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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellengruppe für ein Batteriemodul einer zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe elektrische Energie gespeichert und abgegeben werden kann, um ein Kraftfahrzeug rein elektrisch antreiben zu können.
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Aus
DE 10 2009 016 868 A1 ist eine Batteriezellengruppe für eine als Beutelzelle („Pouch Cell“) ausgestaltete Batterie bekannt, bei der Ableiter einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle über einen Kühlkörper miteinander thermisch gekoppelt sind, so dass der eine Kühlkörper beide Batteriezelle kühlen kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis Batteriezellen einer Kraftfahrzeugbatterie mit geringem konstruktivem Aufwand zu temperieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die mit geringem konstruktivem Aufwand eine Temperierung von Batteriezellen einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Batteriezellengruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Batteriezellengruppe für ein Batteriemodul einer zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Kraftfahrzeugbatterie vorgesehen mit einer ersten Batteriezelle zur Erzeugung elektrischer Energie, einer an der ersten Batteriezelle anliegenden wärmeleitenden ersten Wärmeleitschicht, einer an der ersten Wärmeleitschicht anliegenden zweiten Batteriezelle zur Erzeugung elektrischer Energie, einer an der zweiten Batteriezelle anliegenden wärmeleitenden zweiten Wärmeleitschicht, einem mit der ersten Wärmeleitschicht und der zweiten Wärmeleitschicht thermisch gekoppelten Kühlkörper zum Kühlen der ersten Batteriezelle über die erste Wärmeleitschicht und zum Kühlen der zweiten Batteriezelle über die zweite Wärmeleitschicht und einem an der zweiten Wärmeleitschicht thermisch gekoppelten Heizkörper zum Heizen der zweiten Batteriezelle über die zweite Wärmeleitschicht.
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Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass insbesondere bei einer als Beutelzelle („Pouch Cell“) ausgestalteten Kraftfahrzeugbatterie die Batteriezellen für einen möglichst optimalen Betrieb einen bestimmten vorgegebenen Temperaturbereich benötigen. Um die Batteriezellen in diesem Temperaturbereich zu betreiben, ist es jedoch nicht nur erforderlich eine Überhitzung durch Kühlung zu vermeiden sondern auch, beispielsweise bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs mit einer die erfindungsgemäße Batteriegruppe aufweisenden Kraftfahrzeugbatterie, die Batteriezellen zu heizen. Hierbei wird jedoch nicht der Kühlkörper auch zu Heizzwecken verwendet, sondern es ist ein zu dem Kühlkörper zusätzlicher Heizkörper vorgesehen. Der Kühlkörper und der Heizkörper können unabhängig von einander bedarfsgerecht betrieben werden, so dass mit geringem Aufwand für die jeweilige Batteriezelle eine Temperatur in einem für den optimalen Betrieb vorgesehenen Temperaturbereich geregelt werden kann. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die bei einer Beutelzelle schichtweise hintereinander angeordneten Batteriezellen im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen und beim Ansteuern einer Zieltemperatur entweder eine Kühlung oder eine Heizung erfolgt. Deswegen kann die zweite Wärmeleitschicht sowohl zur Übertragung von Kälte als auch zur Übertragung von Wärme funktionalisiert werden.
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Wenn ein Heizen erfolgen soll, kann der Heizkörper mittelbar über die zweite Wärmeleitschicht die zweite Batteriezelle heizen. Ferner kann der Heizkörper mittelbar über die zweite Wärmeleitschicht die zweite Batteriezelle und/oder unmittelbar die erste Batteriezelle einer schichtweise nachfolgenden gleichartig aufgebauten Batteriezellengruppe heizen, so dass im Ergebnis im Wesentlichen alle Batteriezellen eines mehrere Batteriezellengruppen aufweisenden Batteriemoduls auf eine gewünschte Temperatur geheizt werden können. Ferner wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass im laufenden Betrieb des mehrere Batteriezellengruppen aufweisenden Batteriemoduls in der Regel eine höhere Kühlleistung als Heizleistung benötigt wird. Wenn ein Kühlen erfolgen soll, kann der Kühlkörper über die erste Wärmeleitschicht sowohl die erste Batteriezelle als auch die zweite Batteriezelle kühlen, so dass beide Batteriezellen der Batteriezellengruppe gekühlt werden können. Gleichzeitig kann der Kühlkörper zusätzlich über die zweite Wärmeleitschicht die zweite Batteriezelle und die erste Batteriezelle einer schichtweise nachfolgenden gleichartig aufgebauten Batteriezellengruppe kühlen. Dadurch können fast alle Batteriezellen des mehrere Batteriezellengruppen aufweisenden Batteriemoduls an beiden Stirnseiten über jeweils eine Wärmeleitschicht gekühlt werden. Hierbei kann ein platzsparender schichtartiger Aufbau der Batteriezellen beibehalten werden, der insbesondere eine große Wärmeübergangsfläche zwischen den jeweiligen Wärmeleitschichten und den Batteriezellen ermöglicht. Mit Hilfe der über den Kühlkörper thermisch gekoppelten Wärmeleitschichten können die Batteriezellen beidseitig gekühlt und über die thermisch an dem Heizkörper angekoppelte zweite Wärmeleitschicht in einer schichtartigen Zusammensetzung mehrere Batteriezellengruppen einseitig geheizt werden, so dass mit geringem konstruktivem Aufwand eine Temperierung der Batteriezellen einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht ist.
