WO2025214552A2

WO2025214552A2 - Batterie mit immersionskühlung und verfahren zur kühlung einer batterie

Info

Publication number: WO2025214552A2
Application number: PCT/DE2025/100343
Authority: WO
Inventors: Alexander BOXBERGER; Andreas Mayer; Friedhelm Wulf; Christian Geilhausen; Chunyu JIA; Marcel Mannweiler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-04-12
Filing date: 2025-04-04
Publication date: 2025-10-16
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: DE102024110308A1; WO2025214552A3

Abstract

Eine mehrere elektrochemische Zellen (2) aufweisende Batterie (1 ) wir per Immersionskühlung temperiert. Die Batterie (1 ) umfasst ein Batteriegehäuse (3) mit prismatischer Grundform, wobei auch die einzelnen elektrochemischen Zellen (2) jeweils prismatisch geformt sind, flächige Verteiler (4, 5, 6, 7) zur Zu- und Ableitung von Immersionsfluid auf einander gegenüberliegenden Seiten des Batteriegehäuses (3), die flächigen Verteiler (4, 5, 6, 7) miteinander verbindende, zwischen elektrochemischen Zellen (2) gebildete mäanderförmige Strömungskanäle (12), in welche in sich starre Abstands- und Strömungsleitelemente (15) eingesetzt sind, wobei Komponentengruppen, die aus mehreren mechanisch hintereinander geschalteten Zellen (2) sowie Abstands- und Strömungsleitelementen (15) gebildet sind, jeweils durch die Kraft eines Vorspannelementes (16) belastet sind.

Description

Batterie mit Immersionskühlunq und Verfahren zur Kühlung einer Batterie

Die Erfindung betrifft eine mehrere elektrochemische Zellen umfassende Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, mit Immersionskühlung, das heißt Tauchkühlung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer mehrere elektrochemische Zellen umfassenden Batterie.

Unter Immersionskühlung wird eine Kühlung verstanden, bei welcher ein zu kühlender Gegenstand oder eine zu kühlende Baugruppe, beispielsweise eine Batteriezelle und/oder eine elektronische Komponente, unmittelbar von einem elektrisch nichtleitenden dielektrischen Fluid umspült wird, das heißt in das Fluid eingetaucht ist. Je nach Bedarf ist das in einem Kreislauf geführte Immersionsfluid auch zum Beheizen des Gegenstandes beziehungsweise der Baugruppe nutzbar.

Eine Batterie, welche per Immersionskühlung temperiert wird, ist beispielsweise aus der US 11 ,626,636 B2 bekannt. Eine Baugruppe der bekannten Batterie umfasst eine komprimierbare Distanzbaugruppe, das heißt Abstandshalteranordnung. Die Batterie nach der US 11 ,626,636 B2 ist für die Verwendung in Elektrofahrzeugen konzipiert. Die genannte Baugruppe ist von einer Außenschalenbaugruppe umschlossen. Empfohlen wird die Verwendung eines nicht brennbaren Dielektrikums als Immersionsfluid.

Eine weitere Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen ist in der US 11 ,677,107 B2 offenbart. Die Batteriezellen haben in diesem Fall eine zylindrische Form. Die Vorrichtung nach der US 11 ,677,107 B2 umfasst Dichtelemente, welche als zwei einander gleichende Formteile ausgebildet sind, die punktsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind.

Die WO 2022/022759 A1 offenbart eine Wärmetauscheranordnung für Batterien, die in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Ein Wärmeträger durchströmt einen inneren Kreislauf der Anordnung nach der WO 2022/022759 A1. Ein mit Wärmeträger gefülltes Volumen, welches dem inneren Kreislauf zuzurechnen ist, ist unter anderem durch zueinander parallele Oberflächen und eine Formdichtung begrenzt.

Ein in der US 2013/0017428 A1 beschriebener Energiespeicher umfasst zahlreiche Batterien in einer Zeilen-Spalten-Anordnung. Den Energiespeicher durchströmende Luft strömt in verschiedenen miteinander verbundenen Leitungen, die teilweise orthogonal zueinander ausgerichtet sind.

Die DE 10 2020 120 746 A1 hat ein Modul für einen Hochvoltspeicher mit Immersionskühlung zum Gegenstand. Das Modul umfasst mehrere Batteriezellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und beispielsweise prismatisch geformt oder als Pouch-Zellen ausgebildet sein können. Zwischen Seitenflächen der Batteriezellen sind reversibel verformbare Distanzelemente angeordnet. Ein Kühlmittel, dessen Wärmeleitfähigkeit mit 0,1 W/m K bis 15 W/m K angegeben ist, tritt in unmittelbaren Kontakt zu den genannten Seitenflächen.

Die DE 10 2014 223 178 A1 befasst sich mit einem Anpresskonzept für eine Kühleinrichtung eines Hochvoltspeichers. Danach soll ein Federelement zum flächigen Anpressen einer Kühleinrichtung an ein Energiespeichermodul eines Hochvoltspeichers verwendet werden. Durch das Federelement sind mindestens zwei elastische Federschenkel zur Erzeugung einer Anpresskraft ausgebildet. Die Vorrichtung nach der DE 10 2014 223 178 A1 soll insbesondere zur Verwendung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug geeignet sein.

Die DE 10 2021 210 265 A1 beschreibt ein Fluidmanagement-Modul zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichers mittels Immersionskühlung. Zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Fluidmanagement-Moduls ist eine Ventileinheit angeordnet, die dafür sorgen soll, dass ein Fluidpfad ausschließlich in vorgesehener Richtung durchströmt wird. Mehrere Kühlpfade sind durch ein Gehäuse des Fluidmanagement-Moduls geführt. Die DE 10 2022 127 418 A1 hat Systeme für aktives Wärmemanagement mit Mehrzweckbehältern für durch Eintauchen in Flüssigkeit gekühlte Batterieanordnungen zum Gegenstand. Eine insgesamt quaderförmige Anordnung an Batteriemodulen kann beispielsweise von einer Seite der quaderförmigen Anordnung aus mit Kühlmittel versorgt werden. Über die gegenüberliegende Seite der quaderförmigen Anordnung wird das Kühlmittel abgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte, mit Immersionskühlung arbeitende Batterie anzugeben, welche sich durch einen kompakten, fertigungsfreundlichen Aufbau bei gleichzeitig hoher erzielbarer Kühlleistung auszeichnet. Ferner soll ein weiterentwickeltes Immersionskühlungsverfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein nach Anspruch 20 gestaltetes Verfahren zur Kühlung einer mehrere elektrochemische Zellen umfassenden Batterie. Ist im vorliegenden Text von „Kühlung“ die Rede, so gelten die entsprechenden Ausführungen auch für ein Beheizen, das heißt allgemein für eine Temperierung. Die im Zusammenhang mit dem Kühl- oder Heizverfahren stehenden Erläuterungen gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt Batterie, insbesondere in Form einer Sekundärbatterie, und umgekehrt.

Die anmeldungsgemäße, eine Mehrzahl an elektrochemischen Zellen aufweisende Batterie, welche eine Temperierung der einzelnen Zellen per Immersionskühlung vorsieht, umfasst

- ein Batteriegehäuse mit prismatischer Grundform, wobei auch die einzelnen elektrochemischen Zellen jeweils prismatisch geformt sind,

- mehrere flächige Verteiler zur Zu- und Ableitung von Immersionsfluid auf verschiedenen Seiten des Batteriegehäuses, - die flächigen Verteiler miteinander verbindende, zwischen elektrochemischen Zellen gebildete mäanderförmige Strömungskanäle, in welche in sich starre, das heißt elastisch nicht in technisch relevantem Maße nachgiebige, Abstandsund Strömungsleitelemente eingesetzt sind, wobei Komponentengruppen, die aus mehreren mechanisch hintereinander geschalteten Zellen sowie Abstandsund Strömungsleitelementen gebildet sind, jeweils durch die Kraft mindestens eines Vorspannelementes, insbesondere in Form eines metallischen oder nichtmetallischen Federelementes, belastet sind.

