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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche in der Regel zu Zellstapeln gestapelt und zu Batteriemodulen verschaltet sind. Die Batteriezellen sind dabei beispielsweise prismatische Batteriezellen mit einem starren Zellgehäuse, welches beispielsweise aus Aluminium gebildet ist und in dessen Gehäuseinnenraum ein Zellwickel bzw. ein galvanisches Element angeordnet ist. Das Zellgehäuse dient dazu, einerseits das Austreten von Chemikalien des galvanischen Elementes in die Umgebung zu verhindern und andererseits eine Wechselwirkung des galvanischen Elementes mit der Umgebung, beispielsweise durch eintretendes Wasser oder Schmutz, zu verhindern. Dazu ist aus der
DE 10 2008 006 920 A1 ein elektrischer Speicher mit mindestens einer den Speicher umgebenden Begrenzungswand bekannt, wobei die Begrenzungswand mindestens bereichsweise als Doppelwand ausgelegt ist. Durch diese doppelwandige Begrenzungswand kann sowohl eine Beschädigung des elektrischen Speichers durch mechanische Einwirkungen als auch durch Hitzeeinwirkungen vorgebeugt werden, um gefährliche chemische Reaktionen und ein Austreten gefährlicher Inhaltsstoffe aus dem elektrischen Speicher in dessen Umfeld zu verhindern.
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Dabei ist es bekannt, dass eine Vielzahl von Eigenschaften der Batteriezellen, beispielsweise ein Wirkungsgrad der Batteriezellen, abhängig von einer Betriebstemperatur der Batteriezellen ist. Um die Batteriezellen in einem optimalen Betriebstemperaturfenster zu halten, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Batteriezellen zu temperieren, also nach Bedarf zu kühlen und zu heizen. Zur Kühlung der Batteriezellen ist es beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt, eine Kühlplatte an einer Unterseite des Zellstapels anzuordnen. Zum Heizen der Batteriezelle ist beispielsweise in der
DE 10 2010 034 081 A1 eine Umhüllung für eine elektrochemische Zelle beschrieben, in welche wenigstens eine Heizvorrichtung integriert ist. Diese wenigstens eine Heizvorrichtung weist wenigstens eine vorzugsweise flächige Heizzone auf, die sich zumindest über einen Teilbereich der Umhüllung erstreckt. Im Stand der Technik werden also separate Heiz- und Kühleinrichtungen eingesetzt, um die Batteriezellen temperieren zu können. Dies ist in der Regel mit einem erhöhten Bauraumbedarf sowie erhöhten Kosten verbunden.
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Aus der
DE 10 2009 025 802 A1 ist ein Akkumulator bekannt, der eine oder mehrere Zellen hexagonalen Querschnitts aufweist, die einen wabenförmigen Verbund bilden. Die Außenwand des Akkumulatorgehäuses und/oder die Zellwände besitzen eine doppelwandige, in Längsrichtung verlaufende, offene Stegkammerstruktur. Aus der
DE 102 02 807 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen bekannt, wobei in einem Gehäuse mehrere Zellen angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Zellen weisen Kanäle auf, durch die ein wärmetransportierendes Medium strömt. Aus der
DE 10 2015 220 354 A1 ,
DE 26 35 427 A1 und
EP 2 510 564 B1 sind dabei doppelwandige Batteriegehäuse zum Aufnehmen von Batteriezellen bekannt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie Batteriezellen einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache und kostengünstige Weise temperiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug weist zumindest eine erfindungsgemäße prismatische Batteriezelle auf. Die Batteriezelle weist ein galvanisches Element und ein flachquaderförmiges Zellgehäuse auf. Das Zellgehäuse weist Gehäusewände auf, welche einen Gehäuseinnenraum zum Aufnehmen des galvanischen Elements der Batteriezelle umschließen. Dabei ist zumindest eine der Gehäusewände doppelwandig ausgebildet. Das Zellgehäuse weist einen Temperieranschluss auf, welcher mit dem zumindest einen, durch die doppelwandige Gehäusewand gebildeten Zwischenraum fluidisch gekoppelt ist und über welchen dem zumindest einen Zwischenraum ein Temperiermedium zum Temperieren des galvanischen Elements zuführbar und/oder entnehmbar ist. Die Batteriezelle ist beispielsweise eine Li-lonen-Zelle.
