DE102017208890A1

DE102017208890A1 - Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit

Info

Publication number: DE102017208890A1
Application number: DE102017208890.7A
Authority: DE
Inventors: Claudius Rath; Falk Heitling; Philipp Grunden; Andreas Untiedt; Joachim Stumpfe
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2018-11-29
Also published as: WO2018215325A1

Abstract

Es wird ein Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, vorgeschlagen umfassend ein Gehäuse mit einem einen Gehäuseboden und Gehäusewandungen umfassenden Aufnahmeteil für Batteriemodule und mit einem das Aufnahmeteil verschließenden Deckelteil. Dabei ist eine ein Temperiermedium aufnehmende Temperiereinheit zur Temperierung der Batteriemodule vorgesehen. Die Temperiereinheit ist als separates Temperiermodul ausgebildet, welches zwischen dem Deckelteil des Gehäuses und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen und/oder zwischen dem Gehäuseboden und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen angeordnet ist

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem, Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere einer Energiespeichereinheit für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. Derartige Speichereinheiten umfassen ein Gehäuse mit einem einen Gehäuseboden sowie ein Gehäusewandungen umfassendes kistenartiges Aufnahmeteil und ein das Aufnahmeteil verschließendes Deckelteil. Dabei nimmt das Gehäuse eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf. Zur Temperierung derselben ist eine ein Temperiermedium aufnehmende Temperiereinheit vorgesehen, wobei die Temperiereinheit Anschlüsse zur Zuführung und Abführung des Temperiermediums aufweist.
In der DE 10 2009 013 651 A1 ist ein Kühlsystem zur aktiven Kühlung von Batteriezellen eines Energiespeichers beschrieben. Dieses System mit einem Kühlmittelzufluss, einem Kühlmittelabfluss sowie einem Kühlmittelverteiler umfasst Durchflussbegrenzungsglieder, um den Kühlmittelfluss entsprechend verteilen zu können.
Aus der DE 10 2011 010 664 A1 ist ein rohrförmiger Energiespeicher bekannt, der eine durchgehende Ausnehmung aufweist, die als Durchströmungskanal zur Kühlung des Energiespeichers fungiert.
Darüber hinaus beschreibt die DE 10 2014 202 162 A1 eine elektrische Energiespeichereinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und mit einer aktiven Kühleinrichtung. Dabei sind mehrere Batteriezellen auf dem Boden des Energiespeichergehäuses angeordnet. Zur Kühlung der Batteriezellen ist an einer den Batteriezellen abgewandten Außenwandfläche des Gehäusebodens ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmbares Kühlelement vorgesehen, welches an ein entsprechendes Kühlmittelleitungssystem angeschlossen ist. Der Gehäuseboden des Energiespeichergehäuses bildet dabei zugleich eine Wärmetauscherfläche für die Kühlflüssigkeit der außerhalb des Gehäuses, unterhalb des Gehäusebodens angeordneten Kühlelements.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit zu schaffen, welche bei möglichst kleiner und flacher Bauweise einen hohen Wärmetransport für ein hoch effizientes Thermomanagement ermöglicht.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass hierfür die Anzahl der Wärmedurchgänge und Wärmeübergänge möglichst gering gehalten werden sollte. Ferner ist Ziel der Erfindung ein Temperiersystem anzugeben, bei dem auf den Einsatz von Wärmeleitpasten und -klebern aus Kosten-, Gewichts- und Prozessgründen möglichst verzichtet werden soll.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Temperiersystem für eine Energiespeichereinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Temperiersystem umfasst ein insbesondere kistenartiges Gehäuse mit einem Aufnahmeteil für Batteriezellen - beziehungsweise aus einzelnen Batteriezellen (bevorzugt sogenannte Pouchzellen) aufgebauten Batteriemodulen - und einem das Aufnahmeteil dicht verschließenden Deckelteil. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Temperiersystem eine ein Temperiermedium aufnehmende Temperiereinheit zur Temperierung (insbesondere zum Kühlen oder Wärmen) der Batteriemodule, wobei die Temperiereinheit Anschlüsse zur Zuführung und Abführung des Temperiermediums aufweist, und wobei die Temperiereinheit als separates Temperiermodul ausgebildet ist, das zwischen dem Deckelteil des Gehäuses und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen und/oder zwischen dem Gehäuseboden und den im Gehäuse angeordneten Batteriemodulen angeordnet ist. Das Temperiersystem umfasst insbesondere ein Kühlsystem. Das Temperiermedium umfasst insbesondere ein Kühlmedium. Das Temperiermodul umfasst insbesondere ein Kühlmodul.
