel 21 sind nebeneinander und übereinander angeordnet, sodass sich mehrere Lagen an Batteriezellen 20, vorliegend beispielhaft 4 Lagen ergeben. Zwischen den Batteriezellen 20 können durch entsprechende Abstandhalter (nicht gezeigt), die Anordnung der Batteriezellen 20 in dem Batteriestapel 21 und/oder ihre mechanische Befestigung bzw. Fixierung Zwischenräume 4 gebildet werden, die von einer dielektrischen Temperierflüssigkeit 2 durchströmt werden können. Die Zwischenräume 4 können insbesondere dergestalt ausgebildet sein, dass die Batteriezellen 20 mit ihrer gesamten äußeren Mantelfläche von der Temperierflüssigkeit 2 umströmt werden können.
Vorliegend sind die Batteriezellen 20 in Form von Rundzellen ausgebildet. Gleichwohl können auch andere Geometrien für die Batteriezellen 20 der Batteriestapel 21 in dem Batteriemodul 1 genutzt werden, beispielsweise können Batteriezellen 20 mit rechteckigem Festgehäuse oder flexiblem Gehäuse eingesetzt werden.
Wie sich Fig. 2 ferner entnehmen lässt, sind die Zuführrohre 30 mit ihren Zuführkanälen 31 und die Abführrohre 40 mit ihren Abführkanälen 41 in das Batteriegehäuse 10 an der zweiten Seite 12 und der ersten Seite 11 aufgenommen bzw. integriert. Die Zuführrohre 30 sind an der zweiten Seite 12 zwischen je zwei Batteriezellen 20 angeordnet. Auch die Abführrohre 40 sind an der ersten Seite 11 zwischen je zwei Batteriezellen 20 angeordnet. Die Zuführrohre 30 und die Abführrohre 40 liegen sich dabei beispielhaft gegenüber. Vorliegend sind nicht zwischen allen Batteriezellen 20 an der zweiten Seite 12 bzw. ersten Seite 11 Zuführrohre 30 bzw. Abführrohre 40 angeordnet, wenn auch dies bei Bedarf vorgesehen werden kann.
Durch eine fluidtechnische Verbindung der Zuführkanäle 31 mittels Auslässen 34 in den Zuführrohren 30 (siehe Fig. 3) mit den Zwischenräumen 4 sowie eine fluidtechnische Verbindung der Zwischenräume 4 mittels Einlässen 44 in den Abführrohren 40 mit den Abführkanälen 41 wird eine Temperierkanalanordnung geschaffen, mittels derer die Batteriezellen 20 durch eine in die Zuführkanäle 31 einströmendes und aus den Abführkanälen 41 ausströmende Temperierflüssigkeit 2 temperiert werden können, wie nachstehend näher erläutert wird.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen eines der sechs Zuführrohre 30 aus dem Batteriemodul 1 in verschiedenen Perspektiven und als Detail bzw. Ausschnitt. Die Zuführrohre 30 sind alle baugleich ausgeführt. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Zuführrohren 30 um Gleichteile, die identisch aufgebaut sind, was die Fertigung vereinfacht, Kosten spart, und vor allem zur gleichmäßigen Temperierflüssigkeitsverteilung entlang des gesamten Batteriemoduls 1 führt.
Wie sich in der Seitenansicht der Fig. 3 auf das Zuführrohr 30 entnehmen lässt, weist das Zuführrohr 30 eine Zuführöffnung 32 auf, mittels derer die Temperierflüssigkeit 2 in den Zuführkanal 31 des Zuführrohres 30 eingeleitet werden kann. In der Draufsicht auf das Zuführrohr 30 der Fig. 4 und in der Detailansicht des Zuführrohrs 30 der Fig. 6 lässt sich erkennen, dass der Zuführkanal 31 an seiner Oberseite 33 mehrere voneinander beabstandete Auslässe 34 aufweist, mittels derer die in dem Zuführkanal 31 strömende Temperierflüssigkeit 2 in die Zwischenräume 4 in den Batteriestapeln 21 (vgl. Fig. 2) ausgelassen werden kann, um die Batteriezellen 20 zu temperieren.
