DE102022130280A1

DE102022130280A1 - Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug und Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug sowie Batteriezellstapel mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102022130280A1
Application number: DE102022130280.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Simanek; Jens Schaefer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug, mit mehreren mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlelementen (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) jeweils an mit Kühlmittel durchströmbare Verbindungselemente (10) zur Kühlmittelversorgung kühlmitteldicht angeschlossen und letztere in Stapelrichtung der Batteriezellen (1) hintereinander in Kühlmittelverbindung und zueinander kühlmitteldicht verschiebbar angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug über Endplatten, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verspannen des Batteriezellstapels elastische Spannmittel (16) vorgesehen sind, die über eine in Stapelrichtung verschiebbar angeordnete Endplatte (8) die Batteriezellen (1) in Stapelrichtung elastisch vorspannen. Die Erfindung betrifft ferner einen Batteriezellstapel für ein Fahrzeug mit zumindest einer solchen Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Die Erfindung betrifft ferner einen Batteriezellstapel mit zumindest einer solchen Anordnung.
Aus US 2014 0178 736 A1 ist Batteriemodul für ein Elektrofahrzeug mit einem Flüssigkeitskühlsystem bekannt, das eine Mehrzahl von Kühlplatten umfasst, von denen jede in thermischer Kommunikation mit zumindest einer der Mehrzahl von Batteriezellen steht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Anordnungen und ein Batteriezellstapel der vorgenannten Art vorzuschlagen, welche einfach aufgebaut sind und einen sicheren Betrieb der Batteriezellen gewährleisten sowie die Lebensdauer derselben erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 7 oder 10 gelöst. Weitere vorteilhafte und beanspruchte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Somit wird eine Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug mit mehreren mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlelementen vorgeschlagen. Um einen sicheren Betrieb der Batteriezellen zu gewährleisten sowie die Lebensdauer derselben zu erhöhen, ist vorgesehen, dass die Kühlelemente jeweils an mit Kühlmittel durchströmbaren Verbindungselementen zur Kühlmittelversorgung kühlmitteldicht angeschlossen und letztere in Stapelrichtung der Batteriezellen hintereinander in Kühlmittelverbindung und zueinander kühlmitteldicht verschiebbar angeordnet sind.
Auf diese Weise kann bei einer unvermeidliche Volumenänderung der Batteriezellen im Betrieb abhängig vom Ladezustand derselben an den verschiebbaren Verbindungselementen die Kühlmittelführung im Betrieb automatisch angepasst werden und eine sichere Kühlung der Batteriezellen gewährleistet. Dadurch können Betriebsstörungen und ein Leistungsabfall der Batteriezellen im Betrieb sicher vermieden und die Lebensdauer der Batteriezellen erhöht werden. Die Anordnung ist daher besonders vorteilhaft zur Kühlung von elastisch verspannten Batteriezellstapeln einsetzbar.
Durch die einfach modular einsetzbaren und einfach herstellbaren Verbindungselemente kann die Anordnung insbesondere durch die Anzahl der eingesetzten Verbindungselemente besonders einfach an die Einbau- und Betriebsverhältnisse des Batteriezellstapels, insbesondere an die Anzahl der gestapelten Batteriezellen und der zwischen diesen angeordneten Kühlelemente, angepasst werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind an den Verbindungselementen zur Durchströmung mit Kühlmittel korrespondierende Durchgangsöffnungen in Stapelrichtung vorgesehen, die jeweils einen Teilabschnitt eines in Stapelrichtung an den hintereinander angeordneten Verbindungselementen durchgehenden Kühlmittelverteilerkanals zur Kühlmittelversorgung der Kühlelemente bilden. Dadurch kann ein modular aufgebauter und in Stapelrichtung der Batteriezellen längenvariabler Kühlmittelverteilerkanal erreicht werden, der sich durch die verschiebbaren Verbindungselemente an die Volumenänderung der Batteriezellen im Betrieb automatisch anpasst
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können die Verbindungselemente jeweils in Stapelrichtung an einem Ende mit einem Anschlussstutzen ausgeführt sein. Vorzugsweise greifen dabei die Verbindungselemente zur Kühlmittelverbindung mit dem jeweiligen Anschlussstutzen in die Durchgangsöffnung des jeweils benachbarten vorangehenden Verbindungselements verschiebbar kühlmitteldicht ein.
Eine einfache kühlmitteldichte Abdichtung der verschiebbar in die jeweiligen Durchgangsöffnungen eingreifenden Anschlussstutzen kann dadurch erreicht werden, dass auf der Außenoberfläche der Anschlussstutzen jeweils eine bei einer Verschiebung mit diesem mitbewegbar angeordnete Dichtung vorgesehen ist, die an einer Dichtfläche an der Innenoberfläche der Durchgangsöffnungen verschiebbar angreift.
