Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen, mit einem Grundkörper, der zum um fangsseitigen Umschließen der Batteriezellen bezüglich je einer Fügeachse paar weise gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen aufweist und einen quer zu den Fügeachsen verlaufenden Strömungskanal für ein Temperierfluid bildet, wobei der Grundkörper wenigstens einen in Richtung der Fügeachsen verlaufenden Tempe- rierfluidanschluss umfasst.

Batteriezellen, insbesondere auf Basis von Lithium-Ionen Technologie weisen eine stark von der Betriebstemperatur abhängige Lebensdauer auf, wobei bereits Tem peraturunterschiede von 1 bis 3 Grad Celsius zu einer signifikanten Alterung füh ren können. Gerade bei Stoßbelastungen solcher Batteriezellen ist es daher we- sentlich, die zufolge der chemischen Vorgänge auftretende Wärmeenergie rasch abzuführen, um eine lange Betriebsdauer zu ermöglichen. Der Einsatz von Fluid temperiervorrichtungen hat sich dabei nicht zuletzt zur Verhinderung einer etwai gen Brandgefahr als sehr vorteilhaft erwiesen, allerdings lässt sich mit solchen Vorrichtungen in der Regel nur ein träges Regelungsverhalten erreichen, weil Strömungsverwirbelungen und dadurch resultierende Staudrücke raschere Strö mungsgeschwindigkeiten und einen damit verbundenen höheren Volumendurch satz verhindern. Dies wird zusätzlich durch den Einsatz leicht flüchtiger Temperier fluide erschwert, für die eine sichere Abdichtung erforderlich ist. Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Temperiervorrichtungen für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen in einem Batteriesystem bekannt, die ei nen Grundkörper mit wenigstens einen in Richtung der Fügeachsen verlaufenden Temperierfluidanschluss aufweisen (WO 2017/067923 A1 ). In Richtung der Fü geachsen verlaufende Temperierfluidanschlüsse haben grundsätzlich den Vorteil, dass sich eine besonders kompakte Bauweise von aus einzelnen Batteriezellen aufgebauten Modulen und damit eine hohe Leistungsdichte ergibt, weil keine über den Querschnitt der Module in Richtung der Fügeachsen hinausragende Tempe- rierfluidanschlüsse vorgesehen werden müssen und die Verbindungsleitungen zwischen den Modulen besonders kurzgehalten werden können. Nachteilig ist al lerdings, dass in Richtung der Fügeachsen verlaufende Temperierfluidanschlüsse im Wesentlichen quer zum Strömungskanal ausgerichtet sind, weshalb die maxi mal erreichbare Strömungsgeschwindigkeit des Temperierfluids aufgrund sich ein- stellender Einlaufeffekte sowie Strömungsturbulenzen und sich daraus ergeben den Staudrücken nach oben begrenzt ist und darüber hinaus eine gleichmäßige Anströmung aller im Strömungskanal liegenden Batteriezellen nicht gewährleistet ist. Bei einer weiteren, für eine gute Zellentemperierung erforderlichen Erhöhung des Volumendurchsatzes würde es lediglich zu einer kritischen Erhöhung des Sys- temdrucks und damit zu einer Beschädigungsgefahr des Moduls kommen. Dem zufolge kann mit derartigen Temperiervorrichtungen kein ausreichender Volumen durchsatz des Temperierfluids und keine gleichmäßige Anströmung aller Batterie zellen erzielt werden.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Temperiervorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass trotz einer kompakten Bau weise ein Betriebstemperaturfenster von wenigen Grad Celsius trotz hoher elektri scher Belastungen erreicht wird. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Grundkörper einen dem Temperierfluidanschluss in Richtung der Fügeachsen gegenüberliegenden Strömungsteiler aufweist, der Anströmflächen zur Teilung des Temperierfluidstro mes in einzelne Teilströme und zur im Wesentlichen tangentialen Anströmung der angrenzenden Batteriezellen bildet.

Zufolge dieser Maßnahme erfolgt eine möglichst turbulenzfreie Umlenkung des Temperierfluidstromes aus der Richtung der Fügeachsen in die Längsrichtung des Strömungskanals, wobei zur Vermeidung von auftretenden Druckspitzen der Temperierfluidstrom insgesamt in mehrere Teilströme aufgeteilt wird. Die Anström flächen, deren Flächennormalen mit dem Richtungsvektor der Fügeachse bei spielsweise einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließen können, verhindern, dass das über den Temperierfluidanschluss in den Strömungskanal einströmende Temperierfluid frontal auf eine quer zu seiner Fließrichtung ausgerichtete, übli cherweise durch den Grundkörper gebildete Anschlagfläche trifft und dort scharf umgelenkt wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anströmflächen wird die Strö mung stetig in Richtung der im Strömungskanal liegenden Batteriezellen umge lenkt, wobei sich aufgrund des längeren Fließweges das Druckniveau entspannt und dadurch Turbulenzen bzw. Staudrücke reduziert werden können. Insgesamt kann somit die Strömungsgeschwindigkeit und demnach der Volumendurchsatz des Temperierfluids erhöht werden. Zudem wird durch die erfindungsgemäßen Merkmale sichergestellt, dass die im Strömungskanal liegenden Batteriezellen gleichmäßig und im Wesentlichen tangential angeströmt werden. Dies bedeutet, dass die Anströmflächen die Teilströme so zu den umliegenden Batteriezellen lei ten, dass im Wesentlichen die, bezogen auf die Teilstromrichtung lateralen Man telflächen der Batteriezellen vom Temperierfluid umspült werden.