Was die genannten flächigen Verteiler betrifft, so handelt es sich hierbei um mindestens zwei Paare an Verteilern. Jedes dieser Verteilerpaare ist aus zwei flächigen, strömungstechnisch hintereinander geschalteten Verteilern zur Zu- oder Ableitung von Immersionsfluid gebildet, so dass in der Summe mindestens vier flächige Verteiler existieren. Die ein und demselben Verteilerpaar zuzurechnenden Verteiler sind auf zwei aneinandergrenzenden, einen endlichen, das heißt von Null verschiedenen, Winkel miteinander einschließenden Seiten des Batteriegehäuses angeordnet. Jeder Verteiler, welcher einem ersten Verteilerpaar zuzurechnen ist, liegt einem Verteiler eines weiteren Verteilerpaares gegenüber.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Immersionskühlung grundsätzlich eine hocheffiziente Methode der Kühlung darstellt. Im Fall der Kühlung elektrochemischer Zellen ist die Tatsache zu berücksichtigen, dass die Zellen im Laufe der Lebensdauer der aus den Zellen aufgebauten Batterie Abmessungsänderungen, insbesondere durch Lade- und Entladevorgänge, unterliegen. Um solche geometrischen Änderungen der Zellen aufzunehmen, bieten sich nach älteren Ansätzen flexible Distanzelemente an, die zugleich eine strömungsleitende Funktion haben.

Die anmeldungsgemäße Lösung wendet sich von solchen Ansätzen bewusst ab, indem die strömungsleitende Funktion, welche die Abstands- und Strömungsleitelemente übernehmen, von der geometrischen Ausgleichsfunktion, für welche das mindestens eine Federelement, das in einer Reihe mit den hintereinander angeordneten Zellen positioniert ist, getrennt ist. Dies ermöglicht eine permanente flächige Anlage der Abstands- und Strömungsleitelemente an den Zellen über die gesamte Lebensdauer der Batterie.

Die elastisch nicht in technisch relevantem Maße nachgiebigen Abstands- und Strömungsleitelemente, welche allgemein auch als Zwischenelemente bezeichnet werden, liegen in verschiedenen Ausführungsformen an den größten Oberflächen der quaderförmigen Zellen der Batterie an. Von den betreffenden Oberflächen, welche beispielsweise eine quadratische oder eine sonstige rechteckige Form haben, deckt das Abstands- und Strömungsleitelement eine Teilfläche ab, welche beispielsweise weniger als der Hälfte, insbesondere weniger als einem Viertel, der genannten Oberfläche der Zelle entspricht.

Auf diese Weise sind die geometrisch in einer Reihe angeordneten Zellen annähernd vollständig von Immersionsfluid umspülbar. Dies gilt unabhängig von der elektrischen Schaltung der Zellen, das heißt an sich bekannten Parallelschaltungen und/oder Schaltungen von Zellen in Reihe. Die Führung des Fluidstromes, das heißt des Stromes an elektrisch nichtleitendem Immersionsfluid, eng an den Zellwänden, wobei sich hohe Strömungsgeschwindigkeiten und stark ausgeprägte Turbulenzen einstellen können, begünstigt eine hohe Wärmeabfuhr und zumindest näherungsweise einheitliche Betriebsbedingungen für die Zellen im gesamten Batteriegehäuse.

Die von dem Immersionsfluid umspülten Bereiche sind nicht notwendigerweise von sonstigen Bereichen innerhalb des Batteriegehäuses durch Abdichtungen getrennt. Auch ohne solche hermetischen Abdichtungen können innerhalb des Batteriegehäuses oder direkt durch das Batteriegehäuse zusätzlich zu den Abstands- und Strömungsleitelementen, welche als starre Abstandshalter zwischen die einzelnen elektrochemischen Zellen eingefügt sind, strömungsleitende Strukturen ausgebildet sein, welche für eine gezielte Verteilung des Fluidstroms sorgen.

Beispielsweise liegen derartige strömungsleitende Strukturen als Lochplatte in mindestens einem Verteiler zur Zu- oder Abführung von Immersionsfluid zu den Zellen beziehungsweise von den Zellen vor. Die einzelnen Öffnungen in der Lochplatte können einen zellspezifischen Durchmesser aufweisen. Zudem ist die Möglichkeit gegeben, die Strömungsräume auf der Zellseite der Lochplatte von Zelle zu Zelle durch das Heranführen der Zwischenelemente, das heißt Abstands- und Strömungsleitelemente, bis an die Lochplatte voneinander abzutrennen. Auf diese Weise wird vermieden, dass eventuelle Druckunterschiede, welche zwischen Teilvolumina, die an verschiedene Zellen grenzen, gegeben sein können, zu nicht gewünschten Ausgleichsströmungen führen, die eine ungleiche Kühlung der Zellen bedeuten würden.

Die kompletten, fluidtechnisch parallel zueinander geschalteten Strömungswege, auf welchen das Immersionsfluid die Batterie durchströmen kann, sind derart gestaltbar, dass sämtliche Wege zumindest näherungsweise gleich lang sind. Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, in welchen eine unterschiedliche Länge verschiedener Strömungswege vorgegeben ist. Dies kommt zum Beispiel dann in Betracht, wenn sich Einbauten im Batteriegehäuse, hierunter die in Matrixform angeordneten elektrochemischen Zellen, hinsichtlich ihrer Wärmeentwicklung voneinander unterscheiden.

Das Batteriegehäuse umschließt entweder einen einzigen Innenraum, in welchem sich sämtliche elektrochemische Zellen befinden, oder ist modulartig in mehrere Teilräume, jeweils für eine Mehrzahl matrixförmig angeordneter Zellen, aufgeteilt. Umgekehrt kann auch das Batteriegehäuse samt Einbauten, einschließlich der Zellen, lediglich ein Modul einer größeren Baugruppe eines elektrochemischen Systems, insbesondere Batteriesystems, darstellen. Somit sind verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten eines „Cell-to-Pack“ Designs gegeben. Innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses können sich verschiedene Komponenten eines hierarchisch aufgebauten Steuerungssystems befinden.

Unabhängig von der Anzahl und Anordnung der zum Betrieb des Batteriesystems vorgesehenen, zusätzlich zu den Zellen vorhandenen Komponenten innerhalb und/oder außerhalb der Batteriegehäuses hat jedes Federelement, welches eine Reihe an Zellen unter mechanischer Vorspannung hält, die Aufgabe eines Toleranzausgleiches in genau einer Dimension. In hierzu orthogonaler Richtung können durch die Batteriezellen ebenfalls Reihen gebildet sein, wobei die Zellen in dieser Richtung mit ihren Schmalseiten aneinandergereiht sind. Hinsichtlich der Strömung des Immersionsfluides sind die Schmalseiten der Zellen von untergeordneter Bedeutung. Zwischen den Schmalseiten, das heißt den kleinen Seitenflächen der Zellen, kann ein Spalt existieren, der einen Strömungskanal bildet, welcher zu den durch die Abstandsund Strömungsleitelemente gebildeten Kanälen parallel ist und ebenfalls zum Wärmeaustausch beiträgt, wobei aufgrund der Tatsache, dass die Schmalseiten klein sind im Vergleich zu den Flächen, an welchen die Abstands- und Strömungsleitelemente anliegen, von einem speziell geformten Strömungskanal an den kleinen Seitenflächen abgesehen werden kann.

