Verfahren und Vorrichtung zum Temperieren von Batteriezellen sowie Fahrzeug

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren oder einer Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fahrzeug.

Die am Anmeldetag der Erfindung noch nicht veröffentlichte DE 10 2014 204 245 betrifft eine Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl von galvanischen Zellen, wobei die galvanischen Zellen jeweils eine erste Außenseite umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Außenseite umfassend eine zweite Elektrode aufweisen und die galvanischen Zellen durch Aneinanderreihung der galvanischen Zellen mit den Außenseiten über die Elektroden elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Energiespeichereinheit umfasst zudem ein erstes Rahmenelement und ein zweites Rahmenelement, welche direkt oder indirekt miteinander verbunden sind, wobei das erste Rahmenelement an dem einen Ende der Aneinanderreihung der galvanischen Zellen angeordnet ist und das zweite Rahmenelement an dem anderen Ende der Aneinanderreihung der galvanischen Zellen angeordnet ist.

Aus US 2014/038010 AI ist ein Batteriepack mit einer Vielzahl von

Batteriezelleneinheiten, die im Allgemeinen parallel zueinander gestapelt sind, bekannt. Die Batteriezelleneinheiten sind so konfiguriert, konvergierende Luftströmungsräume dazwischen zu definieren. Ein Lufteinlasskopf stellt eine konvergierende Lufteinlasskammer, die angrenzend zu einer Seite der

Batteriezelleneinheiten angeordnet ist, bereit, und ein Luftauslasskopf stellt eine divergierende Luftaustrittskammer, die angrenzend zu einer gegenüberliegenden Seite der Batteriezelleneinheiten angeordnet ist, bereit. Ein Gebläse oder Ventilator treibt Luft in die Lufteinlasskammer. Die Luft strömt durch die

Luftströmungsräume zwischen den Batteriezelleneinheiten, um die

Batteriezelleneinheiten zu kühlen. Die Geschwindigkeit der Luft erhöht sich, während sie sich durch die Lufteinlasskammer und die Mehrzahl von

Luftströmungsräumen bewegt.

Aus US 2006/0115720 AI ist ein Batteriemodul, umfassend Batterieeinheiten, die voneinander räumlich beabstandet sind und einen Kühlmittelströmungspfad in dem Raum definiert haben, bekannt. Das Batteriemodul umfasst eine Trennrippe, die zwischen den Batterieeinheiten angeordnet ist, wobei die Trennrippe eine Vielzahl von untereinander verbundenen Vorsprüngen hat.

Aus US 2013/115489 AI ist eine Batterie, umfassend ein Gehäuse und eine Vielzahl von galvanischen Zellen, die im Gehäuse angeordnet ist, bekannt.

Zusätzlich ist ein Ventilator in dem Gehäuse angeordnet, um eine Fluidströmung, die im Inneren des Gehäuses zirkuliert, zu erzeugen. Gemäß der Erfindung, ist ein Wärmetauscher mit einem Vorlauf und einen Rücklauf für ein

Wärmeträgermedium, die aus dem Gehäuse führen, in dem Strömungspfad der Fluidströmung angeordnet.

Die am Anmeldetag der Erfindung noch nicht veröffentlichte DE 10 2014 204 245 offenbart eine Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl von galvanischen Zellen, wobei die Zellen jeweils in ein Zellengehäuse integrierte Außenkontakte umfassen (Nussschalen-Zellen, nutshell-cells) und die Endplatten integrierte Kontaktplatten oder Leiterplatten umfassen.

Offenbarung der Erfindung

Das Verfahren und die Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Batteriezellen beispielsweise flache Batteriezellen und Nussschalen-Zellen (nutshell-cells) über ihre Elektroden temperiert, d. h. gekühlt oder erwärmt, werden können. Somit kann der Aufbau eines Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems vereinfacht werden. Dadurch können Gewicht und / oder Kosten reduziert werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Vorrichtung und des Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche möglich.

