Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrolleinrichtung für einen Batteriespeicher.

Neben stationären Anwendungen als Notstromversorgung und Puf fer für Leistungsspitzen werden große Batteriespeicher heute regelmäßig auch in Elektrofahrzeugen als Ersatz für einen An trieb durch Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Diese Bat teriespeicher enthalten als geschlossene Einheiten neben Bat teriezellen bzw. Batteriemodulen und Elementen zur elektri schen Verschaltung dieser Module auch eine Kontrolleinrich tung, die meist in einem separaten Gehäuseabschnitt oder davon gänzlich getrennten Gehäuse innerhalb des Batteriespeichers angeordnet ist. Eine derartige Kontrolleinrichtung ist mit Komponenten der Elektronik, z.B. Batteriemanagementsystem, Strommessshunt sowie Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schützen, Sicherungen, Stromschienen, Steckverbindern etc. bestückt. Nach dem Stand der Technik ist eine derartige Kontrolleinrichtung aus Sicherheitsgründen in einem eigenen Gehäuseabschnitt oder gar einem zusätzlichen geschlossenen Ge häuse getrennt von den Zellen des Batteriespeichers unterge bracht. Dabei sind alle vorstehend exemplarisch genannten Kom ponenten darin auf einer Grundplatte bzw. einem Schaltungs- Tragteil aus Kunststoff montiert. Aus Gründen der Hochvoltsi cherheit ist ein solcher Gehäuseabschnitt mit einem eigenen passenden Kunststoffteil berührgeschützt ausgeführt und durch Bildung des zusätzlichen geschlossenen Gehäuses innerhalb ei nes Modulgehäuses und auch gegenüber einer unmittelbaren äuße ren Umgebung abgeschlossen. Dabei sind Batteriespeichersysteme der genannten Art für Elektrofahrzeuge zum Abtransport von Verlustwärme in der Regel wassergekühlt und weisen meist im Bereich des Bodens eines Modulgehäuses eine flüssigkeitsdurch- strömte Kühlkanalstruktur auf.

Nun ergibt sich eine besondere Herausforderung daraus, dass die enthaltenen elektrotechnischen Komponenten als Summe aus reiner Elektronik, Stromschienen, Sicherungen, Schütze etc. zum Teil Verlustwärme in nicht unerheblichem Maße produzieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Batteriesystem mit hohen Strömen beaufschlagt wird. Die eingesetzten und die Elektro- komponenten umhüllenden Träger und -Deckel der Kontrollein richtung erschweren jedoch durch ihre geringe Wärmeleitfähig keit eine Entwärmung der exemplarisch genannten Elektrokompo- nenten zusätzlich, indem sie eine flächige Wärmeabgabe an um gebende metallische Gehäusebauteile schon aus Gründen eines Berührungsschutzes drastisch einschränken. Eine Ausbildung von sog. Wärme-Nestern ist die Folge dieser Situation, was insbe sondere an Elektronikkomponenten aufgrund eines mit der Tempe ratur einhergehenden rapiden Anstiegs einer Ausfallwahrschein lichkeit, als auch an Schmelzsicherungen aufgrund einer nega tiven Beeinflussung einer Auslösecharakteristik für einen zu verlässigen Dauerbetrieb sehr nachteilhaft oder gar kontrapro duktiv ist.

Gegen einen verfrühten Ausfall elektronischer Komponenten kön nen in der Kontrolleinrichtung redundante Einheiten vorgesehen sein. Alternativ macht eine starke Erwärmung einer elektri schen Sicherung ein sog. „Derating" erforderlich, also eine Auslegung auf einen höheren Auslösestrom. Nach dem Stand der Technik müssen die eingesetzten Elektrokomponenten also ge zielt überdimensioniert werden, um den höheren Temperaturen im Fall hoher Belastung Rechnung zu tragen. Alternativ kann eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit in Kauf genommen werden. Die genannten konstruktiven Lösungsansätze erzeugen jedoch einen höheren Platzbedarf und führen höhere Kosten mit sich, sofern es bei den i.d.R. gegebenen engen räumlichen Bedingungen in einem Modulgehäuse überhaupt realisierbar ist. Eine verkürzte Lebensdauer führt ebenfalls zu erhöhten Kosten sowie verrin gerter Zuverlässigkeit und kann daher nicht ernsthaft als Lö sung in Betracht gezogen werden.

Es besteht daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Kontrolleinrichtung zu schaffen, bei der auch ohne Über dimensionierung von Bauteilen eine vorgegebene Lebensdauer zu verlässig erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von An spruch 1 dadurch gelöst, dass ein geschlossenes Gehäuse zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausge bildet ist, durch die Temperaturunterschiede innerhalb des Ge häuses und auch über die Kontrolleinrichtung hinweg ausgleich bar sind.