In abgewandelter Ausführungsform sind auch an den kleinen Seitenflächen der Zellen strömungsleitende Elemente eingesetzt. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, die Spalte an den kleinen Seitenflächen mit Zwischenelementen ganz oder teilweise zu verschließen, womit insbesondere die mechanische Belastbarkeit erhöht und die Zellbefestigung optimiert werden kann.

Insgesamt ist durch die anmeldungsgemäße Gestaltung sowohl eine stabile Befestigung der Zellen im Batteriegehäuse als auch eine Konstanthaltung der für die Immersionskühlung relevanten Geometrie von Strömungsräumen erzielbar. Zugleich nimmt das Federelement, welches eine komplette Reihe an Zellen sowie zwischen die Zellen eingefügte Abstands- und Strömungsleitelemente vorspannt, in Relation zu den Zellen und auch zu dem gesamten Volumen in welchem sich die Abstands- und Strömungsleitelemente befinden, nur einen geringen Bauraum ein.

Das Gehäuse der Batterie hat insbesondere eine quaderartige, nicht würfelförmige Grundform, wobei Verteiler erster Ordnung an einander gegenüberliegenden Schmalseiten und Verteiler zweiter Ordnung, welche an die Verteiler erster Ordnung angeschlossen sind, an der Ober- und Unterseite des Batteriegehäuses angeordnet sind, und wobei die elektrochemischen Zellen in Matrixform zwischen der Ober- und Unterseite des Batteriegehäuses platziert sind. Gemäß verschiedener möglicher Bauformen füllen die beiden Verteiler erster Ordnung jeweils eine Schmalseite und die beiden Verteiler zweiter Ordnung jeweils eine Ober- beziehungsweise Unterseite des Batteriegehäuses größtenteils, das heißt zu mehr als 50%, insbesondere zu mehr als 80%, aus.

Die flächigen Verteiler zweiter Ordnung weisen nicht notwendigerweise eine innere Strukturierung auf. Beispielsweise können die Verteiler zweiter Ordnung als flächige Verteilerräume gestaltet sein, welche in zur Stapelrichtung der elektrochemischen Zellen parallelen Ebenen liegen.

Optional befindet sich mindestens eine Druckentlastungsvorrichtung, welche als Berstscheibe oder als Überdruckventil ausgeführt sein kann, im oberen Bereich des Batteriegehäuses. Des Weiteren können Entlüftungsventile insbesondere an Ecken des Batteriegehäuses angebracht sein.

Die Druckentlastungsvorrichtung hat insbesondere die Funktion, Stoffe, die aus den elektrochemischen Zellen aufgrund von Abweichungen von den vorgesehenen Be- triebsparametern austreten, abzuführen. Die einzelnen elektrochemischen Zellen können zu diesem Zweck Sollbruchstellen aufweisen. Auch ist die Möglichkeit gegeben, dass sich Sollbruchstellen der elektrochemischen Zellen im unteren Bereich des Batteriegehäuses befinden. In solchen Fällen können beispielsweise die Sollbruchstellen mit separaten Öffnungen in einem Gehäuseboden des Batteriegehäuses fluchten. Alternativ können die Sollbruchstellen an Kanäle, welche in einer Wanne des Batteriegehäuses ausgebildet sind, angeschlossen sein.

Das Federelement, das heißt Vorspannelement, welches eine Reihe an Zellen der Batterie mit einer Vorspannkraft beaufschlagt, ist beispielsweise als Blattfeder, als Tellerfeder oder als Anordnung aus mehreren Federn ausgebildet. Einstellmöglichkeiten können durch ein gesondertes, in sich starres Element, beispielsweise in Form einer Scheibe, an welcher sich das Federelement abstützt, gegeben sein. Statt eines als Feder ausgebildeten Vorspannelementes kann auch ein flächiges Element, beispielsweise in Form einer Zwischenlage, welche aus einem elastischen, optional geschäumten Material gefertigt ist, zur mechanischen Vorspannung der Batteriezellen verwendet werden. Unabhängig vom Material und der Geometrie der Elemente, an welchen die Zellen unter Ausübung einer Druckkraft anliegen, können Schrauben zur Einstellung der Vorspannung vorhanden sein.

Eine mögliche Ausgestaltung einer aus mehreren Vorspannelementen aufgebauten Vorspanneinrichtung sieht vor, dass einzeln verstellbare Plattenelemente jeweils eine Reihe an elektrochemischen Zellen belasten. Hierbei können die Plattenelemente mit Hilfe von Schrauben einstellbar sein.

An einer Stelle des Immersionsfluidkreislaufs, zum Beispiel zwischen dem Batteriegehäuse und einer zur Förderung des dielektrischen Immersionsfluids vorgesehenen Pumpe, kann eine Befüllvorrichtung angeordnet sein, welcher ein Ausgleichsbehälter für Immersionsfluid zuzurechnen ist. Entlüftungsvorrichtungen können sich, abgesehen von der Befüllvorrichtung, insbesondere an Ecken des quaderförmigen oder in sonstiger Weise prismatischen Batteriegehäuses angeordnet sein.

Um die Batteriezellen bei Bedarf auf ein höheres Temperaturniveau bringen zu können, kann in den Immersionsfluidkreislauf eine Heizvorrichtung integriert sein. Eine solche Heizvorrichtung wird beispielsweise elektrisch oder durch Abwärme einer weiteren Vorrichtung, insbesondere eines Verbrennungsmotors, betrieben.

In den Immersionsfluidkreislauf kann eine beliebige Anzahl elektrischer, elektronischer oder elektromechanischer Bauteile, beispielsweise mindestens ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor und/oder ein Spannungssensor, eingebunden sein. Derartige Bauteile können grundsätzlich innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sein. In verschiedenen möglichen Ausgestaltungen der Batterie sind in einem Deckel des Batteriegehäuses mehrere Busbars, welche elektrochemische Zellen miteinander verbinden, aufgenommen. Die Busbars können zum Beispiel spritzgusstechnisch in den Deckel eingegossen sein. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, dass die Busbars durch integrierte Elemente, beispielsweise Rastnasen, oder gesonderte Elemente, beispielsweise Fixier-Clips, im Deckel gehalten sind. Der Deckel kann grundsätzlich aus elektrisch nichtleitendem Material, insbesondere Kunststoff, oder aus elektrisch leitendem Material gefertigt sein. Im letztgenannten Fall können die Busbars mehrseitig mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung versehen sein.

Unabhängig von dem Material oder den Materialien, aus welchem beziehungsweise auf welchen der Deckel gefertigt ist, kann eine Schablone, welche über die bereits im Batteriegehäuse befindlichen Batteriezellen zu setzen ist, im Laufe der Batteriefertigung die Positionen der Busbars vorgeben. Je nach Variante des Fertigungsverfahrens kann die Schablone entweder in der Batterie verbleiben oder vor Abschluss der Fertigung aus der Batterie entnommen werden.