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Die erste Batteriezelle weist zwei jeweils zu benachbarten zweiten Batteriezellen weisende über eine Dicke zueinander beabstandete erste Stirnseiten auf, die über erste Seitenflächen miteinander verbunden sind. Die zweite Batteriezelle weist zwei jeweils zu benachbarten ersten Batteriezellen weisende über eine Dicke zueinander beabstandete zweite Stirnseiten auf, die über zweite Seitenflächen miteinander verbunden sind. Die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle sind insbesondere symmetrisch, vorzugsweise identisch, ausgestaltet. Die Batteriezellen weisen insbesondere einen im Wesentlichen rechteckigen Batteriekörper auf, der die jeweiligen Stirnseiten und Seitenflächen ausbildet, wobei von dem Batteriekörper Ableiter abstehen können, die jeweils einen Pol, insbesondere Minus-Pol oder Plus-Pol, der Batteriezelle ausbilden. Die jeweilige Wärmeleitschicht weist insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Batteriezellen auf. Vorzugsweise ist die jeweilige Wärmeleitschicht als elektrischer Isolator ausgestaltet, so dass schichtweise nachfolgende Batteriezellen über die Wärmeleitschicht gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Wärmeleitschichten bilden insbesondere eine Wärmeübergangsfläche zu den Batteriezellen aus, die insbesondere im Wesentlichen die gesamte Stirnseite der jeweiligen Batteriezelle und gegebenenfalls zusätzlich zumindest teilweise die stirnseitigen Flächen der Ableiter abdeckt. Die Kälte des Kühlkörpers und/oder die Wärme des Heizkörpers kann beispeisweise durch ein Durchströmen eines gasförmigen und/oder flüssigen Fluids und/oder elektrothermische Prozesse im Material des Kühlkörpers beziehungsweise Heizkörpers erzeugt werden.
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Insbesondere liegt der Heizkörper an einer von der zweiten Batteriezelle weg weisenden Stirnseite der zweiten Wärmeleitschicht an. Der Heizkörper kann dadurch die zweite Wärmeleitschicht großflächig direkt kontaktieren. Dadurch kann ein entsprechend großer Wärmestrom schnell in die zweite Batteriezelle und/oder die erste Batteriezelle einer nachfolgenden Batteriezellengruppe eingeleitet werden.
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Vorzugsweise ist der Kühlkörper mittelbar über die erste Wärmeleitschicht thermisch mit der ersten Batteriezelle gekoppelt, wobei insbesondere der Kühlkörper an der zweiten Batteriezelle anliegt. Beispielsweise kann die erste Wärmeleitschicht an einer Stirnseite die erste Batteriezelle und an einer gegenüberliegenden Stirnseite den Kühlkörper kontaktieren. Der Kühlkörper kann an einer Stirnseite die erste Wärmeleitschicht und an einer gegenüberliegenden Stirnseite die zweite Batteriezelle kontaktieren. Dadurch kann beispielsweise ein Kurzschluss der ersten Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle über den Kühlkörper durch eine elektrische Isolierung der ersten Wärmeleitschicht vermieden werden. Ferner kann der Kühlkörper mittelbar über die zweite Batteriezelle oder unmittelbar mit der zweiten Wärmeleitschicht thermisch gekoppelt sein.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Batteriezelle einen ersten Batteriekörper und von dem ersten Batteriekörper abstehende erste Ableiter und die zweite Batteriezelle einen zweiten Batteriekörper und von dem zweiten Batteriekörper abstehende zweite Ableiter aufweisen, wobei der Kühlkörper seitlich zu dem ersten Batteriekörper und dem zweiten Batteriekörper beabstandet angeordnet ist, wobei der Kühlkörper insbesondere zwischen dem ersten Ableiter und dem zweiten Ableiter verläuft. Der Kühlkörper kann dadurch im Wesentlichen parallel zum Batteriekörper angeordnet werden, so dass die Erstreckung in Längsrichtung der Batteriezellengruppe mit den schichtweise hintereinander angeordneten Batteriekörpern und Wärmeleitschichten nicht durch die Dicke des Kühlkörpers vergrößert wird. Stattdessen kann ein für die Anordnung der Ableiter sowieso vorgesehener Bauraum für den Kühlkörper genutzt werden. Ferner kann der Kühlkörper nicht nur über den ersten Wärmeleiter und den zweiten Wärmeleiter sondern auch, insbesondere direkt, über die Ableiter Kälte in den Batteriekörper einleiten.