Auch wenn im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung vorrangig von einer Kühlung der Energiespeichereinheit bzw. von Batteriemodulen derselben die Rede ist, umfasst die Erfindung allgemein die Temperierung derselben - was im Einzelfall natürlich auch eine Erwärmung der Batteriemodule bedeuten kann. Durch die Erfindung soll ein hoch effizientes betriebsabhängiges Thermomanagement bei möglichst kompakter Bauform und möglichst geringem Gewicht ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau zum einen auf teure und aufwändig zu verarbeitende zusätzliche Wärmeleitkleber oder ähnliches verzichtet werden konnte und zum anderen durch die Integration in die Energiespeichereinheit als separates Temperiermodul eine hohe Bauraumdichte erreicht werden konnte. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Temperiermodul austauschbar ausgeführt in der Energiespeichereinheit anordenbar beziehungsweise angeordnet. Ein solches Temperiermodul kann dabei sowohl bodenseitig als auch deckelseitig in die Energiespeichereinheit integriert werden - bevorzugt ist zumindest deckelseitig ein solches Temperiermodul vorhanden.
Durch das Temperiermodul werden deckel- und/oder bodenseitig innerhalb der Energiespeichereinheit flächige Bauteile montiert, die den Bauraum zwischen Deckelteil und Batteriemoduloberfläche bei geschlossenem Deckelteil im Wesentlichen lückenfrei überbrücken. Hierfür kann das Temperiermodul auf seiner den Batteriemodulen zugewandten flächigen Seite derart flexibel ausgebildet sein, dass es sich in seiner Form im Wesentlichen lückenlos an die Oberfläche der zu temperierenden Batteriemodule anschmiegt beziehungsweise die Kontaktfläche zwischen Temperiermodul und Batteriemodul flächenmäßig optimiert. Die den Batteriemodulen zugewandte Bauteil- bzw. Temperiermodulseite ist mit Vorteil aus einem dünnwandigen Formteil in Form einer Folie oder eines Dünnblechs ausgeführt - besonders bevorzugt ist das Bauteil beziehungsweise die batteriemodulseitige Fläche des Temperiermoduls durch Tiefziehen hergestellt. Durch den Innendruck im Temperiersystem und damit im Temperiermodul selbst wird dafür gesorgt, dass bei allen vorgesehenen Betriebsbedingungen der Energiespeichereinheit die batteriemodulseitige dünne Wandfläche des Temperiermoduls im Wesentlichen vollflächig (d.h. mit der gesamten Kontaktfläche Temperiermodul/Batteriemodul) am zugeordneten Batteriemodul beziehungsweise dessen Kontaktfläche zum Temperiermodul am selbigen anliegt bzw. an dieses angeschmiegt ist.
Das Temperiermodul kann derart ausgeführt sein, dass jeweils ein einzelnes Batteriemodul, eine Batteriemoduluntergruppe mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen oder die gesamte Batteriemodulgruppe der Energiespeichereinheit zwecks Wärmeaustausch abdeckt.
Bevorzugt ist das Temperiermodul aus einer Mehrzahl von Einzeltemperiermodulen aufgebaut, die jeweils über Verbindungsleitungen für den Zu- beziehungsweise Abfluss des Temperiermediums miteinander verbunden sind und wobei jedem Einzeltemperiermodul ein entsprechendes Batteriemodul oder eine entsprechende Batteriemoduluntergruppe zugeordnet ist.