Werden die Elektroden von dem Temperiermittel turbulent umströmt, hat dies den Vorteil, dass der Wärmeaustausch (Wärmetausch) zwischen dem

Temperiermittel und den Elektroden verbessert werden kann. Somit kann die Temperierung, d. h. Kühlung oder Erwärmung, der Batteriezellen verbessert werden.

Umfasst das Temperiermittel ein Gas, Gasgemisch oder Luft, hat dies den Vorteil, dass der Aufbau des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems weiter vereinfacht werden kann. Weiterhin kann Korrosion des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems reduziert werden. Außerdem kann Leckage des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems verhindert werden. Dabei kann ein offener Temperiermittelkreis verwirklicht werden. Der offene Temperiermittelkreis kann einen Filter wie Luftfilter umfassen. Alternativ kann ein geschlossener Temperiermittelkreislauf verwirklicht werden. Der geschlossene Temperiermittelkreislauf kann einen Wärmetauscher umfassen.

Umströmt das Temperiermittel jeweils einen Kontaktbereich der Elektroden, hat dies den Vorteil, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Temperiermittel und den Elektroden weiter verbessert werden kann. Dabei kann ein Spalt zwischen den Elektroden zweier zueinander benachbart angeordneter Batteriezellen einen Abstand von beispielsweise 1 mm bis 3 mm wie 2 mm umfassen.

Wird zwischen den Kontaktbereichen der ersten Elektroden und den

Kontaktbereichen der zweiten Elektroden jeweils ein Zellverbinder zum elektrischen Verbinden der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, umfassend Erhebungen zum Beabstanden des Kontaktbereichs der ersten Elektrode und des Kontaktbereichs der zweiten Elektrode angeordnet, hat dies den Vorteil, dass das Temperiermittel die Kontaktbereiche der Elektroden besser umströmen kann. Weiterhin kann der Aufbau des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems durch Auswahl des Zellverbinders aus einer Vielzahl verschiedener Zellverbinder bedarfsgerecht variiert werden. Umfassen die Kontaktbereiche der ersten Elektroden jeweils Erhebungen zum

Beabstanden der Kontaktbereiche der ersten Elektroden von den

Kontaktbereichen der zweiten Elektroden, hat dies den Vorteil, dass das Temperiermittel die Kontaktbereiche der Elektroden besser umströmen kann. Weiterhin kann die Anzahl an Komponenten und / oder die Anzahl an elektrischen Verbindungen bzw. Kontakten reduziert werden. Somit kann die

Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems erhöht werden.

Werden die Erhebungen punktförmig, noppenförmig, stabförmig, rippenförmig wellenförmig oder sinusförmig ausgebildet, hat dies den Vorteil, dass ein Strömungswiderstand des Temperiermittels reduziert werden kann.

Werden die Erhebungen federnd oder rückfedernd ausgebildet, hat dies den Vorteil, dass die elektrische Verbindung verbessert werden kann. Somit kann die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems weiter erhöht werden. Weiterhin kann eine mechanische Verspannung der Batteriezellen bereitgestellt werden. Somit kann die Alterung der Batteriezellen reduziert bzw. die Lebensdauer der Batteriezellen erhöht werden.

Umströmt das Temperiermittel jeweils einen Randbereich der Elektroden, hat dies den Vorteil, dass die Batteriezellen Elektrode an Elektrode angeordnet werden können. Dadurch können die Abmessungen des Batteriepacks, Batteriemoduls bzw. Batteriesystems reduziert bzw. minimiert werden.

Wird das Temperiermittel jeweils durch einen Auslass an die Randbereiche der Elektroden zugeführt, hat dies den Vorteil, dass das Temperiermittel nach dem Wärmeaustausch besser abströmen kann. Das Fahrzeug kann beispielsweise als Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-in Hybridfahrzeug, Elektromotorrad (Elektro- Bike, E-Bike) oder Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), Luftfahrzeug oder Raumfahrzeug ausgebildet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Seitenansicht eines Batteriemoduls 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Batteriepacks 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Figur 3 zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Batteriepacks 30 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Figur 4 zeigt eine beispielhafte seitliche Schnittansicht eines Batteriemoduls 40 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 5 zeigt eine beispielhafte seitliche Schnittansicht eines Batteriemoduls 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Seitenansicht eines Batteriemoduls 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Das Batteriemodul 10 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100i, ... 100 ₃ , eine Vielzahl von Beabstandungseinrichtungen 200i, ... 200 ₃ und ein Gehäuse 300.

