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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriekomponente für eine Batterieeinrichtung eines wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit wenigstens einer Temperiereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriekomponente.
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Der Einsatz von Hochvolt-Batterien in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen erfordert üblicherweise auch eine Regelung der thermischen Betriebsbedingungen. Der Kühlung der Batteriezellen bzw. Batteriemodule kommt häufig eine besondere Bedeutung zu, da das Abrufen der gespeicherten Energie und auch das Aufladen eine erhebliche Wärmeentwicklung hervorrufen. Eine optimale Temperierung der Batterie ist daher für einen zuverlässigen und beständigen Betrieb sehr entscheidend.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Kühlmöglichkeiten von Batteriezellen in einer Batterie bekannt geworden. Häufig werden dazu Kühlkanäle eingesetzt, in denen ein Kühlmedium zirkuliert. Für einen guten Wärmeübergang müssen die Kühlkanäle entlang der Batteriezellen bzw. der zu kühlenden Bauteile verlaufen. Das führt allerdings häufig zu einem sehr hohen Verbrauch an Bauraum, welcher besonders in Kraftfahrzeugen nur sehr begrenzt zur Verfügung steht. Daher werden die Kühlkanäle oft nur an bestimmten Bereichen an die Batteriemodule angebunden. Das hat allerdings den Nachteil, dass die nutzbare Fläche für den Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und zu kühlender Batteriezelle stark eingeschränkt ist.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Temperierung und insbesondere die Kühlung von Batteriebauteilen einer Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriekomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 13. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Die erfindungsgemäße Batteriekomponente ist insbesondere für eine Batterieeinrichtung eines wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs vorgesehen. Die Batteriekomponente umfasst wenigstens eine Temperiereinrichtung. Die Temperiereinrichtung ist wenigstens teilweise von wenigstens einem Wärmeträgerfluid zur Temperierung und insbesondere zur Kühlung wenigstens eines Batteriebauteils durchströmbar. Dabei umfasst die Temperiereinrichtung wenigstens eine wenigstens teilweise poröse Körpereinrichtung. Die poröse Körpereinrichtung weist eine Vielzahl von Poren auf, welche von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar sind. Durch die poröse Körpereinrichtung ist eine vergrößerte Oberfläche für einen Wärmeaustausch mit dem Batteriebauteil bereitstellbar.
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Die erfindungsgemäße Batteriekomponente hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil ist, dass das Wärmeträgerfluid zum Wärmeaustausch durch eine wenigstens teilweise poröse Körpereinrichtung strömt. Beim Durchströmen eines solchen porösen Körpers ist die am Wärmeaustausch beteiligte Fläche im Vergleich zu seinem Volumen bzw. seiner äußeren Oberfläche extrem groß. Dadurch ist ein besonders guter Wärmeaustausch zwischen dem zu temperierenden Batteriebauteil und dem Wärmeträgerfluid möglich. Die erfindungsgemäße Batteriekomponente ist somit besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn nur wenig nutzbare Fläche für den Wärmeübergang zwischen Wärmeträgerfluid und Batteriebauteil zur Verfügung steht. Das ist z. B. bei Hochvolt-Batterien in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen der Fall, für die oft nur ein sehr begrenzter Bauraum bereitgestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Batteriekomponente hat somit auch den Vorteil, dass durch ihren Einsatz ein erhebliches Maß an Bauraum eingespart werden kann.
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Die Körpereinrichtung wird vorzugsweise durch einen einzelnen porösen Körper zur Verfügung gestellt. Bevorzugt ist die Körpereinrichtung als ein einstückiger poröser Körper ausgebildet. Dieser ist z. B. aus einem porösen Werkstoff gefertigt. Die Körpereinrichtung kann aber auch aus zwei oder mehr porösen Körpern gebildet werden. Besonders bevorzugt wird die Körpereinrichtung dann aus einer Vielzahl einzelner und gegenüber der Körpereinrichtung erheblich kleinerer poröser Körper gebildet. Die Körpereinrichtung kann aus einer Vielzahl granulatartiger und beispielsweise kugelförmiger poröser Körper zusammengefügt sein. Die einzelnen Körper können dabei miteinander verbunden sein. Vorzugsweise ist eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen, zum Beispiel eine Klebeverbindung.
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Das Wärmeträgerfluid ist vorzugsweise flüssig ausgebildet. Dabei befindet sich das Wärmeträgerfluid bevorzugt in einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen und insbesondere fluiddichten Strömungssystem. Das Wärmeträgerfluid kann auch gasförmig ausgebildet sein. Es ist möglich, dass das Wärmeträgerfluid in einem wenigstens teilweise gegenüber der Umgebung offenen Strömungssystem eingesetzt wird. Als gasförmiges Wärmeträgerfluid kann beispielsweise Luft vorgesehen sein.