Das Temperiermodul sollte derart ausgeführt sein, dass es mit seiner flächigen, den Batteriemodulen zugekehrten Kontaktseite seitlich über diese hinausragt und dadurch eine im Hinblick auf Wärmeleitung optimierte Konstruktion darstellt.
Vorzugsweise weist das Temperiermodul beziehungsweise das jeweilige Einzeltemperiermodul in seiner flächigen, den Batteriemodulen zugekehrten Kontaktseite einen durch eine balgfederartige Ausgestaltung erzeugten Dehnungsbereich auf. Es ist sicher zu stellen, dass das Temperiermodul gas- beziehungsweise flüssigkeitsdicht ausgeführt ist. Hierfür wird das Temperiermodul vorzugsweise ausgebildet als aus einem kistenartigen Aufnahmeteil höherer Steifigkeit und einem dünnwandigem (hochfesten) Kontaktflächenteil gebildet, die mittels entsprechender Fügetechnik gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Bevorzugt kann hier die Verbindung mittels der Fügetechnik „Bördeln“ (wie es in der Herstellung von Blechkonservendosen bekannt ist) erfolgen.
Das Temperiermodul kann innerhalb der Energiespeichereinheit fixiert sein, indem es über Spannelemente - wie elastische Spannbänder oder nicht elastische, über Spannmittel verspannbare Spanngurte - mit den Batteriemodulen verbunden ist.
Das Temperiermodul ist vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, und/oder aus Metall, insbesondere einem korrosionsbeständigen oder beschichteten Stahl, und/oder aus einem Verbundmaterial, wie beispielsweise einem Sandwichelement, gefertigt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Energiespeichereinheit aufweisend das erfindungsgemäße Temperiersystem und insbesondere die Mehrzahl von Batteriemodulen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Draufsicht eines Temperiersystems mit einer Anordnung von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2 zeigt die schematische Draufsicht einer Temperiereinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Teilschnitt der Energiespeichereinheit gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Ausschnitt gemäß 3 mit einer vergrößerten Darstellung eines Details der Temperiereinheit gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht ein mögliches Funktionsprinzip am Beispiel der Kühlung eines Batteriemoduls gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In der folgenden Beschreibung eines bevorzugten möglichen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung als Temperiersystem für eine Energiespeichereinheit mit einer Temperiereinheit beschrieben, wobei diese Temperiereinheit jedoch derart ausgebildet ist, dass die über sie zu temperierenden Batteriemodule bei Bedarf gekühlt und/oder oder beheizt werden können.
In 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine exemplarische Anordnung von Batteriemodulen 1 in einem Gehäuse 2 einer Energiespeichereinheit gemäß einer möglichen Ausführung der Erfindung dargestellt. Dabei sind in einem wannen- oder kistenartigen Aufnahmeteil 20 mit einem Gehäuseboden 21 (siehe 3) und umfänglich schematisch dargestellten Gehäusewandungen 22 insgesamt drei Spalten mit jeweils zehn Batteriemodulen 1 - also insgesamt dreißig Batteriemodule 1 im dargestellten Gehäuse 2 einer Energiespeichereinheit angeordnet. Das Aufnahmeteil 20 wird dabei über ein Deckelteil 200 (siehe 3) verschlossen.
2 zeigt die durch eine Temperiereinheit 3 realisierte Temperiermittelversorgung der Energiespeichereinheit in schematischer Darstellung durch Draufsicht auf eine Temperiereinheit 3. Dabei ist die Temperiereinheit 3 in modularer Bauweise ausgeführt (TemperiermodulTemperiermodul) wobei jedem Batteriemodul 1 der Energiespeichereinheit ein separates Einzeltemperiermodul 30 der Temperiereinheit 3 zugeordnet ist. Die Einzeltemperiermodule 30 sind über Zulaufverbindungen Z und Ablaufverbindungen A, die jeweils den Zu- beziehungsweise Abfluss des Temperiermediums/-mittels gewährleisten, miteinander verbunden. Für die Zuführung des Temperiermittels sind die ersten Einzeltemperiermodule 30 einer jeden Spalte jeweils mit einem Zulaufanschluss ZA und sind die letzten Einzeltemperiermodule 30 einer jeden Spalte jeweils mit einem Ablaufanschluss AA verbunden. Durch den hierdurch geschaffenen Vorlauf von der einen Seite der Temperiereinheit 3 und den Rücklauf auf der gegenüberliegenden Seite der Temperiereinheit 3 ergeben sich im Wesentlichen gleiche Strömungswiderstände für alle angeschlossenen Einzeltemperiermodule 30 und damit wiederum eine gleichmäßige Temperierung (insbesondeung oder Erwärmung).