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Außerdem weist die Hochvoltbatterie eine Temperiereinrichtung auf, welche mit dem Temperieranschluss der zumindest einen Batteriezelle fluidisch gekoppelt ist. Darüber hinaus umfasst die Hochvoltbatterie zusätzlich zu der zumindest einen Batteriezelle mit dem doppelwandigen Zellgehäuse zumindest eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aufweisend einzelwandige Gehäusewände, wobei das einzelwandige Zellgehäuse und das doppelwandige Zellgehäuse in etwa die gleichen Außenabmessungen aufweisen, sodass ein Gehäuseinnenraum des einzelwandigen Zellgehäuses größer ausgebildet ist als der des doppelwandigen Zellgehäuses und ein galvanisches Element der Batteriezelle mit dem einzelwandigen Zellgehäuse größer ausgebildet ist als das galvanische Element der Batteriezelle mit dem doppelwandigen Zellgehäuse.
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Das Zellgehäuse ist ein flachquaderförmiges Zellgehäuse, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellgehäuse kann Gehäusewände in Form von einem Gehäuseboden, einem dem Gehäuseboden in einer Hochrichtung gegenüberliegenden Gehäusedeckel sowie Gehäusemantelwänden aufweisen. Die Gehäusemantelwände bilden einen Gehäusemantel und bestehen aus zwei Schmalseiten, welche Gehäuseseitenwände des Zellgehäuses bilden und sich in einer Breitenrichtung der Batteriezelle gegenüberliegen, sowie zwei Breitseiten, welche eine Gehäusefrontwand und eine Gehäuserückwand des Zellgehäuses bilden und sich in einer Tiefenrichtung gegenüberliegen. Entlang der Tiefenrichtung können mehrere Batteriezellen aneinander gestapelt werden, indem die Gehäusefrontwand einer Batteriezelle an der Gehäuserückwand einer anderen Batteriezelle angeordnet wird. Das Zellgehäuse umschließt den Gehäuseinnenraum, in welchem der Zellwickel bzw. das galvanische Element der Batteriezelle angeordnet ist. Der Zellwickel weist zwei Elektroden sowie einen Elektrolyten auf. Das Zellgehäuse dient beispielsweise dazu, den Austritt des insbesondere flüssigen Elektrolyten in die Umgebung zu verhindern sowie das galvanische Element vor unerwünschten Umgebungseinflüssen, beispielsweise Wasser oder Schmutz, zu schützen.
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Um nun das galvanische Element temperieren, also nach Bedarf kühlen oder heizen, zu können, ist zumindest eine der Gehäusewände zumindest einer Batteriezelle der Hochvoltbatterie doppelwandig ausgebildet. Dies bedeutet, dass diese Gehäusewand zwei Wandelemente aufweist, welche unter Ausbildung des Zwischenraums beabstandet zueinander angeordnet sind. Ein Wandelement ist dabei angrenzend an den Gehäuseinnenraum ausgebildet und ein gegenüberliegendes Wandelement ist angrenzend an eine Umgebung der Batteriezelle ausgebildet. Der Zwischenraum kann von einem Temperiermedium durchströmt werden. Zum Kühlen des galvanischen Elementes ist das Temperiermedium ein Kühlmedium und zum Heizen des galvanischen Elementes ist das Temperiermedium ein Heizmedium. Das Temperiermedium bzw. Temperiermittel kann flüssig oder gasförmig sein. Der Zwischenraum bildet somit einen Kanal zum Leiten des Temperiermediums, wobei sich der Kanal insbesondere über eine gesamte Fläche der doppelwandigen Gehäusewand erstreckt.