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Besonders bevorzugt stehen die Poren wenigstens teilweise untereinander in Strömungsverbindung. Insbesondere sind die Poren so untereinander in Verbindung gesetzt, dass sich in der Körpereinrichtung vielfach verzweigende Strömungskanäle ergeben. Ein Strömungskanal stellt vorzugsweise einen abgeschlossenen Raum zur Verfügung, sodass das Wärmeträgerfluid nur an bestimmten Schnittstellen aus der Körpereinrichtung entweichen kann. Insbesondere ist die Körpereinrichtung offenzellig ausgebildet, sodass die einzelnen Poren wenigstens teilweise untereinander in Verbindung stehen. Insbesondere weist jede Pore wenigstens eine und vorzugsweise zwei und besonders bevorzugt eine Vielzahl an Strömungsverbindungen zu anderen Poren auf. Die Strömungskanäle verlaufen insbesondere wenigstens teilweise nicht parallel zueinander und/oder sind nicht linear zueinander angeordnet. Bevorzugt ist eine labyrinthartige Verteilung der Strömungskanäle vorgesehen. Dadurch entstehen vielfach verzweigende Strömungskanäle, welche zu einem erheblichen Teil untereinander in Strömungsverbindung stehen. So kann eine besonders große Kontaktfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung gestellt werden.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Körpereinrichtung wenigstens teilweise aus einem Metallwerkstoff und insbesondere aus einem Metallschaum gebildet ist. Insbesondere wird ein offenzelliger bzw. offenporiger Metallschaum eingesetzt. Metallschäume eignen sich für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Batteriekomponente besonders vorteilhaft. Zum einen bieten Metallschäume eine geeignete Permeabilität für das Wärmeträgerfluid. Metallschäume weisen zudem in der Regel eine vorteilhafte thermische Leitfähigkeit auf. Zudem sind Metallschäume mit einer entsprechend hohen Biegesteifigkeit und einem besonders günstigen Elastizitätsmodul verfügbar, sodass ihre Verwendung neben den thermischen auch konstruktive Vorteile bringt, beispielsweise für das Crashverhalten der Batteriekomponente. Ein weiterer Vorteil von Metallschäumen ist, dass diese in bestimmten Ausgestaltungen auch mit einer geschlossenen Außenhülle verfügbar sind, sodass ein unerwünschter Austritt des Wärmeträgerfluids an einer Außenseite der Körpereinrichtung ohne größeren konstruktiven Aufwand erzielbar ist.
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Möglich sind auch andere geeignete, offenzellige Werkstoffe, welche über eine entsprechende Permeabilität für das Wärmeträgerfluid verfügen. Möglich ist, dass die Körpereinrichtung wenigstens teilweise aus einem Keramikschaum und/oder aus einem mineralischen Werkstoff und/oder aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist. Möglich sind auch Sinterwerkstoffe. Insbesondere ist die poröse Körpereinrichtung als ein Schaumkörper und vorzugsweise als ein geschäumter Festkörper ausgebildet. Die Körpereinrichtung kann auch als ein wabenartiger Körper ausgebildet sein.
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Es ist bevorzugt, dass die Körpereinrichtung wenigstens abschnittsweise von wenigstens einer geschlossenen Außenhülle umgeben ist. Dabei ist die Außenhülle dazu geeignet und ausgebildet, die Körpereinrichtung in Bezug auf das Wärmeträgerfluid gegenüber der Umgebung abzudichten. Dadurch kann ein ungewollter Austritt des Wärmeträgerfluids aus dem porösen Körper verhindert werden. Insbesondere ist die Außenhülle an wenigstens einer Schnittstelle mit wenigsten einer Öffnung versehen. Beispielsweise erfolgt an der Schnittstelle ein Anschluss an ein Leitungssystem der Temperiereinrichtung für die Zufuhr und/oder Abfuhr des Wärmeträgerfluids.
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Es ist bevorzugt, dass die Außenhülle durch die Körpereinrichtung selbst bereitgestellt wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Außenhülle aus dem gleichen Werkstoff wie der poröse Körper gebildet ist. Insbesondere sind die Außenhülle und die Körpereinrichtung einstückig ausgebildet. Bevorzugt sind die Poren an einer Außenseite der porösen Körpereinrichtung fluiddicht verschlossen. Die poröse Körpereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, einen Abschnitt einer insbesondere fluiddichten Strömungsverbindung für das Wärmeträgerfluid zur Verfügung zu stellen. Eine derart ausgebildete Körpereinrichtung kann beispielsweise direkt als ein Leitungsabschnitt in ein Leitungssystem der Temperiereinrichtung eingesetzt werden. Ein Einbringen der Körpereinrichtung in ein Rohr oder einen Kanal ist somit nicht nötig, sodass Zeit und Kosten bei der Herstellung eingespart werden können. Eine Körpereinrichtung, welche die fluiddichte Außenhülle selbst bereitstellt, kann besonders gut durch einen Metallschaum realisiert werden. Bei der Herstellung wird die geschlossene Außenhülle beispielsweise an einer das Ausgangsmaterial des Metallschaums begrenzenden Werkzeuggeometrie gebildet.