3 zeigt die Schnittdarstellung eines Ausschnittes beziehungsweise Teilbereichs einer Energiespeichereinheit in schematischer Darstellung. Dabei sind die einzelnen Batteriemodule 1 auf dem Gehäuseboden 21 des Gehäuses 2 der Energiespeichereinheit angeordnet und über zueinander beabstandete Querträger 23 räumlich voneinander getrennt beziehungsweise innerhalb des Gehäuses 2 fixiert. Durch die Querträger 23 werden dabei einzelne nach oben offene Batteriekästen zur Aufnahme der Batteriemodule 1 gebildet. Die Querträger 23 weisen mit Vorteil ein im Querschnitt gesehen trapezförmiges Profil auf, wodurch einerseits ein geführtes Einführen der Batteriemodule 1 in das Gehäuse 2 erleichtert wird und andererseits die Batteriemodule 1 bodenseitig positioniert und gegen seitliches Verrutschen gesichert werden. Auf der dem Deckelteil 200 zugewandten Seite ist zwischen den Batteriemodulen 1 und dem Deckelteil 200 eine Temperiereinheit 3 angeordnet. Die Temperiereinheit 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel analog zu 2 aus Einzeltemperiermodulen 30 aufgebaut, die über Zulaufverbindungen Z und Ablaufverbindungen A, in denen ein entsprechendes Temperiermedium geführt ist, thermisch miteinander verbunden sind. Jedes der Einzeltemperiermodule 30 (wobei im einfachsten Fall die Temperiereinheit 3 aus einem einzigen Temperiermodul 30 gebildet ist) weist ein vorzugsweise starr ausgebildetes wannenartiges Aufnahmeteil 31 auf, welches über ein flexibel und in seiner Formgebung anpassbares (anschmiegsames) Boden- oder Deckelteil 32 (im Folgenden als Deckelteil bezeichnet) gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Dabei bildet das Deckelteil 32 im montierten Zustand der Temperiereinheit 3 in der Energiespeichereinheit eine flexible Kontaktfläche (in der Art eines Wasserbettes) zu den Energiespeichermodulen 1. Wie dargestellt sind die Einzeltemperiermodule 30 derart bemessen, dass sie seitlich über die Abmessungen der Batteriemodule 1 hinaus ragen - also entsprechend größer bemessen sind, so dass ein Überstand gebildet wird durch den etwaige bauliche Toleranzen und/oder eine hierdurch bedingte Lagevarianz einzelner Batteriemodule 1 ausgeglichen werden kann, ohne Nachteile bei der Temperierung derselben hinnehmen zu müssen.
In 4 ist ein Ausschnitt gemäß 3 dargestellt, in dem der der Temperiereinheit 3 zugewandte Teil eines Batteriemoduls 1 nebst einem zugeordneten Einzeltemperiermodul 30 in Schnittdarstellung gezeigt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das flexible Deckelteil 32 bereichsweise als eine Art Faltenbalg ausgebildet. Hierdurch kann die Flexibilität beziehungsweise Anschmiegbarkeit des Deckelteils 32 weiter erhöht werden. Mit Vorteil ist das Deckelteil 32 an zwei gegenüberliegenden Seiten oder komplett umlaufend in einem Teilbereich 32a als Faltenbalg ausgebildet.