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Die doppelwandige Gehäusewand ist außerdem mit dem Temperieranschluss fluidisch gekoppelt. Der Temperieranschluss kann beispielsweise ein Zuflusselement aufweisen, um das Temperiermittel in den Zwischenraum einzuleiten, und ein Abflusselement aufweisen, um das Temperiermittel wieder aus dem Zwischenraum zu entnehmen. Das Zuflusselement und das Abflusselement können beispielsweise im einfachsten Fall als Öffnungen in der Gehäusewand ausgebildet. Auch können die Elemente als ein Zuflussstutzen und ein Abflussstutzen ausgebildet sein, welche mit Temperiermediumleitungen der Hochvoltbatterie fluidisch koppelbar sind. Die Temperiermediumleitungen, der zumindest eine Zwischenraum des doppelwandigen Zellgehäuses und der Temperieranschluss sind dabei Teil eines Temperierkreislaufs, also eines Kühlkreislaufs und eines Heizkreislaufs, der Hochvoltbatterie. Beispielsweise kann eine der Gehäusemantelwände des Zellgehäuses doppelwandig ausgebildet sein. In diesem Fall erstreckt sich der durch den Zwischenraum gebildete Kanal entlang der Hochrichtung. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Zuflusselement an einer Oberseite des Zellgehäuses, beispielsweise an dem Gehäusedeckel, angeordnet ist und das Abflusselement an einer Unterseite des Zellgehäuses, beispielsweise an dem Gehäuseboden, angeordnet ist.
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Ein solches doppelwandiges Zellgehäuse mit zumindest teilweise doppelwandigen Gehäusewänden kann in vorteilhafter Weise ohne großen Aufwand hergestellt werden. Somit kann eine Temperatur des galvanischen Elements durch Bereitstellen des entsprechenden Temperiermediums zum Kühlen oder Heizen auf einfache und kostengünstige Weise gesteuert werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei gegenüberliegende Gehäusemantelwände des Zellgehäuses doppelwandig ausgebildet sind. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass jede Gehäusemantelwand ein an der Oberseite des Zellgehäuses angeordnetes und ein an der Unterseite des Zellgehäuses angeordnetes Abflusselement aufweist. Vorzugsweise sind zumindest die als Breitseiten ausgebildeten Gehäusemantelwände doppelwandig ausgebildet sind. Die Breitseiten bilden die flächenmäßig größten Gehäusewände des Zellgehäuses aus. Durch das Ausbilden dieser Breitseiten als doppelwandige Gehäusewände kann eine besonders effiziente Temperierung des galvanischen Elementes bereitgestellt werden, da sich das Temperiermedium über ein besonders großes Volumen in dem Zellgehäuse verteilen kann.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zusätzlich ein die gegenüberliegenden Gehäusemantelwände verbindender Gehäuseboden doppelwandig ausgebildet ist, und die durch die Gehäusemantelwände und den Gehäuseboden gebildeten Zwischenräume fluidisch gekoppelt und von dem Temperiermedium durchströmbar sind. Beispielsweise können der Gehäuseboden sowie genau zwei gegenüberliegende Gehäusemantelwände doppelwandig ausgebildet sein, sodass das galvanische Element von drei Seiten gekühlt werden kann. Es kann aber auch sein, dass alle Gehäusemantelwände sowie der Gehäuseboden doppelwandig ausgebildet sind, sodass das galvanische Element von fünf Seiten gekühlt werden kann.
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Das Temperiermedium kann dem doppelwandigen Zellgehäuse beispielsweise über das Zuflusselement auf einer Seite zugeführt werden, über den Gehäuseboden zu der anderen Seite geleitet werden und dort über das Abflusselement wieder entnommen werden. Beispielsweise kann das Temperiermedium über das Zuflusselement in den Zwischenraum der Gehäusefrontwand eingeleitet werden, über den Zwischenraum des Gehäusebodens zu dem Zwischenraum der Gehäuserückwand strömen und dort über das Abflusselement wieder entnommen werden. So kann eine besonders effiziente Temperierung des galvanischen Elementes erreicht werden.