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Es ist möglich, dass die Körpereinrichtung als ein Formteil ausgestaltet ist. Insbesondere ist das Formteil dazu geeignet und ausgebildet, wenigstens teilweise an wenigstens zwei Seitenflächen des zu temperierenden Batteriebauteils angelegt zu werden und vorzugsweise formschlüssig angelegt zu werden. Ein solches Formteil stellt eine besonders große Kontaktfläche für den Wärmeübergang zwischen Batteriebauteil und porösem Körper zur Verfügung. Durch eine dreidimensionale Anpassung an das zu temperierende Batteriebauteil kann ein solches Formteil auch unter sehr beengten Bauraumverhältnissen optimal untergebracht werden.
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Vorzugsweise ist das Formteil an wenigstens drei und insbesondere an einer Mehrzahl von Seitenflächen des Batteriebauteils formschlüssig anlegbar. Es kann für ein formschlüssiges Anliegen auch vorgesehen sein, dass zwischen dem Formteil und dem zu temperierenden Batteriebauteil wenigstens abschnittsweise ein Spalt verbleibt. Dort können beispielsweise weitere Bauteile vorgesehen sein. Beispielsweise ist das Formteil an eine Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul und/oder ein Gehäuse dieser Bauteile angepasst und formschlüssig anlegbar. Besonders bevorzugt ist, dass eine fluiddichte Außenhülle durch das Formteil selbst bereitgestellt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Formteil Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, welche in entsprechend gegenteilig ausgeformte Bereiche des Batteriebauteils eingreifen. Möglich ist, dass das Formteil wenigstens eine Tasche umfasst, in welche wenigstens ein Abschnitt der zu kühlenden Batteriebauteile eingebettet ist.
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Es ist möglich, dass die Außenhülle durch wenigstens ein hohles Bauelement und insbesondere durch wenigstens ein Hohlprofil bereitgestellt wird. Die Außenhülle kann auch wenigstens ein hohles Bauelement und/oder ein Hohlprofil umfassen. Insbesondere ist die Körpereinrichtung in einen Hohlraum des Bauelements bzw. des Profils eingebettet. Vorzugsweise wird der Hohlraum dabei im Wesentlichen vollständig und insbesondere vollständig von der Körpereinrichtung ausgefüllt. Dadurch kann ein besonders guter Wärmeübergang ermöglicht werden. Bei der Herstellung wird beispielsweise die poröse Körpereinrichtung oder ein Grundkörper in ein solches Hohlprofil bzw. hohles Bauelement eingeführt.
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Möglich ist auch, dass eine gezielte Ausnehmung in einem Bauelement vorgesehen ist, in welche die poröse Körpereinrichtung untergebracht wird. Möglich ist auch, dass die poröse Körpereinrichtung in einem wenigstens teilweise hohlen Bauelement aufgenommen ist, welches wenigstens teilweise an wenigstens zwei Seitenflächen des zu temperierenden Batteriebauteils formschlüssig anlegbar ist. Solche Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass Körpereinrichtungen einsetzbar sind, welche selbst keine fluiddichte Außenhülle aufweisen.
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Möglich ist auch, dass die Außenhülle durch wenigstens zwei zusammenfügbare Bauelemente bereitgestellt wird. Als zusammenfügbare Bauelemente können beispielsweise Platten und/oder Träger und/oder Profile und/oder andere konstruktive Bauelemente vorgesehen sein. Es ist möglich, dass die Außenhülle durch wenigstens zwei verschiedene Bauelemente bereitgestellt wird. Möglich ist auch, dass die Außenhülle durch gleichartige Bauelemente bereitgestellt wird. Beispielsweise werden ein Teil der Außenhülle durch Platten und ein anderer Teil der Außenhülle durch Träger und/oder Profile bereitgestellt. Die zusammenfügbaren Bauelemente können auch Ausnehmungen und/oder Erhebungen aufweisen, welche die Außenhülle wenigstens teilweise bereitstellen. Beispielsweise kann eine Platte vorgesehen sein, in welcher Ausfräsungen eingebracht sind, in welche die poröse Körpereinrichtung aufnehmbar ist. Die Herstellung einer solchen Komponente kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein geteilter Hohlkörper mit der porösen Körpereinrichtung gefüllt und danach verschlossen wird.