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Insbesondere ist der Heizkörper stirnseitig zu dem ersten Batteriekörper und dem zweiten Batteriekörper angeordnet. Der Heizkörper kann dadurch in einen schichtartigen Aufbau der über die Wärmeleitschichten voneinander getrennten Batteriezellen als weitere Schicht integriert werden. Der Heizkörper bildet insbesondere eine Wärmeübergangsfläche aus, die insbesondere im Wesentlichen die gesamte Stirnseite der jeweiligen Batteriezelle und gegebenenfalls zusätzlich zumindest teilweise die stirnseitigen Flächen der Ableiter abdeckt.
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Vorzugsweise ist der Heizkörper als PTC-Element ausgestaltet. Dadurch kann der Heizkörper leicht mit elektrischer Energie betrieben werden, um Wärme zu erzeugen. Ferner kann dadurch der Heizkörper leicht als im Vergleich zur Dicke der Batteriezellen dünne Schicht ausgestaltet werden, wodurch der Bauraumbedarf der Batteriezellengruppe klein gehalten werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die erste Wärmeleitschicht und/oder die zweite Wärmeleitschicht aus Graphitfolie hergestellt. Dadurch kann die jeweilige Wärmeleitschicht eine gute Wärmeleitfähigkeit bereitstellen und/oder eine ausreichende elektrische Isolierschicht ausbilden.
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Insbesondere weist die erste Wärmeleitschicht und/oder die zweite Wärmeleitschicht eine Isolatorschicht zur elektrischen Isolierung der ersten Batteriezelle gegenüber der zweiten Batteriezelle auf. Die Isolatorschicht kann beispielsweise durch das Material der Wärmeleitschicht selber ausgebildet werden, indem beispielweise die Basalebenen des Graphits einer als Graphitfolie ausgestalteten Wärmeleitschicht im Wesentlichen parallel zu den Stirnseiten der Batteriezellen verlaufen. Vorzugsweise ist die Wärmeleitschicht mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere durch Beschichten, versehen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul für eine zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehene Kraftfahrzeugbatterie mit einer ersten Batteriezellengruppe, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und einer zweiten Batteriezellengruppe, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei der Heizkörper der ersten Batteriezellengruppe mit der ersten Batteriezelle der zweiten Batteriezellengruppe thermisch gekoppelt ist. Mit Hilfe der über den Kühlkörper thermisch gekoppelten Wärmeleitschichten können die Batteriezellen beidseitig gekühlt und über die thermisch an dem Heizkörper angekoppelte zweite Wärmeleitschicht in einer schichtartigen Zusammensetzung mehrere Batteriezellengruppen in dem Batteriemodul einseitig geheizt werden, so dass mit geringem konstruktivem Aufwand eine Temperierung der Batteriezellen des Batteriemoduls für die Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht ist.
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Insbesondere liegt der Heizkörper der ersten Batteriezellengruppe an der zweiten Wärmeleitschicht der ersten Batteriezellengruppe und an der ersten Batteriezelle der zweiten Batteriezellengruppe an. Über den Heizkörper kann dadurch eine schichtartige thermische Kontaktierung der ersten Batteriezellengruppe mit der zweiten Batteriezellengruppe erreicht werden. Der Heizkörper übernimmt dadurch eine Heizfunktion sowohl für die erste Batteriezellengruppe als auch für die zweite Batteriezellengruppe.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische perspektivische Ansicht eine Kraftfahrzeugbatterie und
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2: eine schematische Seitenansicht eines Teils eines Batteriemoduls für die Kraftfahrzeugbatterie aus 1.