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In einer Weiterbildung der Hochvoltbatterie weist diese zumindest zwei Batteriezellen mit doppelwandigen Zellgehäusen auf, wobei die Zwischenräume der Batteriezellen fluidisch seriell gekoppelt sind und dazu ein Abflusselement des Temperieranschlusses einer ersten Batteriezelle mit einem Zuflusselement des Temperieranschlusses zumindest einer zweiten Batteriezelle gekoppelt ist. Die Temperiereinrichtung ist dabei mit dem Zuflusselement der ersten Batteriezelle und dem Abflusselement der zumindest einen zweiten Batteriezelle fluidisch gekoppelt. Das Temperiermedium wird also von der Temperiereinrichtung der Hochvoltbatterie in den Zwischenraum der ersten Batteriezelle eingeleitet. Nachdem die Zellgehäuse der zumindest zwei Batteriezellen von dem Temperiermedium durchströmt worden sind, wird das Temperiermedium dem Zwischenraum der zumindest einen zweiten Batteriezelle wieder entnommen.
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Insbesondere weist die Hochvoltbatterie mehrere Batteriezellen mit doppelwandigen Zellgehäusen und mehrere Batteriezellen mit einzelwandigen Zellgehäusen auf, welche abwechselnd zueinander zu einem Zellstapel gestapelt sind.
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Es kann also in dem Zellstapel das Zellgehäuse jeder zweiten Batteriezelle doppelwandig ausgebildet sein. Die dazwischen liegenden, herkömmlichen Batteriezellen mit den einzelwandigen Zellgehäusen werden dabei durch die benachbarten Batteriezellen mit den doppelwandigen Zellgehäusen mittemperiert. Dadurch, dass die Zellgehäuse der herkömmlichen Batteriezellen und die Zellgehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezellen gleiche Außenabmessungen aufweisen, ist der Gehäuseinnenraum der Zellgehäuse bei den herkömmlichen Batteriezellen größer als der Gehäuseinnenraum der Zellgehäuse bei den erfindungsgemäßen Batteriezellen. Dadurch können die herkömmlichen Batteriezellen galvanische Elemente mit höheren Kapazitäten aufweisen, beispielsweise indem sich in dem Gehäuseinnenraum des einzelwandigen Zellgehäuses größere galvanische Elemente mit mehr Aktivmaterial befinden. Die Hochvoltbatterie weist also zwei Arten von Batteriezellen auf, nämlich Batteriezellen, welche zu aktiven Temperatursteuerung genutzt werden, und Batteriezellen, welche eine höhere Kapazität bereitstellen. Hierdurch weist die Hochvoltbatterie eine besonders effektive Kapazitätsausnutzung, eine hohe Lebensdauer und eine hohe Sicherheit auf.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Batteriezelle ein einer Längsschnittdarstellung;
- 2 eine schematische Darstellung der Batteriezelle ein einer Querschnittdarstellung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen einer Ausführungsform einer Batteriezelle 1 für eine Hochvoltbatterie 2, von welcher eine Ausführungsform in 3 dargestellt ist. Die Hochvoltbatterie 2 kann eine Traktionsbatterie eines hier nicht dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, sein. Die Batteriezelle 1 weist ein Zellgehäuse 3 auf, welches hier flachquaderförmig und aus einem starren Material, beispielsweise Aluminium, gebildet ist. Das Zellgehäuse 3 weist Gehäusewände 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f auf, welche einen Gehäuseinnenraum 5 umschließen. Die Gehäusewand 4a ist ein Gehäuseboden und die Gehäusewand 4b ist ein Gehäusedeckel, wobei sich die Gehäusewände 4a und 4b in Hochrichtung H gegenüberliegen. Die Gehäusewände 4c, 4d, 4e, 4f sind Gehäusemantelwände, wobei die Gehäusewände 4c und 4d Schmalseiten sind, welche sich in einer Breitenrichtung B gegenüberliegen, und die Gehäusewände 4e und 4f Breitseiten sind, welche sich in einer Tiefenrichtung T gegenüberliegen.