Das anmeldungsgemäße Verfahren zur Kühlung einer mehrere elektrochemische Zellen umfassenden Batterie sieht vor, dass ein Immersionsfluid durch mäanderförmige, strömungstechnisch zumindest teilweise parallel geschaltete Kanäle geleitet wird. Diese Kanäle sind zwischen den elektrochemischen Zellen gebildet und werden mit Hilfe von in sich starren Abstands- und Strömungsleitelementen offengehalten. Hierbei werden Abstands- und Strömungsleitelemente, welche in mehreren, strömungstechnisch zueinander parallel geschalteten Kanälen platziert sind, durch die Kraft eines Federelementes unter mechanischer Spannung gehalten. Das Immersionsfluid wird über Verteiler erster Ordnung und hieran anschließende Verteiler zweiter Ordnung zu den mäanderförmigen, durch die Abstands- und Strömungsleitelementen begrenzten Kanälen geleitet beziehungsweise aus diesen Kanälen abgeleitet. Die Verteiler erster Ordnung liegen in zu den Abstands- und Strömungsleitelementen parallelen Ebenen, während die Verteiler zweiter Ordnung, an welche die genannten strömungstechnisch zueinander parallel geschalteten Kanäle direkt angeschlossen sind, in hierzu orthogonalen Ebenen liegen. Insbesondere strömt das Immersionsfluid innerhalb des Gehäuses der Batterie, in welchem sich die elektrisch in beliebiger Weise verschalteten elektrochemischen Zellen befinden, an Oberflächen von elektrisch leitenden, beispielsweise plättchen- oder quaderförmigen Busbars, welche einzelne elektrochemische Zellen miteinander verbinden und auf eine der bereits beschriebenen Arten in einen Deckel des Batteriegehäuses integriert sind.

Die anmeldungsgemäße, durch das Verfahren nach Anspruch 20 temperierbare Batterie eignet sich aufgrund der optimierten Wärmeübergänge zwischen den Zellen und dem Immersionsfluid insbesondere für regelmäßiges Schnellladen, insbesondere im Fall der Ausbildung der Batterie als Traktionsbatterie eines Fahrzeugs. Ebenso kommt eine Verwendung der Batterie in einer stationären Anlage in Betracht.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine per Immersionskühlung temperierbare Batterie in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 eine weitgehend entsprechend der Batterie nach Figur 1 aufgebaute Batterie in Explosionsdarstellung,

Fig. 3 die Batterie nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 4 und 5 die Batterie nach den Figuren 1 und 3 in Schnittdarstellungen,

Fig. 6 eine Seitenfläche der Batterie nach Fig. 1 einschließlich Strukturen zur Zuführung von Immersionsfluid, Fig. 7 in einer Seitenansicht eine gegenüber der Gestaltung nach Fig. 1 modifizierte Möglichkeit der Zuführung von Immersionsfluid zu Zellen einer Batterie,

Fig. 8 in einer Darstellung analog Fig. 6 eine Seitenfläche der Batterie nach Fig. 1 einschließlich Strukturen zur Rückführung von Immersionsfluid,

Fig. 9 die Unterseite der Batterie nach Fig. 1 ,

Fig. 10 Komponenten innerhalb des Gehäuses der Batterie nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 11 und 12 Schnittdarstellungen der Anordnung nach Fig. 10,

Fig. 13 ein Detail aus Fig. 12 einschließlich eines Federelementes,

Fig. 14 eine alternative Ausgestaltung eines Federelementes einer Batterie in einer Darstellung analog Fig. 13,

Fig. 15 ein Abstands- und Strömungsleitelement einer Batterie,

Fig. 16 ein Detail einer Batterie einschließlich mehrerer Abstands- und Strömungsleitelemente in Draufsicht,

Fig. 17 einen Spannrahmen einer Batterie in perspektivischer Ansicht, Fig. 18 ausschnittsweise den Spannrahmen sowie in diesem befindliche Batteriekomponenten,

Fig. 19 ausschnittsweise eine Batterie mit einer elastischen Zwischenlage zur mechanischen Vorspannung von Batteriezellen,

Fig. 20 die Anordnung nach Fig. 19 in Draufsicht,

Fig. 21 in einer Seitenansicht ausschnittsweise eine Batterie mit separat verstellbaren Plattenelementen, welche zum Aufbringen einer Vorspannkraft auf jeweils eine Reihe an Batteriezellen vorgesehen sind,

Fig. 22 in geschnittener Darstellung ein Detail der Anordnung nach Fig. 21 ,

Fig. 23 die Oberseite eines Deckels einer Batterie,

Fig. 24 die Unterseite des Deckels nach Fig. 23,

Fig. 25 einen Schnitt A-A durch den Deckel nach Fig. 23 und 24,

Fig. 26 einen Schnitt B-B durch eine Batterie einschließlich eines Deckels sowie mehrerer Sicherheitsventile,

Fig. 27 die Unterseite des Deckels der Batterie nach Fig. 26,

Fig. 28 einen weiteren Deckel einer Batterie, Fig. 29, 30 den Deckel nach Fig. 28 in verschiedenen Fertigungsstadien,

Fig. 31 einen Batteriedecke! mit gegenüber der Variante nach Fig. 29 und 30 geänderter Fixierung von Busbars,

Fig. 32 einen weiteren Batteriedecke! mit darin gehaltenen Busbars,

Fig. 33 eine bei der Herstellung eines Batteriedeckels nutzbare Schablone,

Fig. 34, 35 verschiedene Varianten von Busbars für Batterien,

Fig. 36, 37 Schnitte des Busbars nach Fig. 35,

Fig. 38, 39 weitere Varianten von Busbars für Batterien,

Fig. 40 eine Batterie in einer Schnittdarstellung,

Fig. 41 einen Boden einer Batterie,

Fig. 42 in einer Darstellung analog Fig. 40 die den Boden nach Fig. 41 aufweisende Batterie,

Fig. 43 Strukturen eines Bodens einer weiteren Batterie,

Fig. 44 die den Boden nach Fig. 43 aufweisende Batterie, Fig. 45 ein zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehenes Batteriesystem einschließlich der Batterie nach Fig. 1.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnetes Batteriesystem umfasst eine wiederaufladbare Batterie 1 , deren Batteriegehäuse 3 eine quaderartige Grundform hat. Das Batteriegehäuse 3 weist eine Gehäusebreite GB, eine Gehäusehöhe GH, sowie eine Gehäusetiefe GT auf, wobei GH < GT < GB gilt.

Eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 2, das heißt Batteriezellen, wird per Immersionskühlung temperiert. Als Immersionsfluid kommt ein dielektrisches Fluid zum Einsatz. Zur Zuführung des Immersionsfluids zu den Batteriezellen 2 befindet sich an einer ersten Schmalseite des Batteriegehäuses 3 ein Einlassverteiler 4, welcher als flächiger Verteiler erster Ordnung bezeichnet wird. Die mit V4B angegebene Breite des flächigen Verteilers 4 erster Ordnung entspricht zumindest näherungsweise der Gehäusebreite GB. Konkret gilt: V4B > 0,8 GB. Maximal entspricht die Breite V4B des Einlassverteilers 4 der Gehäusebreite GB. Die Höhe des Einlassverteilers 4 ist mit V4H angegeben und beträgt 80% bis 100% der Gehäusehöhe GH. Damit deckt der Einlassverteiler 4 mehr als 50% der Fläche der Schmalseite des Batteriegehäuses 3, an welcher der Einlassverteiler 4 anliegt, ab. Die mit SR angegebene Stapelrichtung, in welcher die Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriegehäuses 3 gestapelt sind, ist normal zur Ebene, in welcher sich der Einlassverteiler 4 befindet, ausgerichtet.

Auf der dem Verteiler 4 gegenüberliegenden Seite des Batteriegehäuses 3 befindet sich ein Sammler 5, welcher allgemein ebenfalls einen flächigen Verteiler erster Ordnung darstellt. Der Sammler 5 ist parallel zum Verteiler 4 angeordnet und weist übereinstimmende Abmessungen V4B, V4H auf. Vom Einlassverteiler 4 aus wird das Immersionsfluid an einen flächigen Verteiler 6 zweiter Ordnung weitergeleitet, welcher sich an der Oberseite des Batteriegehäuses 3 befindet. In analoger Weise ist an den Sammler 5 ein flächiger Verteiler 7 zweiter Ordnung, welcher sich an der Unterseite des Batteriegehäuses 3 befindet, angeschlossen. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ beziehen sich auf die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Anordnung und implizieren keine Aussage über die tatsächliche Ausrichtung der Batterie 1 im Raum.