Die Batteriezellen 100i, ... 100 ₃ sind als Nussschalen-Zellen ausgebildet. Die Nussschalen-Zellen 100i, ... 100 ₃ können beispielsweise jeweils in Form eines Prismas, eines Quaders oder einer quadratischen Platte, d. h. eines speziellen Quaders mit genau zwei gleichen Kantenlängen (a = b > c), ausgebildet sein. Die Nussschalen-Zellen 100i, ... 100 ₃ umfassen jeweils eine erste Elektrode 110i, ... 110 ₃ , die als eine erste Gehäuseschale bzw. Gehäusehalbschale ausgebildet ist, eine zweite Elektrode 120i, ... 120 ₃ , die als eine zweite Gehäuseschale bzw. Gehäusehalbschale ausgebildet ist, und ein Isolatorelement 130i, ... 130 ₃ , das die erste Elektrode llOi, ... 110 ₃ und die zweite Elektrode 120i, ... 120 ₃ mechanisch miteinander verbindet und elektrisch voneinander isoliert. Die erste

Elektrode llOi, ... 110 ₃ und die zweite Elektrode 120i, ... 120 ₃ können beispielsweise als Metallblech, metallischer Folie oder metallisierter Folie ausgebildet und / oder mittels eines Tiefziehverfahrens geformt sein. Das Isolatorelement 130i, ... 130 ₃ kann beispielsweise als Dichtung oder Dichtring ausgebildet sein und / oder vollumfänglich mit der ersten Elektrode llOi, ... 110 ₃ und der zweiten Elektrode 120i, ... 120 ₃ bzw. deren Randbereichen oder Fahnen verbunden beispielsweise verklebt sein. Die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ sind zueinander parallel ausgerichtet nebeneinander angeordnet.

Die Beabstandungseinrichtungen 200 ₂ , 200 ₃ umfassen ein elektrisch leitfähiges Element oder Material zur elektrischen Verbindung von Kontaktflächen beispielsweise rechteckigen oder quadratischen Kontaktflächen der Elektroden llOi, ... 110 ₃ , 120i, ... 120 ₃ und bilden zwischen den ersten Elektroden llOi, ... 110 ₃ und den zweite Elektroden 120i, ... 120 ₃ jeweils einen Kanal oder eine Vielzahl von Kanälen zur Aufnahme eines Temperiermittels. Die

Beabstandungseinrichtungen 200 ₂ , 200 ₃ sind zwischen den Elektroden 110 ₂ , 110 ₃ , 120i, 120 ₂ der Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ angeordnet und verbinden jeweils die ersten Elektroden 110 ₂ , 110 ₃ und die zweiten Elektroden 120i, 120 ₂ bzw. deren Kontaktbereiche, von den zueinander benachbart angeordneten Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ miteinander elektrisch. Wie in Figur 1 für die

Batteriezelle lOOi beispielhaft gezeigt, können die Beabstandungseinrichtungen 200i an der ersten Elektrode llOi einer ersten Batteriezelle lOOi und / oder der zweiten Elektrode 120 ₃ einer letzten Batteriezelle 100 ₃ der Vielzahl von

Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ , d. h. an nur einer Elektrode, angeordnet sein.

Ausführungsformen der Beabstandungseinrichtungen 200i, ... 200 ₃ werden mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.

Das Gehäuse umschließt die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ und

Beabstandungseinrichtungen 200i, ... 200 ₃ . Das Gehäuse 300 kann, wie in Figur 1 beispielhaft gezeigt, als Temperiervorrichtung, umfassend eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 310 zum Einleiten des Temperiermittels und eine

Auslassöffnung bzw. einen Auslass 320 zum Ausleiten des Temperiermittel nach dem Wärmeaustausch umfassen. Das Temperiermittel kann die ersten

Elektroden 110i, ... 110 ₃ und die zweiten Elektrode 120i, ... 120 ₃ umströmen und somit die Batteriezellen 110i, ... 110 ₃ temperieren.