In diesem Zusammenhang können besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen geschaffen werden, wenn der Strömungsteiler einen im Wesentlichen radial zu ei ner ersten an den Strömungsteiler angrenzenden Durchtrittsöffnung verlaufenden Flauptleitkamm aufweist. Dadurch wird der Temperierfluidstrom entlang der beiden Kammflanken aufgeteilt und umströmt die erste Batteriezelle bereits in zwei tan gential zur Batteriezelle verlaufenden Teilströmen, was schädliche Druckspitzen in Folge eines sich radial zur ersten Batteriezelle ergebenden Staudrucks abbaut. In weiterer Folge können die erste, aber auch nachfolgende Zellen besser vom Tem perierfluid umströmt werden.

Um auftretende Druckspitzen weiter zu reduzieren und insbesondere eine gleich mäßige Anströmung auch der am Rand des Strömungskanals liegenden Batterie zellen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Strömungsteiler zwei sym metrisch zum Flauptleitkamm und je im Wesentlichen radial zu einer an die erste Durchtrittsöffnung anschließenden Durchtrittsöffnung verlaufende Nebenleitkäm me umfasst. Zufolge dieser Maßnahme bilden sich bei einer Anordnung des Strö mungsteilers im Randbereich des Grundkörpers insgesamt vier Teilströme aus, von denen sich die randseitig liegenden an die Innenwand des Grundkörpers an- legen und die im Randbereich des Strömungskanals liegenden Batteriezellen tan gential an ihren der Innenwand des Grundkörpers zugewandten Außenflächen umströmen. Zur weiteren Verringerung von Staudrücken kann sich der Scheitel grat des Flauptleitkammes und / oder der Nebenleitkämme vom Temperierfluidan schlussbereich zu den angrenzenden Durchtrittsöffnungen hin verbreitern, weil le diglich beim direkten Auftreffen der Fluidströmung im Bereich des Temperierfluid anschlusses ein Aufspalten des Fluidstromes erforderlich ist, während in weiterer Folge die einzelnen Teilströme so weit voneinander getrennt werden sollen, dass sie die zu umspülenden Batteriezellen im Wesentlichen tangential anströmen. Es versteht sich von selbst, dass die Geometrien von sowohl Flaupt- als auch Neben kämmen im Zuge einer Strömungsoptimierung unterschiedlich ausgestaltet wer den können bzw. noch zusätzliche Nebenkämme vorgesehen sein können.

Erfindungsgemäß ergeben sich in diesem Zusammenhang besonders vorteilhafte Konstruktionsbedingungen, wenn der Temperierfluidanschluss ein weibliches Kupplungsstück für die Temperierfluidleitung umfasst. Dabei können die Tempe rierfluidanschlüsse beispielsweise weibliche Ansteckhülsen bilden, sodass zwei aufeinanderfolgende Grundkörper über ein männliches, in die beiden Ansteckhül sen eingeführtes Verbindungsstück miteinander strömungsverbunden werden können. Dadurch kann bei einer gleichzeitigen Reduktion von Strömungsverlusten zwischen den Grundkörpern eine noch kompaktere Bauweise erzielt werden. Um den Fertigungsaufwand sowie die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung zu reduzieren wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper zwei gegenüberliegende, einander gleichende Dichtelemente aufweist, die punkt symmetrisch zueinander ausgerichtet und über je eine Auflagefläche miteinander verbunden den Grundkörper bilden. Aufgrund der beispielsweise im Spritzgussver fahren mit nur einer einzigen Werkzeugkavität gefertigten Gleichteile, weisen die se im Wesentlichen idente Bauteiltoleranzen auf. Dadurch kann eine gesonderte Abstimmung zweier unterschiedlicher Dichtelemente aufeinander entfallen und der Assembliervorgang in der Regel rascher erfolgen.