Innerhalb des flächigen Verteilers 6 zweiter Ordnung sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mehrere zueinander parallele obere Zulaufquerkanäle 8 ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung des Immersionsfluids, das heißt mit zunehmendem Abstand vom Einlassverteiler 4, verjüngen. Jeder obere Zulaufkanal 8 ist hierbei einer Reihe 23 an Batteriezellen 2 zugeordnet. Vom oberen Zulaufquerkanal 8 gehen Kanalabschnitte 9 aus, die das Immersionsfluid zwischen die einzelnen Batteriezellen 2 einer Reihe 23 leiten. Abweichend von der Bauform nach Fig. 1 liegen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Verteiler 6, 7 zweiter Ordnung in Form von Verteilerräumen 6, 7 ohne innere Strukturierung vor. Die flächigen Verteilerräume 6, 7, welche oberhalb beziehungsweise unterhalb der Batteriezellen 2 befinden, haben eine Breite V6B und eine Tiefe V6T. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, entspricht die Ausdehnung der Verteilerräume 6, 7 praktisch komplett den Abmessungen der Ober- beziehungsweise Unterseite des Batteriegehäuses 3. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sämtliche Batteriezellen 2 zwischen den beiden zueinander parallelen Verteilerräume 6, 7 angeordnet sind. Wie weiter aus Fig. 2 hervorgeht, befinden sich im oberen Bereich des Verteilers 4 erster Ordnung mehrere Ausströmschlitze, von welchen aus das Immersionsfluid in den Verteilerraum 6 gelangt. In analoger Weise wird das Immersionsfluid vom unteren Verteilerraum 7 aus in den Sammler 5 geleitet.

Allgemein sind Strömungskanäle, egal an welcher Stelle des insgesamt mit 20 bezeichneten Immersionsfluidkreislaufs sie sich befinden, mit 11 bezeichnet. Den Strömungskanälen 11 sind mäanderförmige Strömungskanäle 12 zuzurechnen, deren Mäanderform durch Abstands- und Strömungsleitelemente 15, auf die noch näher eingegangen werden wird, vorgegeben ist. An Außenseiten des Batteriegehäuses 3 sind Befestigungskonturen 13 erkennbar. Anschluss- oder Verbindungselemente 14, für die teilweise die Bezeichnung Busbar verwendet wird, sind zum Teil innerhalb und zum Teil außerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordnet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 strömt das Immersionsfluid, wie auch aus Fig. 6 hervorgeht, im Einlassverteiler 4 von unten nach oben. Eine alternative Ausgestaltung, in welcher das Immersionsfluid im Einlassverteiler 4 von oben nach unten strömt, ist in Fig. 7 veranschaulicht.

Was die Rückführung des Immersionsfluids im Sammler 5 betrifft, existieren ebenfalls verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten. Die Fig. 8 zeigt die Gestaltung nach Fig. 1 , in welcher das Immersionsfluid im Sammler 5 von unten nach oben strömt. In nicht dargestellter alternativer Ausgestaltung ist auch eine Strömung im Sammler 5 von oben nach unten möglich. Eine solche Ausgestaltung wäre mit der Variante des Einlassverteilers 4 nach Fig. 7 kompatibel.

Was die vereinfachte, bereits anhand Fig. 2 erläuterte Ausführungsform betrifft, in welcher die flächigen Verteiler 6, 7 zweiter Ordnung als flächige Verteilerräume ohne innere Strukturierung ausgebildet sind, hat sich gezeigt, dass trotz fehlender, fluidtechnisch parallel zueinander geschalteter Zulauf- oder Sammelkanäle in den Verteilerräumen 6, 7 mit guter Näherung eine gleichförmige Fluidverteilung zu den Batteriezellen 2 und damit auch eine gleichmäßige Temperierung erreicht wird.

Strömt das Immersionsfluid vom oberen flächigen Verteiler 6 aus, optional über die oberen Zulaufquerkanäle 8, zwischen die Batteriezellen 2, so sorgen Längsstege 30 und Querstege 31 , welche durch jedes Abstands- und Strömungsleitelement 15 bereitgestellt werden und an den benachbarten Batteriezellen 2 anliegen, für die Mäanderform der Strömungskanäle 12. Durch jedes der insgesamt flächigen Abstands- und Strömungsleitelemente 15 sind hierbei zwei mäanderförmige Strömungskanäle 12 gleicher Länge ausgebildet. Die Anordnung einer Reihe 23 an Batteriezellen 2 sowie zugehörigen Abstands- und Strömungsleitelementen 15, welche jeweils zwischen zwei Batteriezellen 2 eingefügt sind, ist durch ein allgemein als Spannelement oder Vorspannelement bezeichnetes Federelement 16, welches sich innerhalb des Batteriegehäuses 3 befindet, vorgespannt. Kräfte, die unter anderem durch das Federelement 16, das heißt Spannelement, erzeugt werden, werden durch Zugelemente 27, die dem Batteriegehäuse 3 zuzurechnen sind, aufgenommen. Spannschrauben, welche in die Zugelemente 27 eingeschraubt sind, sind mit 26 bezeichnet. Sowohl in der Ausgestaltung nach Fig. 13 als auch in der Ausgestaltung nach Fig. 14 umfasst das Spannelement 16 mehrere Tellerfedern 17. In der Variante nach Fig. 14 ist zusätzlich ein Ausgleichselement 18 in Form einer Scheibe vorhanden. Das Ausgleichselement 18 ermöglicht einen Toleranzausgleich durch sogenanntes Shimmen und wird dementsprechend auch als Shim Scheibe bezeichnet.

Weitere Details gehen unter anderem aus den Figuren 10 und 11 hervor. Danach sind die Reihen 23 an Batteriezellen 2 durch Verbindungselemente 24 elektrisch miteinander verbunden. Die Zu- und Abführung des Immersionsfluids erfolgt über zulaufseitige Strömungsquerschnitte 28 und ablaufseitige Strömungsquerschnitte 29, welche sich oberhalb beziehungsweise unterhalb der Zellen 2 befinden. Der über den Batteriezellen 2 befindliche Deckel des Batteriegehäuses 3 ist mit 61 bezeichnet.

Die Strömungsquerschnitte 28, 29 stehen fluidtechnisch über die flächigen Verteiler 6, 7 zweiter Ordnung mit den flächigen Verteilern 4, 5 erster Ordnung in Verbindung. Durch den flächigen Verteiler 4 ist unter anderem ein seitlicher Zulaufkanal 19 ausgebildet. Innerhalb des flächigen Verteilers 5 befindet sich unter anderem ein seitlicher Rücklaufkanal 25. Der letztgenannte Rücklaufkanal 25 ist angeschlossen an einen im flächigen Verteiler 7 befindlichen Rücklaufquerkanal 21 sowie Kanalabschnitte 22, die an den unteren Rücklaufquerkanal 21 anschließen und sich ebenfalls im flächigen Verteiler 7 zweiter Ordnung befinden.

Die Fig. 17 zeigt einen dem Batteriegehäuse 3 zuzurechnenden Spannrahmen 53, welche zur Aufnahme der Reihen 23 an Batteriezellen 2 vorgesehen ist. Der Spannrahmen 53 umfasst Seitenteile 54, 55 sowie Zwischenwände 56 und eignet sich insbesondere für die Verwendung in einer Batterie 1 nach Fig. 18, in welcher unter anderem mehrere Vorspannelemente 15 erkennbar sind. Im Unterschied zur Variante nach Fig. 15 sind die Vorspannelemente 15 nach Fig. 18 elastisch, so dass die Notwendigkeit gesonderter elastischer Elemente in diesem Fall nicht gegeben ist.