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Bevorzugt ist die Körpereinrichtung an wenigstens einer Trägerplatte Wärme leitend angebunden. An der Trägerplatte ist insbesondere auch das zu temperierende Batteriebauteil angeordnet. Beispielsweise sind oberhalb der Trägerplatte eine oder mehrere Batteriezellen Wärme leitend angebunden, sodass deren Wärme durch eine unterhalb der Trägerplatte angeordnete Körpereinrichtung bzw. ein darin fließendes Wärmeträgerfluid abführbar ist. Dabei ist möglich, dass die Körpereinrichtung zwischen zwei oder mehr Trägerplatten eingebunden ist. Beispielsweise kann die Körpereinrichtung zwischen einer Trägerplatte für die zu temperierenden Batteriebauteile und einer Unterbodenplatte zum mechanischen Schutz der Batterieeinrichtung angeordnet sein. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft bei einer Batterieeinrichtung, welche als Unterbodenbatterie vorgesehen ist.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Körpereinrichtung wenigstens teilweise als eine strukturmechanische Baueinheit zur Aussteifung der Batterieeinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere ist die strukturmechanische Baueinheit dazu geeignet und ausgebildet, einen Beitrag zum Crashverhalten und/oder einen Beitrag zur Gesamtsteifigkeit der Batterieeinrichtung beizutragen. Besonders bevorzugt ist die Körpereinrichtung dabei als ein Metallschaum ausgebildet, da solche Metallschäume besonders günstige strukturmechanische Eigenschaften aufweisen.
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Die Batteriekomponente ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, in einer Unterbodenbatterie eingesetzt zu werden. Besonders bevorzugt ist die poröse Körpereinrichtung als eine strukturmechanische Baueinheit zur Aussteifung der Unterbodenbatterie ausgebildet. Insbesondere trägt eine solche Unterbodenbatterie zur Gesamtkarosseriesteifigkeit des Trägerfahrzeugs bei.
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Die Temperiereinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, eine Vielzahl von Batteriezellen zu temperieren und insbesondere zu kühlen. Möglich ist auch, dass die Batteriezellen durch die Temperiereinrichtung erwärmbar sind. Dabei kann wenigstens ein Teil der Batteriezellen in wenigstens einem Batteriemodul zusammengefasst sein. Beispielsweise sind jeweils mehrere Batteriezellen gruppenweise zu Batteriemodulen angeordnet. Dabei ist die Temperiereinrichtung insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, die Batteriemodule zu temperieren und insbesondere zu kühlen. Da bei Batteriezellen bzw. Batteriemodulen oft eine erhebliche Wärmeentwicklung auftritt, ist eine Kühlung mit der erfindungsgemäßen Batteriekomponente besonders vorteilhaft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Batteriekomponente für eine Batterieeinrichtung eines wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Die Batteriekomponente umfasst dabei wenigstens eine Temperiereinrichtung, welche wenigstens teilweise von wenigstens einem Wärmeträgerfluid zur Temperierung wenigstens eines Batteriebauteils durchströmbar ist. Dabei wird bei der Herstellung wenigstens eine wenigstens teilweise poröse Körpereinrichtung mit einer Vielzahl durchströmbarer Poren gefertigt. Die poröse Körpereinrichtung wird in wenigstens eine Strömungsverbindung mit der Temperiereinrichtung gebracht, sodass die Poren mit dem Wärmeträgerfluid durchströmbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine Batteriekomponente kostengünstig und unaufwendig herstellbar ist, welche eine besonders effiziente Temperierung von Batteriebauteilen ermöglicht. Insbesondere wird eine poröse Körpereinrichtung gefertigt, welche wie zuvor beschrieben ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise wird die Körpereinrichtung wenigstens teilweise aus granulatartigen Grundkörpern gefertigt. Als Grundkörper sind vorzugsweise Metallschaumkugeln vorgesehen. Dabei wird eine Permeabilität der Poren für das Wärmeträgerfluid durch die Größe eines Querschnitts der eingesetzten Grundkörper eingestellt. Möglich ist auch, dass die Permeabilität der Poren durch eine Form der Grundkörper eingestellt wird. Beispielsweise sind die Grundkörper kugelartig ausgebildet, sodass die Permeabilität der Poren durch eine Auswahl ihres Durchmessers eingestellt werden kann. Beispielsweise werden Grundkörper eingesetzt, welche sich in ihrer Größe unterscheiden und insbesondere um mehr als 25 %, und vorzugsweise um mehr als 50 % oder auch um ein Mehrfaches in ihrer Größe unterscheiden. Die Permeabilität der Poren kann aber auch durch die Porengröße selbst und/oder durch einen Abstand der Poren zueinander und/oder durch die Anzahl der Strömungsverbindungen zwischen den Poren untereinander eingestellt werden.