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In dem Gehäuseinnenraum 5 ist ein galvanisches Element 6 bzw. ein Zellwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden 7a, 7b und einen mit einem Elektrolyten getränkten Separator 8 aufweist. Die Elektroden 7a, 7b sind mit Zellterminals 9a, 9b der Batteriezelle 1 elektrisch verbunden, welche hier an dem Gehäusedeckel 4b angeordnet sind und über welche die Batteriezelle 1 beispielsweise mit anderen Batteriezellen zu der Hochvoltbatterie 2 verschaltet werden kann. Zum Temperieren des galvanischen Elementes 6 mittels eines Temperiermediums ist zumindest eine der Gehäusewände 4a bis 4f doppelwandig ausgebildet. Hier sind beispielsweise sämtliche Gehäusewände 4a bis 4f doppelwandig ausgebildet. Durch jede doppelwandige Gehäusewand 4a bis 4f wird ein Zwischenraum 10 gebildet, welcher von dem Temperiermedium zum Kühlen oder Heizen des galvanischen Elementes 6 durchströmt werden kann. Hier sind beispielsweise die Zwischenräume 10 der doppelwandigen Gehäusemantelwände 4c, 4d, 4e, 4f über den Zwischenraum 10 des doppelwandigen Gehäusebodens 4a sowie den Zwischenraum 10 des Gehäusedeckels 4b fluidisch gekoppelt.
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Außerdem weist die Batteriezelle 1 einen Temperieranschluss 11 auf, über welchen das Temperiermedium in die Zwischenräume 10 eingeleitet und wieder aus den Zwischenräumen 10 entnommen werden kann. Wenn beispielsweise über ein Zuflusselement 12a des Temperieranschlusses 11, welches hier in dem Gehäusedeckel 4b angeordnet ist, Temperiermedium in den Gehäusedeckel 4b eingeleitet wird, so kann dieses über die Zwischenräume 10 der Gehäusemantelwände 4c bis 4f zu dem Zwischenraum 10 des Gehäusebodens 4a strömen, und dort über ein Abflusselement 12b des Temperieranschlusses 11, welches hier in dem Gehäuseboden 4b angeordnet ist, wieder entnommen werden. Das Zuflusselement 12a und das Abflusselement 12b können beispielsweise Öffnung oder Anschlussstutzen sein.
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Die Batteriezellen 1 sowie weitere Batteriezellen 13 können, wie in 3 gezeigt, entlang der Tiefenrichtung T zu der Hochvoltbatterie 2 gestapelt und verschaltet werden. Dabei sind die Batteriezellen 1, 13 abwechselnd entlang der Tiefenrichtung T gestapelt. Die Batteriezellen 13 weisen dabei Zellgehäuse 14 mit einzelwandigen Gehäusewänden auf. Die Temperieranschlüsse 11 der Batteriezellen 1 mit den Zellgehäusen 3, welche die doppelwandigen Gehäusewänden 4a bis 4f aufweisen, können seriell verbunden werden, sodass über die Zwischenräume 10 der Zellgehäuse 3 das Temperiermedium durch den Zellstapel fließen kann. Dabei weisen die Zellgehäuse 3 die gleichen Außenabmessungen, beispielsweise die gleichen Tiefen, die gleichen Höhen und die gleichen Breiten, auf wie die Zellgehäuse 14. Dadurch weist ein Gehäuseinnenraum 15 des Zellgehäuses 14 ein größeres Volumen auf als der Gehäuseinnenraum 5 des Zellgehäuses 3. So kann das hier nicht gezeigte galvanische Element der Batteriezelle 13 beispielsweise mehr Aktivmaterial und damit eine höhere Kapazität aufweisen als das galvanische Element 6 der Batteriezelle 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Hochvoltbatterie
- 3
- Zellgehäuse
- 4a bis 4f
- Gehäusewände
- 5
- Gehäuseinnenraum
- 6
- galvanisches Element
- 7a, 7b
- Elektroden
- 8
- Separator
- 9a, 9b
- Zellterminals
- 10
- Zwischenräume
- 11
- Temperieranschluss
- 12a
- Zuflusselement
- 12b
- Abflusselement
- 13
- Batteriezelle
- 14
- Zellgehäuse
- 15
- Gehäuseinnenraum
- H
- Hochrichtung
- B
- Breitenrichtung
- T
- Tiefenrichtung