Die Auslässe 34 weisen vorliegend einen kreisrunden Querschnitt auf und sind mittels Lasers im Mikrometerbereich gefertigt. So beträgt der Durchmesser der Auslässe 34, vorliegend beispielhaft 280 pm. Die Auslässe 34 können entsprechend auch als Mikroöffnungen oder Mikrobohrungen bezeichnet werden. Über die geeignete Dimensionierung der Auslässe 34 lässt sich der spezifische Druckabfall an diesen einstellen, so dass die in den Zuführkanälen 31 strömende Temperierflüssigkeit 2 gleichmäßig in die Zwischenräume 4 eingeleitet werden kann.
In den sich wiederholenden ersten Bereichen 35 sind dabei vorliegend jeweils fünf äquidistant voneinander beabstandete Auslässe 34 vorgesehen. Alternativ können in diesen ersten Bereichen 35 beispielsweise zwei bis zwanzig äquidistant voneinander beabstandete Auslässe 34 vorgesehen werden. Vorzugsweise werden in sämtlichen ersten Bereichen 35 gleich viele Auslässe 34 vorgesehen. Die ersten Bereiche 35 befinden sich innerhalb des Batteriemoduls 1 an bzw. unterhalb der Batteriestapel 21. Die ersten Bereiche 35 wechseln sich mit den zweiten Bereichen 36 ab. Die zweiten Bereiche 36 befinden sich innerhalb des Batteriemoduls 1 an bzw. unterhalb der Zwischenstrukturen 22. Die zweiten Bereiche 36 weisen keine Auslässe 34 auf, da kein Auslassen von Temperierflüssigkeit 2 in die Zwischenstrukturen 22 erforderlich ist.
Wie Fig. 5 im Querschnitt der Zuführrohre 30 erkennen lässt, weisen die Zuführrohre 30 einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Dabei sind die zwei zur Oberseite 33, die vorliegend beispielhaft als Spitze ausgeführt ist, benachbarten Seiten nach innen abgerundet bzw. konkav ausgeführt, um eine formschlüssige Aufnahme der hier beispielhaft als Rundzellen ausgebildeten Batteriezellen 20 zur Optimierung des Bauraums im Batteriemodul 1 zu ermöglichen. Zur Bereitstellung eines großen Strömungsquerschnitts in der gegebenen Geometrie der Zuführrohre 30 ist auch der Zuführkanal 31 im Querschnitt im Wesentlichen dreieckig ausgebildet. Bei einer anderen Geometrie der Batteriezellen 20 kann der Querschnitt der Zuführrohre 30 und damit ggf. auch der Zuführkanäle 31 entsprechend anderweitig gestaltet werden, um sich einer Kontur der Batteriezellen 20 anzupassen und damit den Bauraumbedarf der Zuführrohre 30 in dem Batteriemodul 1 zu senken. Selbiges hinsichtlich der Querschnittsgeometrie der Zuführrohre 30 gilt im Übrigen auch für die Abführrohre 40, welche hier beispielhaft, wie Fig. 8 zu entnehmen ist, identisch zur Geometrie der Zuführrohre 30 ist.
Die Figuren 7 und 8 lassen den Unterschied zwischen den Abführrohren 40 und den Zuführrohren 30 erkennen, nämlich, dass die Abführrohre 40 mit schlitzförmigen Einlässen 44 statt kreisrunden Auslässen 34 ausgebildet sind. Die schlitzförmigen Einlässe 44 erstrecken sich im Wesentlichen über den jeweils gesamten ersten Bereich 45 der Abführrohre 40, der sich analog zu den ersten Bereichen 35 der Zuführrohre 30, mit den zweiten Bereichen 46 der Abführrohre 40 abwechselt. Anders als bei den Zuführrohren 30 sind in den zweiten Bereichen 46 jedoch Entlüftungsöffnungen 47 ausgebildet. Diese Entlüftungsöffnungen 47 können fluidtechnisch mit den Zwischenstrukturen 22 verbunden werden, an denen wiederum ein Entlüftungs- bzw. Berstventil (nicht gezeigt) angeordnet sein kann. Das Berstventil kann die Zwischenstrukturen 22 bzw. einen Fluidkanal in den Zwischenstrukturen 22 von den Batteriestapeln 21 abtrennen. Kommt es zu einem sog. Venting oder thermischen Durchgehen in einem der Batteriestapel 21, kann das Berstventil öffnen. Über das Berstventil erreichen die entstehenden Gase den Fluidkanal in der Zwischenstruktur 22, der mit einer oder mehreren Entlüftungsöffnungen 47 verbunden sein kann. Über die Entlüftungsöffnungen 47 kann das entstehende Gas in die Abführrohre 40 eingelassen werden, um mittels selbiger schließlich sicher aus dem Batteriemodul 1 abgeführt zu werden. Dadurch kann ein thermisches Durchgehen sicher verhindert werden. Hierneben können die Zwischenstrukturen 22 mit einem Propagationsschild versehen sein, um ein thermisches Übergreifen von einem Batteriestapel 21 auf einen benachbarten Batteriestapel 21 zu vermeiden.