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Vorzugsweise werden die Grundkörper über eine Haftvermittlungsschicht miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Grundkörper mit wenigstens einem Klebstoff überzogen. Möglich ist auch eine andere stoffschlüssige oder auch eine lose Verbindung. Die Grundkörper können auch wenigstens teilweise an Kontaktstellen miteinander verschweißt werden. Dabei kann zuvor ein Aufschmelzen der Grundkörper erfolgen. Dadurch kann aus den Grundkörpern besonders einfach eine entsprechend ausgeformte poröse Körpereinrichtung hergestellt werden. Beispielsweise werden die Grundkörper dazu in eine Form gegeben und miteinander verbunden. Anschließend kann die Form entfernt werden. Dabei werden vorzugsweise Grundkörper eingesetzt, welche nach dem Entfernen der Form eine geschlossene und insbesondere fluiddichte Außenhülle gewährleisten. Möglich ist aber auch, dass die Grundkörper in eine Form, beispielsweise ein Hohlprofil, eingebracht werden und über wenigstens einen Aktivierungsschritt mit dieser verbunden werden. In einem solchen Fall wird die Außenhülle durch die Form zur Verfügung gestellt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche mit Bezug auf die beiliegende Figur im Folgenden erläutert werden.
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Darin zeigt
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1 eine stark schematische Darstellung einer Batterieeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Batteriekomponente in einem Kraftfahrzeug;
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2 eine stark schematische Darstellung einer Batterieeinrichtung mit einer Batteriekomponente in einer geschnittenen Seitenansicht;
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3 eine weitere Ausgestaltung einer Batteriekomponente; und
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4 eine andere Ausgestaltung einer Batteriekomponente.
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Die 1 zeigt ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug 100, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Batteriekomponente 1. Die Batteriekomponente 1 umfasst eine Temperiereinrichtung 3 zur Temperierung einer Batterieeinrichtung 2, welche einen elektrischen Fahrantrieb 102 des Fahrzeugs 100 mit Energie versorgt. Die Batterieeinrichtung 2 ist hier in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs 100 angeordnet und als eine Unterbodenbatterie 22 ausgebildet.
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Die Batterieeinrichtung 2 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 12, von denen zur besseren Übersichtlichkeit nur einige exemplarisch eingezeichnet sind. Die Batteriezellen 12 können gruppenweise in Batteriemodulen 32 organisiert sein, von denen zur besseren Übersichtlichkeit nur ein Batteriemodul 32 dargestellt ist. Die Batterieeinrichtung 2 verfügt zudem über eine Leistungselektronik 101. Die Batterieeinrichtung 2 kann noch weitere Bauteile 12 umfassen, wie zum Beispiel eine Steuereinrichtung und/oder ein Ladegerät.
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Um die Batterieeinrichtung 2 unter optimalen Temperaturbedingungen betreiben zu können, werden bestimmte Batteriebauteile 12 mit der Temperiereinrichtung 3 gekühlt und/oder erwärmt. Vorzugsweise dient die Temperiereinrichtung 3 zum Kühlen der Batteriezellen 12 während des Fahrbetriebs. Es kann auch eine Kühlung der Batteriezellen 12 während Ladevorgängen oder anderer Betriebszustände vorgesehen sein. Die Temperiereinrichtung 3 kann auch dazu vorgesehen sein, bestimmte Batteriebauteile 12 zu erwärmen, beispielsweise um diese in einer kalten Umgebung auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu bringen.
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Die Temperiereinrichtung 3 umfasst ein Leitungssystem 13, welches von einem flüssigen Wärmeträgerfluid durchströmbar ist. Es kann auch ein gasförmiges Wärmeträgerfluid vorgesehen sein. Zur Kühlung wird den jeweiligen Batteriebauteilen 12 Wärme entzogen und auf das Wärmeträgerfluid übertragen. Das Leitungssystem 13 verläuft entlang der zu temperierenden Batteriebauteile 12. In der hier gezeigten Batterieeinrichtung 2 verläuft beispielsweise ein Kühlkanal unterhalb der zu kühlenden Batteriezellen 12 bzw. des Batteriemoduls 32.
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Zur Förderung des Wärmeträgerfluids kann eine Pumpeneinrichtung vorgesehen sein. Es kann auch eine passive Förderung des Wärmeträgerfluids vorgesehen sein. Zur Abkühlung des erwärmten Wärmeträgerfluids kann die Temperiereinrichtung 3 auch einen Wärmetauscher umfassen. Der Wärmetauscher ist beispielsweise als ein Kühler mit einer Luft durchströmten Oberfläche vorgesehen. Zur Anpassung der Temperatur des Wärmeträgerfluids können wenigstens ein Thermostat und/oder wenigstens ein steuerbares Ventil oder weitere zur Regelung von Kühlmitteltemperaturen vorgesehene Einrichtungen umfasst sein.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriekomponente 1 ist, dass das Wärmeträgerfluid eine oder mehrere poröse Körpereinrichtungen 5 durchströmt. Die poröse Körpereinrichtung 5 umfasst eine Vielzahl von Poren, welche untereinander in Strömungsverbindung stehen. Dadurch ergeben sich vielfach verzweigende Strömungskanäle innerhalb der Körpereinrichtung 5. Somit ist die am Wärmeübergang beteiligte Oberfläche im Vergleich zum Volumen besonders groß, wodurch ein optimaler Wärmeaustausch zwischen der Batteriezelle 12 und dem Wärmeträgerfluid bereitgestellt werden kann.