5 veranschaulicht stark schematisiert die Funktionsweise eines Einzeltemperiermoduls 30, wobei das selbige in gegenüberliegenden Randbereichen über eine Zulaufleitung (im dargestellten Beispiel links) mit einem Zulaufanschluss ZA und über eine Rücklauf- oder Ablaufleitung /im dargestellten Beispiel rechts) mit einem Ablaufanschluss AA verbunden ist. Im Inneren des Einzeltemperiermoduls 30 sind die Leitungen jeweils durchgehend ausgeführt und mantelseitig mit Löchern bzw. Bohrungen versehen, so dass innerhalb des Temperiermoduls 30 ein Strömen des Temperiermediums von der Zulaufleitung durch das Temperiermodul 30 in die Rücklaufleitung gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2: Gehäuse
20: Aufnahmeteil
21: Gehäuseboden
22: Gehäusewandungen
200: Deckelteil
3: Temperiereinheit
30: Einzeltemperiermodul
31: Aufnahmeteil (Temperiermodul)
32: Deckelteil (Temperiermodul)
32a: Dehnungsbereich (Balg)
ZA: Zulaufanschluss
AA: Ablaufanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009013651 A1 [0002]
DE 102011010664 A1 [0003]
DE 102014202162 A1 [0004]

Claims

Temperiersystem für eine elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antrieb, mit - einem Gehäuse (2) mit einem einen Gehäuseboden (21) sowie Gehäusewandungen (22) umfassenden Aufnahmeteil (20) zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriemodulen (1) und mit einem das Aufnahmeteil (20) verschließenden Deckelteil (200), - einer ein Temperiermedium aufnehmenden Temperiereinheit (3) zur Temperierung der Batteriemodule (1), wobei die Temperiereinheit (3) Anschlüsse (ZA, AA) zur Zuführung und Abführung des Temperiermediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinheit (3) als separates Temperiermodul ausgebildet ist, welches zwischen dem Deckelteil (200) des Gehäuses (2) und den im Gehäuse (2) angeordneten Batteriemodulen (1) und/oder zwischen dem Gehäuseboden (21) und den im Gehäuse (2) angeordneten Batteriemodulen (1) angeordnet ist.
Temperiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das die Temperiereinheit (3) austauschbar ausgeführt ist.
Temperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinheit (3) auf ihrer den Batteriemodulen (1) zugeordneten flächigen Seite derart flexibel ausgebildet ist, dass sie sich in ihrer Form im Wesentlichen lückenlos an die Oberfläche der zu temperierenden Batteriemodule (1) anschmiegt beziehungsweise die Kontaktfläche zwischen Temperiereinheit und Batteriemodul (1) flächenmäßig optimiert.
Temperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinheit (3) eine Mehrzahl von Einzeltemperiermodulen (30) umfasst, die jeweils über Verbindungsleitungen für den Zu- beziehungsweise Abfluss des Temperiermediums miteinander verbunden sind.
Temperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinheit (3) beziehungsweise jedes Einzeltemperiermodul (30) mit ihre beziehungsweise seiner flächigen, den Batteriemodulen (1) zugekehrten Kontaktseite seitlich über diese hinausragt.
Temperiersystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Temperiermodul (3) beziehungsweise das jeweilige Einzeltemperiermodul (30) in seiner flächigen, den Batteriemodulen (1) zugekehrten Kontaktseite einen durch eine balgfederartige Ausgestaltung erzeugten Dehnungsbereich (32a) aufweist.
Temperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das die Temperiereinheit (3) beziehungsweise jedes Einzeltemperiermodul (30) durch ein kistenartiges Aufnahmeteil (31) sowie ein das Aufnahmeteil (31) verschließendes und die Kontaktfläche mit den Batteriemodulen (1) bildendes flexibles Deckelteil (32) gebildet ist.
Temperiersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - das das Aufnahmeteil (31) und das Deckelteil (32) der Temperiereinheit (3) beziehungsweise des jeden Einzeltemperiermoduls (30) über eine durch Bördeln hergestellte Verbindung miteinander verbunden sind.
Temperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinheit (3) bzw. ein Einzeltemperiermodul (30) über Spannelemente, wie elastische Spannbänder oder nicht elastische Spanngurte mit den Batteriemodulen (1) verspannt ist.