Üblicherweise würde zur Abdichtung zweier als Gleichteile ausgebildeter Dich telemente eine gemeinsame, umlaufende Randdichtung vorgesehen werden, die allerdings einen hohen Fertigungsaufwand beim Fügen der beiden Dichtelemente mit sich bringen würde, weil in beiden Dichtelementen Aufnahmenuten für die ge meinsame Randdichtung vorgesehen sind und die zur Abdichtung erforderliche Flächenpressung zwischen der Randdichtung und den jeweiligen Aufnahmenut wänden nur durch eine exakte Ausrichtung der gemeinsamen Randdichtung zu den jeweiligen Aufnahmenuten sichergestellt werden könnte. Die beiden Dich telemente können auch je eine gesonderte, umlaufende Randdichtung aufweisen, die in die jeweilige Aufnahmenut eingesetzt wird. Allerdings kommt es dadurch beim Fügen der Dichtelemente zu einem Aufeinanderpressen der beiden Rand dichtungen aufeinander, was der Fachmann zur Vermeidung einer Leckage zufol ge einer unerwünschten Verformung der Randdichtungen regelmäßig vermeiden würde. Diese Problematik würde durch die erfindungsgemäß vorgesehenen höhe ren Strömungsgeschwindigkeiten des Temperierfluids noch verstärkt.

Daher wird vorgeschlagen, dass an die Auflagefläche grundkörperinnenseitig eine, einen Dichtungsausgleichsbereich aufweisende Aufnahmenut anschließt. Der Dichtungsausgleichsbereich bleibt im nicht assemblierten Zustand frei und ermög licht eine vordefinierte Verformung der Randdichtungen. Erst beim Fügen der bei den Dichtelemente zueinander und beim Erreichen einer ausreichenden Flächen pressung wird der Dichtungsausgleichsbereich wenigstens teilweise durch die je weilige Randdichtung ausgefüllt. Wird der Dichtungsausgleichsbereich auf der der Auflagefläche abgewandten Seite der Aufnahmenut vorgesehen, so kann zudem vermieden werden, dass die, die Auflageflächen bildenden Seitenwände der Dich telemente zur Grundkörperaußenseite hin verformt werden und nicht mehr zuei nander fluchtend abschließen, was das Erreichen einer vordefinierten Flächen- pressung der Randdichtungen unmöglich machen würde.

Um auch bei einem im Verhältnis zur Randdichtung größeren Dichtungsaus gleichsbereich eine zuverlässige Abdichtung zu ermöglichen, kann die Aufnahme nut eine gegenüber dem Nutgrund hervortretende Positionierstufe für eine Rand dichtung aufweisen und der oberhalb der Positionierstufe freibleibende Nutbereich den Dichtungsausgleichsbereich bilden. Dadurch wird eine ungewünschte Verla gerung der Dichtung innerhalb der Aufnahmenut verhindert, weil die Randdichtung im Bereich des Nutgrundes zwischen einer Nutwand und der Positionierstufe quer zu ihrer Längsrichtung festgelegt wird, während eine elastische Verformung des Randdichtungskörpers in den oberhalb der Positionierstufe gebildeten Dichtungs- ausgleichsbereich weiterhin möglich bleibt. Darüber hinaus bedingt die elastische Verformung auch eine Anpressung der Randdichtung an die Positionierstufe, so- dass die Abdichtung zwischen der Randdichtung und der Aufnahmenut selbst ver bessert wird. Um in diesem Zusammenhang günstige Fertigungsbedingungen zu schaffen, kann die Randdichtung mit der Aufnahmenut beispielsweise im Mehr- komponenten-Spritzgussverfahren verbunden sein.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zei gen

Fig. 1 eine schematische Detailansicht eines erfindungsgemäßen Strömungstei- lers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Temperiervorrich tung in einem kleineren Maßstab,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines assemblierten Moduls in einem klei neren Maßstab, Fig. 4 eine vergrößerte Detailansicht der Fig. 2 mit nicht zusammengefügten Dich telementen und

Fig. 5 eine vergrößerte Detailansicht der Fig. 2 mit zusammengefügten Dichtele menten.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul 1 zu sammengesetzte Batteriezellen 2 umfasst einen Grundkörper 3, der zum um fangsseitigen Umschließen der Batteriezellen 2 bezüglich je einer Fügeachse paarweise gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen 4 aufweist. Der Grundkörper 3 bildet einen quer zu den Fügeachsen verlaufenden Strömungskanal für ein Tem perierfluid zur Temperierung der Batteriezellen 2 und umfasst zudem wenigstens einen in Richtung der Fügeachsen verlaufenden Temperierfluidanschluss 5 auf.