Der Erfindung liegt also im Wesentlichen die Erkenntnis zu grunde, dass eine Ausbildung von Wärme-Nestern dadurch begüns tig wird, dass sich innerhalb des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung kaum natürliche oder freie Konvektion aus bilden kann. Eine entsprechende Ausbildung des geschlossenen Gehäuses, durch die eine Ausbildung einer freien und/oder er zwungenen Konvektion ermöglicht ist, wirkt einer Ausbildung ausgeprägter Wärme-Nester stark entgegen. Damit werden zumin dest Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses ausgegli chen, wodurch die Bauteile in normalen thermischen Betriebs punkten arbeiten können.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach ist ein Tragteil als Basis der Kon trolleinrichtung innerhalb des geschlossenen Gehäuses so aus gebildet, dass dieser Tragteil entlang einer Längserstreckung bzw. in Längsrichtung des Gehäuses von einem Boden des geschlossenen Gehäuses als Teil eines Modulgehäuses abgehoben ist einen freien Strömungsquerschnitt bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet ein Eingang des freien Strömungsquerschnitts eine unmittelbare Aufnahme für einen Gerätelüfter, der insbesondere aktiv ange trieben und ggf. auch elektrisch geregelt ist.

Weiterhin ist bevorzugt, dass eine Öffnung zwischen einem durch das Tragteil gebildeten unteren Teil und einem oberen Teil des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung vorge sehen ist, die an einem dem Gerätelüfter gegenüberliegenden Ende des Tragteils angeordnet ist. Damit ergibt sich eine ma ximale Länge eines für die Konvektion zur Verfügung stehenden freien Strömungsquerschnitts innerhalb des geschlossenen Ge häuses der Kontrolleinrichtung. Diese Strömungsweg verläuft quasi um das Tragteil geschlossen herum.

Vorteilhafterweise ist in dem geschlossenen Gehäuse eine Ab fuhr der durch Konvektion aufgenommenen Wärme der Kontrollein richtung durch einen Wärmetauscher vorgesehen. Es ist in die ser Ausführungsform der Erfindung also nicht nur eine Gleich verteilung von Verlustwärme über die Kontrolleinrichtung hin weg angestrebt, eine konvektiv aufgenommene Wärme wird auch gezielt aus dem geschlossenen Gehäuse der Kontrolleinrichtung abgeführt .

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Unterseite des freien Strömungsquerschnitts unmittelbar als Wärmetauscher bzw. zum Überstreichen einer Kühlplatte der Bat- teriemodule des betreffenden Batteriespeichers ausgebildet.

Das Tragteil ist als Kunststoffträger vorzugsweise so ausge bildet, dass seine Traggeometrie nicht nur die vorstehend exemplarisch genannten Komponenten gut aufnehmen, tragen und fixieren kann, sondern gleichzeitig auch eine Schottwand zwi schen einem oberem und unterem Volumen des geschlossenen Ge häuses bildet, wobei der Kunststoffträger auf der Seite, die der due Komponenten tragenden oberen Seite gegenüberliegt, Öffnungen zur Ausströmung von Luft von der unteren Gehäuse hälfte in die obere Gehäusehälfte aufweist. Diese Öffnungen sind in einer Ausführungsform der Erfindung auch direkt unter besonders verlustträchtigen Komponenten angeordnet, insbeson dere Schmelzsicherungen oder Shunts, zur gezielten Entwärmung durch Konvektion.

Mit einer erfindungsgemäßen Ausbildung einer Kontrolleinrich tung wird eine gerichtete Strömung innerhalb des gesamten ge schlossenen Gehäuseabschnitts erzeugt. Eine Wärmenestbildung wird effektiv vermieden. Durch das Überstreichen des verlän gerten Batteriemodul-Kühlblechs findet ein direkter Wärmeaus tausch der umgewälzten Luft mit dem Kühlsystem statt. Beson ders verlustbehaftete Bauteile können durch dedizierte und di rekt unter diesen Bauteilen vorgesehene Ausströmöffnungen zu sätzlich intensiver gekühlt werden. Sogar ein Einsatz eines um die Kontrolleinrichtung rundherum geschlossenen Kunststoffge- häuses ist so problemlos möglich.