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Vorzugsweise sind daher im Leitungssystem 13 überall dort poröse Körpereinrichtungen 5 angeordnet, wo das Leitungssystem 13 entlang zu kühlender Bauteile 12 verläuft. Beispielsweise können unterhalb der zu temperierenden Batteriebauteile 12 mehrere durchströmte Körpereinrichtungen 5 angeordnet sein. Möglich ist aber auch, dass unterhalb mehrerer zu temperierender Batteriebauteile 12 entsprechend großflächige Körpereinrichtungen 5 angeordnet sind.
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Die poröse Körpereinrichtung 5 ist hier beispielhaft als ein Metallschaum 25 ausgebildet. Solche Metallschäume 25 bieten eine sehr vorteilhafte thermische Leitfähigkeit und weisen zudem vorteilhafte konstruktive Eigenschaften auf, sodass die poröse Körpereinrichtung 5 vorzugsweise auch zur Stabilität der Batterieeinrichtung 2 beiträgt.
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Um einen Austritt des Wärmeträgerfluids aus der porösen Körpereinrichtung 5 zu unterbinden, ist dieser hier in ein hohles Bauelement und beispielsweise in ein Hohlprofil 3 351 eingebettet. Das Hohlprofil 351 und die eingebettete Körpereinrichtung 5 sind mit dem restlichen Leitungssystem 13 strömungsverbunden. Möglich und bevorzugt ist aber auch, dass die Körpereinrichtung 5 und beispielsweise ein Metallschaum 25 eine geschlossene Außenhülle 35 aufweist, sodass diese direkt als ein Leitungsabschnitt im Leitungssystem 13 eingebunden werden können.
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In der 2 ist ein stark schematisierter Ausschnitt einer Batterieeinrichtung 2 mit einer Batteriekomponente 1 gezeigt. Zur Befestigung der Batteriebauteile 12 verfügt die Batterieeinrichtung 2 hier über eine Aufnahmestruktur, welche eine Trägerplatte 352 umfasst. Auf der Trägerplatte 352 sind die Batteriezellen 12 angeordnet. Bevorzugt ist die Trägerplatte 352 aus einem Metallmaterial und beispielsweise als eine Aluminiumplatte ausgebildet. Eine solche Metallplatte ermöglicht einen besonders guten Wärmeübergang und bietet zudem einen großflächigen Wärmeaustausch. Zudem ermöglicht die Trägerplatte 352 eine zuverlässige und sichere Trennung der Batteriezellen 12 von dem Wärmeträgerfluid.
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Unterhalb der Trägerplatte 352 verläuft hier ein Abschnitt des Leitungssystems 13 der Temperiereinrichtung 3. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids ist hier durch Pfeilspitzen skizziert. So kann die Wärme der Batteriezellen 12 über die Trägerplatte 352 besonders gut auf die Körpereinrichtung 5 übertragen und mit dem Wärmeträgerfluid abgeführt werden.
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Die poröse Körpereinrichtung 5 verfügt hier über eine sehr große Zahl an Poren 15, welche zur besseren Übersichtlichkeit stark vergrößert und schematisiert dargestellt wurden. Daher sind hier nicht die tatsächlichen Größenverhältnisse wiedergegeben. Die poröse Körpereinrichtung 5 ist offenporig ausgestaltet, sodass die Poren 15 untereinander in Strömungsverbindung stehen. Dadurch ergibt sich ein weitläufiges Netz an sich vielfach verzweigenden Strömungskanälen für das Kühlmittel.
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Die poröse Körpereinrichtung 5 verfügt über eine Außenhülle 35, die ein Austreten des Wärmeträgerfluids aus dem Leitungssystem 13 vermeidet. Die Außenhülle 35 wird hier von mehreren Bauelementen 352, 353 bereitgestellt. Eine Abgrenzung zu den Batteriezellen 12 erfolgt über die Trägerplatte 352. Die Abgrenzung zu einer Unterseite der Batterieeinrichtung erfolgt über eine Unterbodenplatte 353. Die seitlichen Eingrenzungen der Außenhülle 35 sind in der hier gezeigten Schnittdarstellung nicht eingezeichnet und werden durch weitere konstruktive Bauelemente zur Verfügung gestellt, beispielsweise durch Träger oder Profile.