Erfindungsgemäß weist der Grundkörper 3 zudem einen dem Temperierfluidan schluss 5 in Richtung der Fügeachsen gegenüberliegenden Strömungsteiler 6 auf. Dieser bildet Anströmflächen 7 zur Teilung des Temperierfluidstromes in einzelne Teilströme und zur im Wesentlichen tangentialen Anströmung der angrenzenden Batteriezellen 2. Dabei umfasst der Strömungsteiler 6 einen Flauptleitkamm 8 so wie Nebenleitkämme 9. Sowohl der Flauptleitkamm 8 als auch die Nebenleitkäm me 9 weisen jeweils einen sich zu den angrenzenden Durchtrittsöffnungen 4 ver breiternden Scheitelgrat 10 auf. Wie insbesondere in der Fig. 2 zu erkennen ist, nimmt der Kammquerschnitt sowohl des Flauptleitkammes 8 als auch der Neben leitkämme 9 in Richtung der jeweils angrenzenden Durchtrittsöffnungen 4 zu.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper 3 zwei gegenüberliegende, einander beispielsweise als spritzgegossene Gleichteile ausgeführte Dichtelemen te 1 1 ,12 auf, die punktsymmetrisch zueinander ausgerichtet und über je eine Auf lagefläche 13 miteinander verbunden den Grundkörper 3 bilden. Im zusammenge fügten Zustand liegt jeweils ein Temperierfluidanschluss 5 des einen Dichtelemen tes 1 1 dem Strömungsteiler 6 des anderen Dichtelementes 12 gegenüber. Die Temperierfluidanschlüsse 5 können weibliche Kupplungsstücke 14 in Gestalt von weiblichen Ansteckhülsen bilden, sodass zufolge der gleichteiligen Dichtele mente 1 1 ,12 zwei aufeinanderfolgende Grundkörper über ein männliches, in die beiden Ansteckhülsen 14 eingeführtes Verbindungsstück 15 miteinander strö mungsverbunden werden können.

Grundkörperinnenseitig schließt eine, einen Dichtungsausgleichsbereich 29 auf weisende Aufnahmenut 16 an die Auflagefläche 13 an. In die jeweilige Aufnahme nut 16 der Dichtelemente 1 1 ,12 ist eine umlaufende Randdichtung 17 eingesetzt. Besonders günstige Fertigungsbedingungen sowie eine gute Abdichtung zwischen der Randdichtung 17 und der Aufnahmenut 16 ergeben sich, wenn die Randdich tung 17 mit der Aufnahmenut 16 im Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren ver bunden ist, wobei die Randdichtung 17 eine Weichkomponente beispielsweise in Form eines thermoplastischen Elastomers und die Aufnahmenut 16 eine Hart- komponente in Form von beispielsweise Polyoxymethylen darstellen.

Die Dichtelemente 1 1 ,12 der in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Temperiervorrich tung weisen zudem je zwischen drei aneinandergrenzenden Durchtrittsöffnungen 4 grundkörperinnenseitig vorragende und in Richtung der Fügeachsen verlaufende Stützstifte 18 auf, die im Übergangsbereich 19 zu den Durchtrittsöffnungen 4 ei nen Stützkörper 20 für die in Umfangsrichtung der Durchtrittsöffnungen 4 verlau fenden Durchtrittsdichtungen 21 bilden. Im assemblierten Zustand liegen die Stützstifte 18 mit ihren jeweiligen Kontaktflächen 22 aufeinander auf. Die Stütz körper 20 können überdies auch in den stützstiftfreien Übergangsbereichen 23 vorgesehen sein. Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, können die Stützstifte 18 zur besseren Druckverteilung auf den Übergangsbereich 19 durch jeweils drei hin zu diesem verlaufende Stege 24 verstärkt sein. Analog zur Randdichtung 17 und der Aufnahmenut 16 können auch die Durchtrittsdichtungen 21 mit den Stützkörpern 20 im Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren verbunden sein.

Fig. 3 zeigt ein assembliertes Modul 1 mit durch die Durchtrittsöffnung 4 gefügten und umfangsseitig von Durchtrittsdichtungen 21 umschlossenen Batteriezellen 2. Wie insbesondere in der Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, weist die Aufnahmenut 16 eine gegenüber dem Nutgrund 25 hervortretende Positionierstufe 26 für eine Randdichtung 17 auf. Dabei bildet der oberhalb der Positionierstufe 26 freiblei bende Nutbereich 27 den Dichtungsausgleichsbereich 29. Beim Zusammenfügen der beiden Dichtelemente 1 1 ,12 kann ein Teil der aufeinander zu liegen kommen den und sich zufolge der erforderlichen Flächenpressung elastisch verformenden Randdichtungen 17 in den Dichtungsausgleichsbereich 29 ausweichen, wie dies in Fig. 5 dargestellt wird. Die Randdichtung 17 kann zudem einen zur Auflagefläche 13 hin unter diese abfallenden Dichtwulst 28 aufweisen, sodass sich ein zweiter, grundkörperaußenseitig an die Aufnahmenut 16 anschließender Dichtungsaus gleichsbereich 30 bildet.