Erfindungsgemäß wird ein Tragteil in Form eines Kunststoffträ- gers als Basis der Kontrolleinrichtung und damit als ein we sentlicher Teil innerhalb des geschlossenen Gehäuses geschaf fen, wobei das Tragteil

a. als elektrisch isolierendes Kunststoffbauteil, vorzugsweise als Spritz-Gießteil ausgeführt ist;

b. als tragendes Bauteil in einem unteren Gehäuseabschnitt

dazu ausgebildet ist, dass es elektrotechnische Komponenten aufnimmt und mechanisch fixiert und sich zudem auch selber innerhalb des geschlossenen Gehäuses fixiert, vorzugsweise durch angeformte Abstützungen oder eigene Beine, die in ei ner Einbaulage an ungefähr gegenüberliegenden Bereichen des geschlossenen Gehäuses anliegen; alternativ sind Vorsprünge und/oder Absätze als definierte Auflagen des Tragteils in einer Einbaulage in dem geschlossenen Gehäuse vorgesehen; c. einen Strömungsquerschnitt schafft, der einer Länge nach von einem Ende zum anderen Ende des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung reicht;

d. eine Aufnahme für einen Gehäuselüfter aufweist;

e. dedizierte und entsprechend ausgerichtete Ausström-Öffnun- gen für Bauteile mit hohen Verlusten aufweist, um diese di rekt zur Entwärmung anzuströmen;

f. einen Strömungsquerschnitt aufweist, der an einer Unter seite zu einer Kühlplatte hin offen ist, und in Längsrich tung von einem Ende des Volumens zu dem anderen Ende reicht, um einen Luftstrom zu transportieren und den Wär meaustausch zu der darunter liegenden Kühlplatte zu ermög lichen .

Das geschlossene Gehäuses der Kontrolleinrichtung bildet mit einem Tragteil der genannten Art ein System mit vorteilhafter weise minimalem Gehäusevolumen, umfassend eine untere Kunst stoffträger- und Luftleitplatte, eine obere Kunststoffplatte, zu kühlende elektrotechnische Komponenten, einen auf oder an dem Tragteil montierten Gehäuselüfter und flüssigkeitsgefüllte Kühlplatten, die unter dem unteren Kunststoffträger flächig ausgebreitet vorgesehen sind. Das Tragteil weist also eine be stückte Oberseite und eine unbestückte Unterseite auf, wobei die Unterseite dazu ausgebildet ist, in einer Einbaulage einem Wärmetauscher gegenüberliegend angeordnet zu sein.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsge mäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbei spiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung: Figur 1: eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Batte riespeichers mit einer Kontrolleinheit und einer Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen;

Figur 2: eine seitliche Ansicht des Batteriespeichers von Fi gur 1 und

Figur 3: eine Ansicht einer Längsseite von Figur 1 in einer

Schnittdarstellung .

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne eine Beschränkung des Einsatzfeldes wird nachfolgend nur auf einen Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug eingegangen. Dem Fachmann ist aber ohne weiteres ersichtlich, dass erfindungsgemäße Vorrichtungen aufgrund hoher Ströme und entsprechenden Anforderungen an einen Berührschutz auch sehr vorteilhaft bei stationären Energiespeichern Verwendung finden können, insbesondere in Verbindung von Windkraft- und/oder Photovoltaik-Anlagen .

Die Skizze von Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht ei nes Teils eines Batteriespeichers 1 mit einer Kontrolleinrich tung 2 und einer Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen 3.

Die Kontrolleinheit 2 ist dabei von den Speicherzellen 3 phy sikalisch getrennt von einem Modulgehäuse 4 in einem eigenen und gegenüber dem sonstigen Batteriespeicher 1 geschlossenen Gehäuse 5 angeordnet.

In dem geschlossenen Gehäuse 5 sind neben Komponenten der Elektronik, z.B. ein elektronisches Batteriemanagementsystem BM mit Leistungshalbleitern und Strommessshunts auch Komponen ten der Elektromechanik z.B. in Form von Schützen, Sicherungen Si, Stromschienen S und Steckverbindern untergebracht. Um eine Kontrolleinrichtung 2 ohne eine Überdimensionierung zumindest einiger seiner vorstehend nur exemplarisch genannten Bauteile zum zuverlässigen Erreichen einer vorgegebenen Lebensdauer dieser Bauteile zu schaffen, ist das geschlossene Gehäuse 5 zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausgebildet. Durch die Konvektion sind Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses 5 soweit ausgleichbar, dass alle Bau teile in normalen Temperaturbereichen betrieben werden und da mit ihre vorgegebene Lebensdauer erreichen können. Neben er höhten Kosten wird damit auch effektiv ein stets nur sehr rar vorhandener Bauraum eingespart.