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Die in 1 dargestellte Kraftfahrzeugbatterie 10 weist beispielsweise drei übereinander angeordnete Batteriemodule 12 auf. Hierbei können auch mehrere Batteriemodule 12 auf einer gemeinsamen Höhe nebeneinander beziehungsweise hintereinander angeordnet sein.
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Wie in 2 dargestellt kann das Batteriemodul 12 mehrere in Längsrichtung schichtartig hintereinander angeordnete Batteriezellengruppen 14 aufweisen, die sich als wiederkehrende Einheit in Längsrichtung des Batteriemoduls 12 wiederholen. Die Batteriezellengruppe 14 weist eine erste Batteriezelle 16 mit einem im Wesentlichen rechteckigen ersten Batteriezellenkörper 18, von dem nach oben erste Ableiter 20 zur Ausbildung eines Minus-Pols und eines Plus-Pols abstehen. An der ersten Batteriezelle 16 liegt, insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Höhe der ersten Batteriezelle 16, eine erste Wärmeleitschicht 22 an. Die erste Wärmeleitschicht 22 kann hierbei insbesondere sowohl den ersten Batteriekörper 18 als auch den ersten Ableiter 20 kontaktieren.
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An der von der ersten Batteriezelle 16 weg weisenden Seite der ersten Wärmeleitschicht 22 liegt eine zweite Batteriezelle 24 mit ihrem zweiten Batteriekörper 26 an. Von dem zweiten Batteriekörper 26 stehen beabstandet zu den ersten Ableitern 20 zweite Ableiter 28 nach oben ab. An der zweiten Batteriezelle 24 liegt, insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Höhe der zweiten Batteriezelle 24, eine zweite Wärmeleitschicht 30 an. Die zweite Wärmeleitschicht 30 kann hierbei insbesondere sowohl den zweiten Batteriekörper 26 als auch den zweiten Ableiter 28 kontaktieren. Oberhalb zu den Batteriekörpern 18, 26 ist ein Kühlkörper 32 vorgesehen, der insbesondere direkt mit der ersten Wärmeleitschicht 22 und der zweiten Wärmeleitschicht 28 auf Höhe der Ableiter 20, 28 thermisch kontaktiert ist. Insbesondere ist der Kühlkörper 32 und/oder die erste Wärmeleitschicht 22 und/oder die zweiten Wärmeleitschicht 28 im Wesentlichen bündig mit einer von dem zugeordneten Batteriekörper 18, 26 weg weisenden Außenseite der Ableitungen 20, 28 ausgeführt. Insbesondere stehen der Kühlkörper 32 und/oder die erste Wärmeleitschicht 22 und/oder die zweiten Wärmeleitschicht 28 nicht über die von dem zugeordneten Batteriekörper 18, 26 weg weisenden Außenseite der Ableitungen 20, 28 hervor.
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An der von der zweiten Batteriezelle 24 weg weisenden Seite der zweiten Wärmeleitschicht 30 liegt ein als PTC-Element ausgestalteter Heizkörper 34 an. Der Heizkörper 34 deckt eine den Stirnseiten der Batteriekörper 18, 24 entsprechende Fläche ab. Der Heizkörper 34 kann über Elektroleitungen 36 mit elektrischer Energie versorgt werden, um Hitze zu erzeugen. An dem Heizkörper 34 kann eine weitere erste Batteriezelle 38 einer zur ersten Batteriezellengruppe 14 entsprechend aufgebauten zweiten Batteriezellengruppen 40 anschließen, so dass der Heizkörper 34 mittelbar über die zweite Wärmeleitschicht 30 die zweite Batteriezelle 26 der Batteriezellengruppe 14 und unmittelbar die erste Batteriezelle 38 der zweiten Batteriezellengruppe 40 einseitig heizen kann. Der Kühlkörper 32 kann mittelbar über die erste Wärmeleitschicht 22 und die zweite Wärmeleitschicht 30 die zweite Batteriezelle 26 beidseitig kühlen. Die erste Batteriezelle 16 kann von dem Kühlkörper 32 der selben Batteriezellengruppe 14 an einer Stirnseite über die erste Wärmeleitschicht 22 und vorzugsweise an der anderen Stirnseite von einem Kühlkörper einer vorgeschalteten Batteriezellengruppe über deren zweite Wärmeleitschicht und deren in dieser Situation nicht geheizten Heizkörper gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016868 A1 [0002]