Figur 2 zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Batteriepacks 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Das Batteriepack 20 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100i, ... 100 ₃ und eine Vielzahl von Zellverbindern 200Ί, ... 200' ₃ .

Die Zellverbinder 200Ί, ... 200' ₃ verwirklichen die mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Beabstandungseinrichtungen 200i, ... 200 ₃ . Die Zellverbinder 200Ί, ... 200' ₃ sind als rechteckige oder quadratische Zellverbinder ausgebildet und umfassen ein Metallblech, das sinusförmig gebogen ist. Die Zellverbinder 200Ί, ... 200' ₃ kontaktieren die Kontaktflächen der Elektroden 110i, ... 110 ₃ , 120i, ... 120 ₃ und verbinden jeweils zueinander benachbart angeordnete Elektroden 120i mit 110 ₂ und 120 ₂ mit 110 ₃ miteinander elektrisch. Dabei unterteilen die Metallbleche die Räume zwischen den Elektroden 120i, 110 ₂ und

120 ₂ , 110 ₃ jeweils in eine Vielzahl von Kanälen zur Aufnahme des

Temperiermittels, die sich, mit Bezug auf Figur 1, von unten, d. h. auf Seite der Einlassöffnung 310, nach oben, d. h. auf Seite der Auslassöffnung 320, in der Strömungsrichtung der Temperiermittels erstrecken. Weiterhin vergrößern die Erhebungen 200'Ί, ... 200" ₂ die Temperierflächen bzw. Kühlflächen der Räume zwischen den Elektroden 120i, 110 ₂ und 120 ₂ , 110 ₃ .

Figur 3 zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Batteriepacks30 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Das Batteriepack 30 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100'Ί, ... 100" ₃ .

Die Batteriezellen 100'Ί, ... 100" ₃ entsprechen im Wesentlichen den mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Batteriezellen 100i, ... 100 ₃ . Eine Vielzahl von Erhebungen 200'Ί, ... 200" ₂ auf den ersten Elektroden 110i, ... 110 ₃ der Batteriezellen 100'Ί, ... 100" ₃ verwirklicht die mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Beabstandungseinrichtungen 200i, ... 200 ₃ . Die Erhebungen 200"i, ... 200" ₂ sind als Rippen auf den ersten Elektroden llOi, ... 110 ₃ ausgebildet. Eine oder mehrere der Vielzahl von Erhebungen 200'Ί, ... 200" ₂ kontaktieren die Kontaktflächen der zweiten Elektroden 120i, ... 120 ₃ und verbinden jeweils zueinander benachbart angeordnete Elektroden 120i mit 110 ₂ und 120 ₂ mit 110 ₃ miteinander elektrisch. Dabei unterteilen die Erhebungen 200"i, ... 200" ₂ die Räume zwischen den Elektroden 120 110 ₂ und 120 ₂ , 110 ₃ jeweils in eine Vielzahl von Kanälen zur Aufnahme des Temperiermittels, die sich, mit Bezug auf Figur 1, von unten, d. h. auf Seite der Einlassöffnung 310, nach oben, d. h. auf Seite der Auslassöffnung 320, in der Strömungsrichtung der Temperiermittels erstrecken. Figur 4 zeigt eine beispielhafte seitliche Schnittansicht eines Batteriemoduls 40 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Das Batteriemodul 40 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ und eine Vielzahl von Temperiereinrichtungen 400i, ... 400 ₃ .

Die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ entsprechen den mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ . Die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ sind zueinander parallel ausgerichtet aneinander angeordnet. Die Kontaktflächen der ersten Elektroden 110 ₂ , 110 ₃ kontaktieren jeweils die Kontaktflächen der zweiten Elektroden 120i, 120 ₂ und verbinden jeweils zueinander benachbart angeordnete

Elektroden 120i mit 110 ₂ und 120 ₂ mit 110 ₃ miteinander elektrisch.