Eine weitere Möglichkeit, eine Vorspannkraft auf eine Reihen 23 an Batteriezellen 2 aufzubringen, ist in den Figuren 19 und 20 veranschaulicht. Hierbei wird die Funktion der Vorspannelemente 16 durch elastische Zwischenlagen 57 übernommen, welche sich innerhalb des Spannrahmens 53 befinden.

Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 21 und 22 existieren mehrere nebeneinander angeordnete Plattenelemente 58, welche jeweils einer Reihen 23 an Batteriezellen 2 zugeordnet sind. Mit Hilfe von Einstellschrauben 59 sind die Plattenelemente 58 einzeln verstellbar, womit die Druckkraft, welche auf die zugehörige Reihe 23 an Batteriezellen 2 wirkt, variierbar ist. Schrauben 60 sind in die Zwischenwände 56 des Spannrahmens 53 eingeschraubt.

Aus Fig. 23 geht, mit Blick von der Oberseite des Batteriegehäuses 3, eine mögliche Gestaltung des Deckels 61 der Batterie 1 hervor. Versteifungsstrukturen des Deckels 61 sind mit 62 bezeichnet. Ferner sind Bajonettverschlüsse 63 erkennbar, in welche hier nicht dargestellte Sicherheitsventile 42 einsetzbar sind. Beispielhaft sind in Fig. 24 Sensorleitungen 72 dargestellt, welche Busbars 14 mit einer Schnittstelle 84 verbinden. Des Weiteren befindet sich auf der in Fig. 24 dargestellten Unterseite des Deckels 61 des Batteriegehäuses 3, wie auch aus dem Schnitt nach Fig. 25 hervorgeht, eine Dichtung 64. Befestigungsbohrungen im Deckel 61 sind mit 67 bezeichnet. Die einzelnen Busbars 14 weisen in der Ausgestaltung nach den Figuren 23 bis 26 seitliche, im vorliegenden Fall rechteckige, Ausnehmungen 65 auf, in welchen sich innerhalb des fertiggestellten Deckels 61 Material, aus welchem der Deckel 61 gefertigt ist, befindet. Grundsätzlich kann der Deckel 61 aus metallischem oder nichtmetallischem Material, insbesondere Kunststoff, gefertigt sein, wobei die Gestaltung der Busbars 14 auf die elektrischen Eigenschaften des Deckels 61 abzustimmen ist. Der Aufbau einer kompletten Batterie 1 einschließlich Deckel 61 und Sicherheitsventilen 42 geht aus Fig. 26 hervor. Die Fig. 27 zeigt den Deckel 61 des Batteriegehäuses 3 der Batterie 1 nach Fig. 26 von unten. Die Sicherheitsventile 42 sind in diesem Fall, anders als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 23, in Einschrauböffnungen 66, welche sich im Deckel 61 befinden, einzuschrauben. Zu diesem Zweck befinden sich Gewindebohrungen im Deckel 61 . Alternativ können Verbindungen zwischen dem Deckel 61 und den Sicherheitsventilen 42 über nicht dargestellte Adapter hergestellt sein.

Verschiedene Schritte zur Herstellung eines Deckels 61 eines Batteriegehäuses 3 gehen aus den Figuren 28 bis 30 hervor. Zunächst existieren von der Oberseite des Deckels 61 aus zugängliche Durchgangsöffnungen 68, wobei in diesem Fertigungsstadium (Fig. 28, 29) davon ausgegangen wird, dass die Busbars 14 bereits per Kunststoff-Spritzguss fest in den Deckel 61 eingebettet sind. Nachdem die im Deckel 61 befindlichen Busbars 14 an den elektrochemischen Zellen 2 festgeschweißt wurden, werden die Durchgangsöffnungen 68, wie in Fig. 30 gezeigt ist, verfallt, so dass sich Verfüllbereiche 69 ergeben.

Eine geänderte Art der Fixierung der Busbars 14 im Deckel 61 ist in Fig. 31 skizziert. In diesem Fall sind Fixier-Clips 70 zur Halterung der Busbars 14 im Deckel 61 vorgesehen. In der Variante nach Fig. 32 weist jeder Busbar 14 Rastnasen 71 auf, mit welchen er sich im Deckel 61 verhakt.

Eine weitere Variante zur Montage der Busbars 14 und des Deckels 61 sieht gemäß Fig. 33 die Verwendung einer Schablone 73 vor. In die Schablone 73 sind Sensorleitungen 72, welche an die Busbars 14 anzuschließen sind, integriert. Die Busbars 14 werden in die Schablone 73 eingelegt und darin fixiert, wobei zum Fixieren unter anderem bereits im Zusammenhang mit dem Deckel 61 erläuterte Verfahren zur Anwendung kommen können. Nachdem die Position der elektrochemischen Zellen 2, beispielsweise visuell, erfasst wurde, wird die Schablone 73 samt Busbars 14 auf den Verbund der Zellen 2 aufgelegt und die Busbars 14 mit den zugehörigen Elektroden der Batteriezellen 2 verschweißt. Anschließend wird der Deckel 61 auf das Batteriegehäuse 3 aufgelegt und verschraubt. Die Schablone 73 verbleibt im Batteriegehäuse 3.

In einer abgewandelten Variante wird die Schablone 73 nach dem Verschweißen der Busbars 14 entfernt. Zu diesem Zweck werden in die Schablone 73 auf vorbestimmte Art Kräfte eingeleitet, welche die Schablone 73 an definierten Stellen, in der Nähe der Busbars 14, abreißen lassen. In diesem Fall sind die Sensorleitungen 72 nicht in die Schablone 73 integriert und müssen separat nach dem Abziehen der Schablone 73 montiert werden.

Die Figuren 34, 35, 38, 39 illustrieren verschiedene, mit bereits erläuterten Varianten von Deckeln 61 kombinierbare Busbars 14. Die Figuren 36 und 37 zeigen Schnitte des Busbars 14 nach Fig. 35. Gemäß Fig. 34 ist der Busbar 14 als monolithischer Metallblock mit seitlichen Ausnehmungen 65 gestaltet. In diese Ausnehmungen 65, welche sich an vier Seiten des Busbars 14 befinden, fließt beim Kunststoff-Spritzguss, das heißt bei der Herstellung des Deckels 61 , Kunststoff, so dass eine formschlüssige, nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung zwischen dem Deckel 61 und den Busbars 14 entsteht. Zugleich sind Sensorleitungen 72 sowie mit diesen Leitungen verbundene Schnittstellen in den Deckel 61 integrierbar. Um ein nach Materialien getrenntes Recycling der verschiedenen Komponenten des Deckels 61 zu ermöglichen, weist dieser an definierten Stellen mechanisch geschwächte Bereiche, welche insbesondere in Form der erwähnten Verfüllbereiche 69 vorliegen können, auf. Als mögliche Materialien zur Herstellung der Busbars 14 sind beispielhaft Legierungen auf Basis von Leichtmetall oder Kupfer zu nennen.