Der Fig. 8 lässt sich besonders gut die seitliche Anordnung der Einlässe 44 entnehmen. Die Einlässe 44 befinden sich, anders als die Auslässe 34 bei den Zuführrohren 30, nicht an den Oberseiten 43, die vorliegend beispielhaft als Spitzen ausgeführt sind, der Abführrohre 40, sondern seitlich an den Abführrohren 40. Dabei liegen je zwei der schlitzförmigen Einlässe 44 einander gegenüber. Ebenso liegen auch je zwei Entlüftungsöffnungen 47 vorliegend einander gegenüber und sind an den Abführrohren 40 seitlich ausgebildet.
Figur 9 zeigt den Eintritt von Temperierflüssigkeit 2 an der kurzen Seite 13 bzw. an einem Gehäusedeckel am Batteriemodul 1 durch einen in Form eines Zuführstutzens 50 ausgebildeten Eingangs 50 mit entsprechender Zuführleitung 51. Die Zuführleitung 51 ist strömungstechnisch mit jedem der Zuführrohre 30 verbunden. Entsprechend ergibt sich ein Strömungspfad 3 von dem Eingang 50 zu den Zuführrohren 30.
Nicht gezeigt ist vorliegend ein Temperiersystem, das mit einem Heiz- und/oder Kühlaggregat ausgestattet sein kann und an den Eingang 50 des Batteriemoduls 1, insbesondere an Eingänge 50 mehrere Batteriemodule 1, angeschlossen werden kann. Mittels des Heizaggregats lässt sich die aus dem Temperiersystem, insbesondere einem entsprechenden Reservoir, zugeführte Temperierflüssigkeit 2 erwärmen, um das Batteriemodul 1 bzw. die Batteriezellen 20 bei einem Kaltstart auf Betriebstemperatur zu bringen. Mittels des Kühlaggregats, welches als ein kombiniertes Heiz- und Kühlaggregat ausgeführt sein kann, lässt sich die zugeführte Temperierflüssigkeit 2 hingegen kühlen, um die, einmal auf Betriebstemperatur gebrachten, Batteriezellen 20 zu kühlen, bzw. bei Betriebstemperatur zu halten, und ein Überhitzen zu vermeiden.
Figur 10 zeigt den Strömungspfad 3 innerhalb eines isoliert dargestellten Ausschnittes eines Zuführrohres 30 innerhalb des Batteriemoduls 1. Ein Ende des Zuführrohres 30 ist vorliegend beispielhaft mit einem Stopfen 38 geschlossen, ermöglicht gleichwohl das Einströmen von Temperierflüssigkeit 2 von dem Eingang 50 in den Zuführkanal 31. Innerhalb des Zuführkanals 31 strömt die Temperierflüssigkeit 2 entlang der Längserstreckungsrichtung des Zuführkanals 31. Dabei strömt Temperierflüssigkeit 2 aus den Auslässen 34 in die Zwischenräume 4 der Batteriestapel 21 ein.
Figur 11 zeigt in einem Längsschnitt durch das Batteriemodul 1 den Strömungspfad 3 durch ein Zuführrohr 30 und mittels der Auslässe 34 hinein in die Batteriestapel 21 bzw. die Zwischenräume 4 zwischen den Batteriezellen 20 der Batteriestapel 21. Von den Zuführrohren 30 aus strömt die Temperierflüssigkeit 2 dabei entlang der Zwischenräume 4 von der zweiten Seite 12 zur ersten Seite 11 bzw. von unten nach oben. Dadurch, dass die Abführkanäle 41 in Einbaulage des Batteriemoduls 1 oben angeordnet sind, wird ein Aufströmen von Luft bzw. Luftblasen zusammen mit der Strömung der Temperierflüssigkeit 2 erlaubt, um die Luft zusammen mit der Temperierflüssigkeit 2 aus dem Batteriemodul 1 abzuführen.