Die Temperiereinrichtungen 400i, ... 400 ₃ umfassen jeweils eine Einlassöffnun 410i, ... 410 ₃ und eine Vielzahl von Auslassöffnungen 420u, ... 420 ₃₂ . Die Temperiereinrichtungen 400i, ... 400 ₃ sind axial um die Vielzahl von

Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ herum angeordnet, d. h. je eine

Temperiereinrichtung 400i, ... 400 ₃ oben, hinten, unten und vorne

(Temperiereinrichtung vorne nicht gezeigt). Dabei sind die Auslassöffnungen 420 , ... 420 ₃₂ jeweils mittig, d.h. über den Kontaktflächen angeordnet. Die Temperiereinrichtungen 400i, ... 400 ₃ verteilen, wie in Figur 4 durch Pfeile verdeutlicht, das durch die Einlassöffnungen 410i, ... 410 ₃ zugeführte

Temperiermittel jeweils auf die Auslassöffnungen 420 , 420 _i2 ; 420 ₂ i, 420 ₂ 2 bzw. 420 ₃ i, 420 ₃₂ und führen das verteilte Temperiermittel aus den Auslassöffnungen 420ii, 420i2; 420 ₂₁ , 420 ₂₂ bzw. 42O ₃₁ , 420 ₃₂ an die Randbereiche der Elektroden der Vielzahl von Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ . Die Auslassöffnungen 420 , ... 420 ₃₂ können, wie in Figur 4 für die Auslassöffnungen 420 ₂ i, 420 ₂₂ beispielhaft gezeigt, in eine Vielzahl von Auslassdüsen unterteilt sein. Das Temperiermittel kann nach dem Wärmeaustausch in Richtung der Pfeile abströmen.

Figur 5 zeigt eine beispielhafte seitliche Schnittansicht eines Batteriemoduls 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Das Batteriemodul 50 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ und eine Vielzahl von Temperiereinrichtungen 500i, 500 ₂ .

Die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ entsprechen den mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ . Die Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ sind, wie mit Bezug auf Figur 4 beschrieben, zueinander parallel ausgerichtet aneinander angeordnet. Die Kontaktflächen der ersten Elektroden 110 ₂ , 110 ₃ kontaktieren jeweils die Kontaktflächen der zweiten Elektroden 120i, 120 ₂ und verbinden jeweils zueinander benachbart angeordnete Elektroden 120i mit 110 ₂ und 120 ₂ mit 110 ₃ miteinander elektrisch.

Die Temperiereinrichtungen 500i, 500 ₂ umfassen eine Vielzahl von

Einlassöffnungen 510i, ... 510 ₂ und jeweils eine Vielzahl von Auslassöffnungen 520 , ... 52O ₂₃ . Die Temperiereinrichtungen 500i, 500 ₂ sind radial um die Vielzahl von Batteriezellen lOOi, ... 100 ₃ herum angeordnet, d. h. je eine

Temperiereinrichtung 500i, 400 ₂ links und rechts. Dabei sind die

Auslassöffnungen 520 , ... 520 ₂ 3 jeweils mittig, d.h. über den Kontaktflächen angeordnet.

Die Temperiereinrichtungen 500i, 500 ₂ verteilen, wie in Figur 5 durch Pfeile verdeutlicht, das durch die Einlassöffnungen 510i, 510 ₂ zugeführte

Temperiermittel jeweils auf die Auslassöffnungen 520 , ... 520i ₃ bzw. 520 ₂ i, 520 ₂ 3 (Auslassöffnungen vorne nicht gezeigt) und führen das verteilte

Temperiermittel aus den Auslassöffnungen 520 , ... 520i ₃ bzw. 520 ₂ i, ... 520 ₂ 3 an die Randbereiche der Elektroden der Vielzahl von Batteriezellen lOOi, ... IOO ₃ . Die Auslassöffnungen 520 , ... 520 ₂ 3 können, wie in Figur 5 für die Auslassöffnungen 520i ₂ , 520 ₂₂ beispielhaft gezeigt, in eine Vielzahl von

Auslassdüsen unterteilt sein. Das Temperiermittel kann nach dem

Wärmeaustausch in Richtung der Pfeile abströmen.