In der Variante nach den Figuren 35 bis 37 weist der Busbar 14 einen metallischen Kem 74 und eine elektrisch isolierende Umhüllung 75 aus Kunststoff auf. Der Busbar 14 ist in dieser Gestaltung auch für die Verwendung in einem Deckel 61 aus Metall geeignet. Wie aus Fig. 35 hervorgeht, befinden sich an den Seitenflächen des Busbars 14, anders als in der Gestaltung nach Fig. 34, keine Ausnehmungen, sondern Rastnasen 71 , wie sie im Zusammenhang mit Fig. 32 bereits erwähnt wurden. Die Unterseite des Busbars 14 nach Fig. 35 ist frei von isolierender Beschichtung. In den Varianten nach den Figuren 38 und 39 ist der Busbar 14 aus einem beziehungsweise zwei aufeinanderliegenden Blechstreifen 77, 78 aufgebaut. In der Mitte des mindestens einen Blechstreifens 77, 78 ist, wie aus beiden Figuren hervorgeht, ein als S-Abschnitt 76 bezeichneter geschwungener Abschnitt ausgebildet. Der S-Ab- schnitt 76, welcher die Form eines Wellenschlags hat, dient zum Toleranzausgleich und zur Aufnahme von beim Betrieb der Batterie 1 auftretenden Belastungen, welche von Relativbewegungen zwischen Zellen 2 herrühren können.

Die Figuren 40 bis 44 beziehen sich auf verschiedene Varianten von Batterien 1 mit der Möglichkeit zur Medienableitung aus dem Batteriegehäuse 3. In allen Varianten weisen die einzelnen Zellen 2 Sollbruchstellen 79 auf, welche sich entweder auf der Oberseite (Fig. 40) oder auf der Unterseite (Fig. 41 bis 44) einer jeden elektrochemischen Zelle 2 befinden.

In der Variante nach Fig. 40 ist der mit 80 bezeichnete Gehäuseboden des Batteriegehäuses 3 geschlossen. Sollte eine Sollbruchstelle 79 einer Zelle 2 öffnen, so entweicht fließfähiges Material, wie in Fig. 40 durch Pfeile veranschaulicht ist, über mindestens eine der Einschrauböffnungen 66 - alternativ: über mindestens einen Bajonettverschluss 63 - und mindestens eines der hier nicht dargestellten Sicherheitsventile 42.

Die Variante nach den Figuren 41 und 42 unterscheidet sich von der Variante nach Fig. 40 dadurch, dass sich im Gehäuseboden 80 Öffnungen 81 befinden, wogegen der Gehäusedeckel 61 geschlossen ist. Hierbei ist jede Öffnung 81 jeweils einer Sollbruchstelle 79 zugeordnet.

Eine gegenüber der Variante nach den Figuren 41 und 42 weiterentwickelte, in den Figuren 43 und 44 dargestellte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass an den Gehäuseboden 80 eine Wanne 82 angeformt ist. In dieser Wanne sind zahlreiche, an die Sollbruchstellen 79 der einzelnen Zellen 2 angeschlossene Kanäle 83 ausgebildet, was eine zentrale Fluidableitung durch eine Ableitöffnung 85 im unteren Bereich der Batterie 1 ermöglicht.

Die Fig. 45 zeigt die Anbindung des Immersionsfluidkreislaufs 20 an einen Kühlwasserkreislauf 32 in einem Kraftfahrzeug. Der Kühlwasserkreislauf 32 umfasst einen Kühler 33, einen Lüfter 34, eine Pumpe 35 sowie ein Steuerungsmodul 36, welches mit weiteren Fahrzeugkomponenten verknüpft ist. Ein Ventil innerhalb des Kühlwasserkreislaufs 32 ist mit 37 bezeichnet. Ein Wärmetauscher 38 stellt sowohl eine Komponente des Kühlwasserkreislaufs 32 als auch eine Komponente des Immersionsfluidkreislaufs 20 dar.

Statt des Kühlwasserkreislaufs 32 kann auch ein Kältemittelkreislauf verwendet werden, um Wärme zwischen dem betreffenden Kreislauf und dem Immersionsfluid zu übertragen. Im Fall eines Kältemittelkreislaufs wird die Pumpe 35 durch einen Kältemittelkompressor und das Ventil 37 durch ein Expansionsventil ersetzt.

Innerhalb des Immersionsfluidkreislaufs 20 sind Immersionsfluidleitungen allgemein mit 52 bezeichnet. Die Immersionsfluidleitungen 52 sind von den mit 51 bezeichneten Kühlwasserleitungen hermetisch getrennt. Eine variable Aufteilung des Immersionsfluidstroms zwischen dem Wärmetauscher 38 und einer Heizvorrichtung 40 ist mittels eines Regelventils 39 möglich.

Das Nachfüllen von Immersionsfluid erfolgt bei Bedarf über eine insgesamt mit 44 bezeichnete Befüllvorrichtung. Die Befüllvorrichtung 44 umfasst ein in den Immersionsfluidkreislauf 20 eingesetztes Füllmodul 45 sowie einen Ausgleichsbehälter 46, in welchem sich eine Membran 47 befindet. Mit 48 ist ein der Befüllvorrichtung 44 zuzurechnendes Ventil bezeichnet.

Der Immersionsfluidkreislauf 20 umfasst des Weiteren eine Pumpe 49 und einen Filter 50. Wie ferner aus Fig. 45 hervorgeht, existieren Entlüftungsventile 41 , welche sich an Ecken im oberen Bereich des Batteriegehäuses 3 befinden. Ein Sensor 43 erfasst Zustände innerhalb des Batteriegehäuses 3. Ein in der Konstellation nach Fig. 45 einziges Sicherheitsventil 42 ist derart positioniert, dass im Fall einer unzulässigen Druckbeanspruchung eine möglichst geringe Menge an Immersionsfluid aus dem Gehäuse 3 entweicht und damit die Möglichkeit zur Kühlung der Batterie 1 weitestmöglich erhalten bleibt.

Bezuqszeichenliste

Batterie elektrochemische Zelle, Batteriezelle

Batteriegehäuse flächiger Verteiler erster Ordnung an einer ersten Schmalseite des Batteriegehäuses, Einlassverteiler flächiger Verteiler erster Ordnung an einer zweiten Schmalseite des Batteriegehäuses, Sammler flächiger Verteiler zweiter Ordnung an der Oberseite des Batteriegehäuses, Verteilerraum flächiger Verteiler zweiter Ordnung an der Unterseite des Batteriegehäuses,

Verteilerraum oberer Zulaufquerkanal

Kanalabschnitt, anschließend an den oberen Zulaufquerkanal

Batteriesystem

Strömungskanal, allgemein

Strömungskanal, mäanderförmig

Befestigungskontur

Anschluss- oder Verbindungselement, Busbar

Abstands- und Strömungsleitelement

Federelement, Vorspannelement

Tellerfeder

Ausgleichselement, Scheibe seitlicher Zulaufkanal

Immersionsfluidkreislauf unterer Rücklaufquerkanal

Kanalabschnitt, anschließend an den unteren Rücklaufquerkanal

Reihe an Batteriezellen

Verbindungselement seitlicher Rücklaufkanal

Spannschraube Zugelement

Strömungsquerschnitt, zulaufseitig

Strömungsquerschnitt, ablaufseitig

Längssteg

Quersteg

Kühlwasserkreislauf

Kühler

Lüfter

Pumpe im Kühlwasserkreislauf

Steuerungsmodul

Ventil im Kühlwasserkreislauf

Wärmetauscher

Regelventil

Heizvorrichtung

Entlüftungsventil am Batteriegehäuse

Sicherheitsventil

Sensor

Befüllvorrichtung

Füllmodul

Ausgleichsbehälter

Membran

Ventil in der Befüllvorrichtung

Pumpe im Immersionsfluidkreislauf

Filter

Kühlwasserleitung

Immersionsfluidleitung

Spannrahmen

Seitenteil

Zwischenwand elastische Zwischenlage verschiebbares Plattenelement

Einstellschraube

Schraube 61 Deckel

62 Versteifungsstruktur

63 Bajonettverschluss

64 Dichtung

65 Ausnehmung

66 Einschrauböffnung

67 Befestigungsbohrung

68 Durchgangsöffnung

69 Verfüllbereich

70 Fixier-Clip

71 Rastnase

72 Sensorleitung

73 Schablone

74 Metallischer Kem

75 Umhüllung, isolierend

76 S-Abschnitt

77 Blechstreifen

78 Blechstreifen

79 Sollbruchstelle

80 Gehäuseboden

81 Öffnung

82 Wanne

83 Kanal

84 Schnittstelle

85 Ableitöffnung

GB Gehäusebreite

GH Gehäusehöhe

GT Gehäusetiefe

SR Stapelrichtung

V4B Breite des Verteilers erster Ordnung

V4H Höhe des Verteilers erster Ordnung

V6B Breite des Verteilers zweiter Ordnung

V6T Tiefe des Verteilers zweiter Ordnung

Claims

Patentansprüche

1 . Batterie (1 ) aus elektrochemischen Zellen (2), wobei eine Temperierung der elektrochemischen Zellen (2) mittels Immersionskühlung vorgesehen ist, umfassend