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Die Unterbodenplatte 353 dient vorzugsweise als Schutz vor Einwirkungen, welche von der Bodenseite des Fahrzeugs 100 ausgehen. Die Unterbodenplatte 353 bildet vorzugsweise auch eine Isolationsschicht, die einen ungewollten thermischen Austausch des Wärmeträgerfluids mit der Umgebung minimiert (externe Wärme zum Beispiel im Sommer bzw. Kälte im Winter). Die Unterbodenplatte 353 kann z. B. eine luftgefüllte bzw. gasgefüllte oder eine unter Vakuum stehende Kammer ausbilden, wodurch die Wärmeleitung aus der porösen Kühleinrichtung in bzw. aus der Umgebung minimiert werden kann. In einer Ausgestaltung kann die Platte 353 aus einem schichtweisen Aufbau aus verschiedenen Isolatoren bestehen. Als Isolatoren können beispielsweise Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden, wie z. B. Polyethylenfasern, Polyesterfasern und insbesondere Polyamidfasern und/oder Aramidfasern. Es können auch Glasfasern und/oder Keramikfasern eingesetzt werden. Bevorzugt werden Faserwerkstoffe mit einer entsprechend hohen Zähigkeit ausgewählt. So kann zusätzlich noch eine Impact stoppende Wirkung erreicht werden (wie z. B. bei ballistischen Westen bzw. Panzerungen). Als Isolatoren und/oder Verstärkungen bzw. Panzerungen können auch thermoplastische Matrices in Kombination mit geeigneten und vorzugsweise mit den zuvor genannten Faserwerkstoffen verwendet werden. Eine derart ausgestaltete Unterbodenplatte 353 erfüllt die oben genannten Anforderungen besonders gut.
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Alternativ zu einer separaten und z. B. durch Bauelemente 352, 353 bereitgestellten Außenhülle 35 kann die Außenhülle 35 auch durch die Körpereinrichtung 5 selbst bereitstellt werden. Dazu kann beispielsweise ein Metallschaum 25 eingesetzt werden, welcher an den Außenseiten über verschlossene Poren verfügt. Dabei kann zusätzlich noch eine Unterbodenplatte 353 zum Einsatz kommen, z. B. zur Isolierung und/oder als Schutz vor mechanischen Einwirkungen. Zusätzlich zu der selbst bereitgestellten Außenhülle 35 der Körpereinrichtung 5 können auch weitere Bauelemente 352, 353 vorgesehen sein. Eine Anbindung an das Leitungssystem 13 der Temperiereinrichtung 3 erfolgt dann z. B. durch gezielte Öffnungen im Körper 5.
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Die poröse Körpereinrichtung 5 ist hier zudem als eine strukturmechanische Baueinheit 55 ausgebildet, welche zur Aussteifung der Batterieeinrichtung 2 vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist die poröse Körpereinrichtung 5 dabei als ein Metallschaum 5 und 20 ausgebildet, da Metallschäume eine besonders hohe Biegesteifigkeit sowie einen entsprechend hohen E-Modul aufweisen. Dadurch trägt die poröse Körpereinrichtung 5 bei einem Crash zum Schutz der Batteriebauteile 12 und insbesondere der Batteriezellen 12 bei. Die erfindungsgemäße Batteriekomponente 1 bietet daher auch strukturmechanische Vorteile gegenüber hohlen Rohrleitungen.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt einer Batterieeinrichtung 2 mit einer Batteriekomponente 1, bei der die poröse Körpereinrichtung 5 als ein Formteil 45 ausgestaltet ist. Das Formteil 45 ist hier an die Form der zu kühlenden Batteriezelle 12 angepasst. Das Formteil 45 kann auch an die Außenkonturen anderer Batteriebauteile 12 und beispielsweise eines Batteriemoduls 32 angepasst sein. Durch das formschlüssige Anliegen an der Batteriezelle 12 wird ein besonders guter Wärmeübergang auf den porösen Körper und somit auf das Wärmeträgerfluid erreicht.
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In der hier gezeigten Ausgestaltung umgibt das Formteil 45 die Batteriezelle 12 an mehreren Seitenflächen 121–123. Das Formteil 45 umgreift die Batteriezelle 12 u-förmig, sodass es an der Unterseite 121 und an den beiden an die Unterseite 121 angrenzenden Seitenflächen 122, 123 formschlüssig anliegt. Es können Ausgestaltungen vorgesehen sein, bei denen das Formteil 45 auch die Querseiten und/oder die Oberseite wenigstens teilweise bedeckt. Es kann auch eine vollflächige Bedeckung bestimmter oder aller Seitenflächen 121–123 vorgesehen sein.