Die Abbildung von Figur 2 zeigt mit einer seitlichen Ansicht des Batteriespeichers 1 von Figur 1 einen durch Pfeile ange deuteten Verlauf einer Konvektion innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2. Zu der gezielten Ausbil dung der Konvektion ist ein Tragteil 6, das eine Basis für die Kontrolleinrichtung 2 innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 bildet, als mechanischer Träger aller Komponenten und Fixie rung innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5. Das Tragteil 6 ist in Form eines Kunststoff-Bauteils so ausgeführt, dass es entlang einer Längsachse bzw. in Längsrichtung des Gehäuses 5 von einem Boden B des Modulgehäuses 4 abgehoben einen freien Strömungsquerschnitt 7 bildet. Dazu weist das Tragteil 6 ange formte Abstützungen oder Beine auf, die in der Zeichnung auf grund der dichten Bestückung des Tragteils 6 mit zahlreichen Bauelementen der Kontrolleinrichtung 2 in einer Einbaulage kaum erkennbar sind, und trennt nach Art einer Schottwand ei nen oberen Teil oT von einem unteren Teil uT des Volumens des geschlossenen Gehäuses 5 für die Kontrolleinrichtung 2. Der unteren Teil uT schließt nun als freier Strömungsquerschnitt 7 einen Kreislauf der Konvektion.

Zur Herstellung einer erzwungenen Konvektion ist an einem Ein gang des freien Strömungsquerschnitts 7 eine Aufnahme vorgesehen, an der ein elektrisch aktiv angetriebener, gere gelter Gerätelüfter 8 angeordnet ist. Zudem ist eine Öffnung 9 zwischen dem unteren Gehäuseteil uT und dem oberen Teil oT des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2 vorgesehen, die an einem dem Gerätelüfter 8 gegenüberliegenden Ende des Tragteils 6 angeordnet ist. Damit kann sich eine Strömung im Wesentlichen über eine gesamte Längserstreckung des geschlos senen Gehäuses 5 ausbilden. Ferner ist eine Unterseite des freien Strömungsquerschnitts 7 unmittelbar als Wärmetauscher 10 durch Überstreichen einer Kühlplatte 11 der Batteriemodule bzw. elektrischen Speicherzellen 3 ausgebildet.

Nicht weiter dargestellt sind in den Abbildungen der Zeichnung spezielle Öffnungen, die von dem unteren Gehäuseteil uT durch das eine Schottwand bildende Tragteil 6 zwischen dem oberen und dem unteren Volumen des geschlossenen Gehäuses 4 hindurch gezielt an oder unter Komponenten mit besonders hohen elektri schen Verlustleistungen vorgesehen sind oder aber auf diese besonders ausgerichtet sind. Hierdurch ist zusätzlich eine ge zielte Entwärmung mit quasi punktueller Abfuhr der elektri schen Wärmeverluste innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 re alisierbar .

Die Abbildung von Figur 3 stellt eine Ansicht einer Längsseite von Figur 1 in einer Schnittdarstellung dar und unterstreicht durch die offensichtlich optimierte Ausnutzung des i.d.R.

knapp bemessenen Bauraums, dass durch eine vorstehend be schriebene Ausgestaltung eines Tragteils 6 die Vorteile eines raumsparenden, kompakten Designs der Kontrolleinrichtung 2 er halten bleiben. Zudem ermöglicht eine solche Anordnung die Bildung eines thermischen Ausgleichs mit deutlicher Minderung der Ausbildung thermischer Nester mit weitgehender Eliminie rung der Möglichkeit lokaler oder regionaler Überhitzungen während des Betriebs der Kontrolleinrichtung 2. Aber es er folgt nicht nur ein thermischer Ausgleich innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2, vielmehr wird ohne zusätzlichen Aufwand eine für die Kühlung der Batte- riemodule bzw. elektrischen Speicherzellen 3 vorgesehene Kühl platte 10 zum Wärmeabtransport aus dem geschlossenen Gehäuse 5 als Teil des Modulgehäuses 4 in vorteilhafter Weise mit ge nutzt .

Bezugszeichenliste

Batteriespeieher

Kontrolleinrichtung

elektrische Speicherzelle

Modulgehäuse

geschlossenes Gehäuse

Tragteil /Schott

freier Strömungsquerschnitt

Gerätelüfter

Öffnung

0 Fluid-Wärmetauscher im Modulgehäuse 4 1 Kühlplatte

B Boden

BM Batteriemanagementsystem

S Stromschiene

Si Sicherung

oT oberer Teil des geschlossenen Gehäuses 5 uT unterer Teil des geschlossenen Gehäuses 5