- ein Batteriegehäuse (3) mit prismatischer Grundform, wobei auch die einzelnen elektrochemischen Zellen (2) jeweils prismatisch geformt sind,

- mindestens zwei Paare an flächigen, strömungstechnisch hintereinander geschalteten Verteilern (4, 5, 6, 7) zur Zu- und Ableitung von Immersionsfluid, wobei ein und demselben Paar zuzurechnende Verteiler (4, 5, 6, 7) auf zwei aneinander grenzenden, einen endlichen Winkel miteinander einschließenden Seiten des Batteriegehäuses (3) angeordnet sind und jeder Verteiler (4, 5, 6, 7), welcher einem ersten Paar an Verteilern (4, 5, 6, 7) zuzurechnen ist, einem Verteiler (4, 5, 6, 7) eines weiteren Paares an Verteilern (4, 5, 6, 7) gegenüberliegt,

- die flächigen Verteiler (4, 5, 6, 7) miteinander verbindende, zwischen elektrochemischen Zellen (2) gebildete mäanderförmige Strömungskanäle (12), in welche elastisch nicht in technisch relevantem Maße nachgiebige Abstands- und Strömungsleitelemente (15) eingesetzt sind, wobei Komponentengruppen, die aus mehreren mechanisch hintereinander geschalteten Zellen (2) sowie Abstands- und Strömungsleitelementen (15) gebildet sind, jeweils durch die Kraft mindestens eines Vorspannelementes (16) belastet sind.

2. Batterie (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (3) eine quaderartige, nicht würfelförmige Grundform hat, wobei Verteiler (4, 5) erster Ordnung an einander gegenüberliegenden Schmalseiten und Verteiler (6, 7) zweiter Ordnung, welche an die Verteiler (4, 5) erster Ordnung angeschlossen sind, an der Ober- und Unterseite des Batteriegehäuses (3) angeordnet sind, wobei die elektrochemischen Zellen (2) in Matrixform zwischen der Ober- und Unterseite des Batteriegehäuses (3) platziert sind.

3. Batterie (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verteiler (4, 5) erster Ordnung jeweils eine Schmalseite und die beiden Verteiler (6, 7) zweiter Ordnung jeweils eine Ober- beziehungsweise Unterseite des Batteriegehäuses (3) größtenteils, das heißt zu mehr als 50%, ausfüllen.

4. Batterie (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteiler (6, 7) zweiter Ordnung als flächige, keine innere Strukturierung aufweisende, in zur Stapelrichtung (SR) der elektrochemischen Zellen (2) parallelen Ebenen liegende Verteilerräume gestaltet sind.

5. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine Druckentlastungsvorrichtung (42), nämlich eine Berstscheibe oder ein Überdruckventil, im oberen Bereich des Batteriegehäuses (3).

6. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zahlreiche, jeweils einer elektrochemischen Zelle (2) zugeordnete Sollbruchstellen (79) im unteren Bereich des Batteriegehäuses (3).

7. Batterie (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (79) mit separaten Öffnungen (81 ) in einem Gehäuseboden (80) des Batteriegehäuses (3) fluchten.

8. Batterie (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Sollbruchstellen (79) Kanäle (83) in einer Wanne (82) des Batteriegehäuses (3) angeschlossen sind.

9. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens ein mechanisches Ausgleichselement (18), an welchem sich das Vorspannelement (16) abstützt.

10. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Batteriegehäuse (3) und einer zur Förderung von Immersionsfluid vorgesehenen Pumpe (49) angeordnete Befüllvorrichtung (44), weicher ein Ausgleichsbehälter (46) für Immersionsfluid zuzurechnen ist.

11. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Ecken des Batteriegehäuses (3) Entlüftungsventile (41 ) befinden.

12. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Vorspannelemente (16) in Form einzeln verstellbarer Plattenelemente (58), welche jeweils eine Reihe (23) an elektrochemischen Zellen (2) belasten, vorliegen.

13. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine in den Immersionsfluidkreislauf (20) integrierte Heizvorrichtung (40).

14. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisches Bauteil, hierunter mindestens ein Sensor (43), innerhalb des Batteriegehäuses (3) in den Immersionsfluidkreislauf (20) eingebunden ist.

15. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Deckel (61 ) des Batteriegehäuses (3) Busbars (14), welche elektrochemische Zellen (2) miteinander verbinden, aufgenommen sind.

16. Batterie (1 ) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an die Busbars (14) spritzgusstechnisch in den Deckel (61 ) eingegossen sind.

17. Batterie (1 ) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an die Busbars (14) durch integrierte oder gesonderte Elemente (71 , 70) im Deckel (61 ) gehalten sind.

18. Batterie (1 ) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an die Busbars (14) mehrseitig mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (75) versehen sind.

19. Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch eine unterhalb des Deckels (61 ) in das Batteriegehäuse (3) eingesetzte, die Positionen der Busbars (14) vorgebende Schablone (73).

20. Verfahren zur Kühlung einer mehrere elektrochemische Zellen (2) umfassenden Batterie (1 ), wobei ein Immersionsfluid durch mäanderförmige, strömungstechnisch zumindest teilweise parallel geschaltete Kanäle (12) geleitet wird, welche zwischen den elektrochemischen Zellen (2) gebildet sind und mit Hilfe von flächigen, in sich starren Abstands- und Strömungsleitelementen (15) offen gehalten werden, wobei Abstands- und Strömungsleitelemente (15), welche in mehreren, zueinander parallel geschalteten Kanälen (12) platziert sind, durch die Kraft mindestens eines Vorspannelementes (16) unter mechanischer Spannung gehalten werden, und wobei das Immersionsfluid über Verteiler (4, 5) erster Ordnung und Verteiler (6, 7) zweiter Ordnung zu den mäanderförmigen, durch die Abstands- und Strömungsleitelementen (15) begrenzten Kanälen (12) geleitet beziehungsweise aus diesen Kanälen (12) abgeleitet wird, wobei die Verteiler (4, 5) erster Ordnung in zu den Abstands- und Strömungsleitelementen (15) parallelen Ebenen und die Verteiler (6, 7) zweiter Ordnung, an welche die genannten Kanäle (12) direkt angeschlossen sind, in hierzu orthogonalen Ebenen liegen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Immersionsfluid innerhalb eines Batteriegehäuses (3), in welchem sich die elektrochemischen Zellen (2) befinden, unter anderem an Oberflächen von Busbars (14), welche einzelne elektrochemische Zellen (2) miteinander verbinden und in ei- nen Deckel (61 ) des Batteriegehäuses (3) integriert sind, strömt.