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Das hier gezeigte Formteil 45 weist eine Außenhülle 35 auf, welche aus dem gleichen Werkstoff wie das Formteil 45 selbst besteht und welche einstückig mit diesem ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Formteil 45 dazu aus einem Metallschaum 25 mit einer geschlossenen Deckschicht gefertigt. Dadurch wird die Außenhülle 35 durch das Formteil 45 bzw. die Körpereinrichtung 5 selbst bereitgestellt. Somit kann auf eine Einbettung in eine separate Außenhülle 45 verzichtet werden, was besonders bei komplexen Formteilen 45 den Herstellungsaufwand erheblich reduziert. Möglich ist aber auch, dass das Formteil 45 in eine separate Außenhülle 35 eingebettet ist, beispielsweise in ein hohles Profil.
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In der 4 ist eine poröse Körpereinrichtung 5 einer Batteriekomponente 1 dargestellt, welche aus Grundkörpern 65, 75 zusammengefügt ist. Die Grundkörper 65, 75 weisen an ihrer Außenseite eine Haftvermittlungsschicht 650 auf. Dabei sind die Grundkörper 65, 75 erheblich kleiner als hier dargestellt und weisen beispielsweise Abmessungen im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich auf. So können durch Zusammenfügen der Grundkörper 65, 75 entsprechend komplex ausgestaltete Körpereinrichtungen 5 gefertigt werden.
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Dabei können Grundkörper 65, 75 eingesetzt werden, welche über unterschiedliche Querschnitte bzw. unterschiedliche Durchmesser verfügen. So kann die Permeabilität der Körpereinrichtung 5 durch eine gezielte Auswahl bezüglich der Größe bzw. des Querschnitts der Grundkörper 65, 75 eingestellt werden. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Körpereinrichtung 5 aus granulatartigen und im Wesentlichen kugelförmigen Grundkörpern 65 gefertigt, wobei Grundkörper mit größerem Durchmesser 65 und mit kleinerem Durchmesser 75 eingesetzt wurden.
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Die hier vorgestellten Batteriekomponenten wurden vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt. Dabei werden zunächst die porösen Körpereinrichtungen 5 gefertigt und anschließend mit dem Leitungssystem 13 der Temperiereinrichtung 3 in Strömungsverbindung gesetzt. Die Permeabilität der Poren 15 für das Wärmeträgerfluid wird dabei über die eingesetzten Grundkörper 65, 75 eingestellt. Wie in der 4 dargestellt, können dazu kugelartige Grundkörper 65, 75 mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden.
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Die Fertigung der Außenhülle 35 kann durch verschiedene Verfahrensschritte erfolgen. Beispielsweise kann die Körpereinrichtung 5 in ein Bauelement 351–353 eingesetzt werden, welches die Außenhülle 35 bereitstellt. Dazu wird die Körpereinrichtung 5 zum Beispiel in ein Hohlprofil 351 eingesetzt. Möglich ist auch, dass die Körpereinrichtung 5 in einen geteilten Hohlkörper eingebracht wird, welcher danach verschlossen wird. Die Körpereinrichtung 5 kann auch zwischen zwei oder mehr Bauelemente 352, 353 eingesetzt werden, welche anschließend zu einer geschlossenen Außenhülle 35 verbunden werden.
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Die Außenhülle 35 kann allerdings auch durch die poröse Körpereinrichtung 5 selbst zur Verfügung gestellt werden. Dazu kann beispielsweise bei der Herstellung eines Metallschaums 25 die Außenhülle 35 an der den Schaumkörper begrenzenden Werkzeuggeometrie (Hüllform) entstehen. Dieser Verfahrensschritt ist besonders vorteilhaft bei der Ausgestaltung komplexer Formteile 45.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Körpereinrichtung 5 aus einer Vielzahl von granulatartigen Grundkörpern 65, 75 und insbesondere Metallschaumkugeln zusammengefügt. Die Grundkörper 65, 75 sind insbesondere mit einer Haftvermittlungsschicht 650 und beispielsweise einem Klebstoff überzogen. Es ist auch möglich, dass die Grundkörper 65, 75 und vorzugsweise Metallschaumkugeln durch gezielte Wärmezufuhr wenigstens teilweise angeschmolzen werden, sodass diese an ihren Kontaktstellen miteinander verschweißt werden. Diese Grundkörper 65, 75 werden dann beispielsweise in Hohlprofile 351 oder andere geeignete Bauelemente 351–353 eingebracht. Über einen geeigneten Aktivierungsschritt werden die Grundkörper 65, 75 dann mit dem die Außenhülle 35 bereitstellenden Bauelementen 351–353 verbunden. Die Grundkörper 65, 75 können auch in entsprechend komplex ausgeformte Bauelemente 351–353 eingebracht werden, sodass sich gewünschte Formteile 45 erzeugen lassen.