Figur 12 zeigt schematisch das dabei erfolgende Umströmen und damit Temperieren der Batteriezellen 20. Die äußeren Mantelflächen der Batteriezellen 20 werden von der Temperierflüssigkeit 2 im Wesentlichen allseitig bzw. vollständig oder nahezu vollständig und direkt umströmt. Durch die Vielzahl an Auslässen 34 mit gleicher Beabstandung voneinander und eingestellten Druckverhältnissen wird dabei ein sehr gleichmäßig verteiltes Umströmen mit Temperierflüssigkeit 2 und damit gleichverteiltes Temperieren ermöglicht. An den Abführrohren 40 angelangt, wird die Temperierflüssigkeit 2 mittels der Einlässe 44 in die Abführkanäle 41 eingelassen, und von dort aus abgeführt.
Figur 13 zeigt den Strömungspfad 3 innerhalb eines isoliert dargestellten Ausschnittes eines Abführrohres 40 innerhalb des Batteriemoduls 1. Durch die Einlässe 44 gelangt die Temperierflüssigkeit 2 jeweils in den Abführkanal 41 und strömt an seinem Ende zu einem Ausgang 52 (siehe Fig. 14) aus. Auch vorliegend ist beispielhaft ein Stopfen 48 gezeigt, der das Abführrohr 40 an einem Ende abschließt. Die Stopfen 38, 48 sind vorliegend als von den Zuführ- und Abführrohren 30, 40 separate Teile ausgebildet, die darin, insbesondere formschlüssig, aufgenommen werden. Dies erleichtert die Fertigung, weil die Rohre 30, 40 einfach mittels Extrusion hergestellt werden können. Alternativ können die Stopfen 38, 48 auch einteilig mit den Rohren 30, 40 ausgebildet sein.
Figur 14 zeigt einen Ausschnitt des Batteriemoduls 1 von oben mit den ausgangsseitigen Strömungspfaden 3. Aus den Abführrohren 40 an der ersten Seite 11 gelangt die Temperierflüssigkeit 2 in den als Abführstutzen 52 mit Abführleitung 53 ausgebildeten Ausgang 52. Der Ausgang kann sich an derselben kurzen Seite 13 wie der Eingang 50 oder aber an der gegenüberliegenden kurzen Seite 14 befinden.
An dem Ausgang 52 bzw. dem Abführstutzen 52 kann wiederum das Temperiersystem mit dem Heiz- und/oder Kühlaggregat und einer Pumpe angeschlossen werden. So kann das Temperiersystem ein Zirkulieren der Temperierflüssigkeit 2 durch das Batteriemodul 1 entlang des beschriebenen Strömungspfades 3 bzw. der beschriebenen Temperierkanalanordnung aus Zuführkanälen 31, Abführkanälen 41 und Zwischenräumen 4 erlauben, wobei die Temperierflüssigkeit 2 durch das Heiz- und/oder Kühlaggregat jeweils nach Betriebssituation des Batteriemoduls 1 erwärmt oder gekühlt wird.
B ez u g s ze i c h e n l i ste
1 Batteriemodul
2 T emperierflüssigkeit
3 Strömungspfad
4 Zwischenraum 10 Batteriegehäuse 11 erste Seite 12 zweite Seite
13, 14 kurze Seiten, Gehäusedeckel 20 Batteriezellen 21 Batteriestapel 22 Zwischenstruktur
30 Zuführrohr
31 Zuführkanal
32 Zuführöffnung
33 Oberseite
34 Auslass
35 erster Bereich
36 zweiter Bereich 38 Stopfen
40 Abführrohr
41 Abführkanal
42 Abführöffnung
43 Oberseite
44 Einlass
45 erster Bereich
46 zweiter Bereich
47 Entlüftungsöffnung
48 Stopfen
50 Eingang, Zuführstutzen
51 Zuführleitung Ausgang, Abführstutzen Abführleitung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Batteriemodul (1) mit einem Batteriegehäuse (10), mehreren zwischen einer ersten Seite (11) und einer der ersten Seite (11) gegenüberliegenden zweiten Seite (12) innerhalb des Batteriegehäuses (10) angeordneten Batteriezellen (20) und einer mit einer Temperierflüssigkeit (2) durchströmbaren Temperierkanalanordnung, wobei die Temperierkanalanordnung mehrere an der zweiten Seite (12) des Batteriegehäuses (10) angeordnete und voneinander beabstandete Zuführkanäle (31) und mehrere an der ersten Seite (11) des Batteriegehäuses (10) angeordnete und voneinander beabstandete Abführkanäle (41) aufweist, wobei die Zuführkanäle (31) Auslässe (34) aufweisen, welche in eine
Längserstreckungsrichtung der Zuführkanäle (31) voneinander beabstandet sind, wobei die Abführkanäle (41) Einlässe (44) aufweisen, welche in eine Längserstreckungs richtung der Abführkanäle (40) voneinander beabstandet sind, und wobei zwischen den mehreren Batteriezellen (20) strömungstechnisch miteinander verbundene Zwischenräume (4) der Temperierkanalanordnung ausgebildet sind, welche strömungstechnisch mit den Auslässen (34) der Zuführkanäle (31) und den Einlässen (44) der Abführkanäle (40) verbunden sind.
2. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Temperierkanalanordnung Strömungspfade (3) für die Temperierflüssigkeit (2) ausbildet, wobei die Strömungspfade (3) sich von einem Eingang (50) des
Batteriemoduls (1) entlang der Zuführkanäle (31), durch die Auslässe (34), entlang der Zwischenräume (4), durch die Einlässe (44) und entlang der Abführkanäle (44) zu einem Ausgang (52) des Batteriemoduls (1) erstrecken.
3. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuführkanäle (31) und/oder die Abführkanäle (41) in ihrer
Längserstreckungsrichtung jeweils parallel zueinander verlaufen.
4. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Zwischenräume (4) sich jeweils um eine äußere Mantelfläche der Batteriezellen (20) erstrecken.
5. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Zwischenräume (4) durch Abstandhalter zwischen den Batteriezellen (20) ausgebildet sind.
6. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Zuführkanäle (31) und/oder die Abführkanäle (41) in, insbesondere vom Batteriegehäuse (10) separat ausgebildeten, Zuführrohren (30) und/oder Abführrohren (40) des Batteriemoduls (1) ausgebildet sind.
7. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Kontur der Zuführkanäle (31) und/oder der Abführkanäle (41) mit einer Kontur der Batteriezellen (20) korrespondiert.
8. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (20) Rundzellen sind und die Zuführrohre (30) und/oder die Abführrohre (40) einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen.
9. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Auslässe (34) der Zuführkanäle (31) auf die Abführkanäle (40) ausgerichtet sind.
10. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Auslässe (34) der Zuführkanäle (31) einen runden Querschnitt aufweisen.
11. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Auslässe (34) der Zuführkanäle (31) eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,05 mm2 bis 3 mm2 aufweisen.
12. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Quotient aus Länge und Durchmesser der Auslässe (34) jeweils das 10- bis 100-fache, insbesondere das 20- bis 50-fache, des Quotienten aus Länge und Durchmesser des Zuführkanals (31) beträgt.
13. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Einlässe (44) der Abführkanäle (40) als Schlitze ausgebildet sind und/oder wobei die Einlässe (44) in den Abführkanälen (40) seitlich ausgebildet sind.
14. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei jeweils zwei Einlässe (44) eines Abführkanals (41) einander gegenüberliegen.
15. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (1) mehrere in Reihe miteinander verschaltete Batteriestapel (21) aufweist, in denen mehrere Batteriezellen (20) parallel miteinander verschaltet sind und/oder wobei die Auslässe (34) der Zuführkanäle (31) im Bereich (35) jeweils eines Batteriestapels (21) im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet sind.
16. Batteriemodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Abführkanäle (40) ferner Entlüftungsöffnungen (47) aufweisen, die dazu ausgebildet sind, die Batteriezellen (20) mittels der Abführkanäle (40) zu entlüften.
PCT/EP2022/062548 2021-06-15 2022-05-10 Batteriemodul mit temperierkanalanordnung WO2022263059A1 (de)

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DE102021115487.1 2021-06-15
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