Vorzugsweise ist dabei jeweils die Dichtung, bevorzugt ein Dichtring, in einer auf der Außenoberfläche des Anschlussstutzens umlaufende Nut angeordnet
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in Stapelrichtung der Batteriezellen zwei Reihen mit jeweils hintereinander und zueinander verschiebbar angeordneten Verbindungselementen vorgesehen sind und die Kühlelemente jeweils an ein Verbindungselement der einen Reihe zur Kühlmittelzufuhr und an ein Verbindungselement der anderen Reihe zur Kühlmittelabfuhr angeschlossen sind.
Ein einfache Kühlmittelverbindung mit den Kühlelementen kann erreicht werden, wenn die Verbindungselemente jeweils einen von den Durchgangsöffnungen ausgehenden seitlich zur Innenseite hin durchgehenden Kühlmittelseitenkanal bilden. Vorzugsweise sind dabei die Verbindungselemente an der Innenseite jeweils mit den Kühlelementen kühlmitteldicht als eine Baueinheit jeweils in Stapelrichtung mit diesen verschiebbar verbunden. Auf diese Weise sind die Kühlelemente mit den jeweils angeschlossenen Verbindungselementen bei einer Ausdehnung der Batteriezellen verschiebbar.
Eine besonders kompakte und bauraumsparende Anordnung wird dadurch ermöglicht, dass in Stapelrichtung der Batteriezellen zwei Reihen mit jeweils hintereinander und zueinander verschiebbar angeordneten Verbindungselementen vorgesehen sind und die Kühlelemente jeweils an ein Verbindungselement der einen Reihe zur Kühlmittelzufuhr und an ein Verbindungselement der anderen Reihe zur Kühlmittelabfuhr angeschlossen sind.
Vorzugsweise bilden dabei die in jeder Reihe in Stapelrichtung hintereinander angeordneten und kühlmitteldicht angeschlossenen Verbindungselemente an den Durchgangsöffnungen jeweils einen durchgehenden Kühlmittelverteilerkanal zur Kühlmittelversorgung der Kühlelemente, wodurch auf besonders vorteilhafter Weise eine konstruktiv einfache Kühlmittelzufuhr zu den Kühlelementen bzw. eine konstruktiv einfache Kühlmittelabfuhr von den Kühlelementen erreicht werden kann
Bevorzugt sind hierbei die Reihen derart parallel beabstandet zueinander angeordnet, dass zwischen den Reihen die Batteriezellen und in Stapelrichtung zwischen letzteren jeweils die Kühlelemente angeordnet sind.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Kühlelemente jeweils an voneinander abgewandten Außenseiten in Stapelrichtung ausgerichtete Kühlflächen zum thermischen Kontakt mit jeweils einer Batteriezelle. Vorzugsweise verläuft dabei im Bereich der Kühlflächen in den Kühlelementen ein Kühlmittelkanal. Bevorzugt steht dieser an seinen Enden jeweils mit einem Verbindungselement in Kühlmittelverbindung. Vorzugsweise ist dabei der Kühlmittelkanal an seinen Enden jeweils an einen Kühlmittelseitenkanal eines Verbindungselements kühlmitteldicht angeschlossen.
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Kühlelemente ein U-Form ähnliches Querschnittsprofil aufweisen. Vorzugsweise ist dabei jeweils eine Batteriezelle von den Kühlelementen mit dem U-förmigen Querschnittsprofil einseitig offen in thermischem Kontakt umfasst. Auf einfache Weise wird so eine Ausdehnung der Batteriezellen an ihren Seitenflächen in Stapelrichtung an der jeweils offenen Seite des U-förmigen Querschnittsprofils der Kühlelemente während des Betriebs ermöglicht.
Nach einer nächsten besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Kühlelemente ein U-Form ähnliches Querschnittsprofil mit freien U-Schenkeln und einer die U-Schenkel verbindenden U-Basis auf. Vorzugweise bilden die U-Schenkel an den einander zugewandten Innenseiten Wärmeleitflächen zum in wärmeleitenden Flächenkontakt mit einer Batteriezelle. Bevorzugt weist dabei die U-Basis an voneinander abgewandten in Stapelrichtung ausgerichtete breiten Außenseitenflächen Kühlflächen zum thermischen Kontakt mit jeweils einer Batteriezelle auf. Vorzugsweise verläuft hierbei im Bereich der Kühlflächen in der U-Basis ein Kühlmittelkanal.
Alternativ oder ergänzend kann auch eine Kühlung an den Anschlüssen der Batteriezellen eine sogenannte Tab-Kühlung vorgesehen sein.
Als Werkstoff für die Kühlelemente ist bevorzugt Aluminium vorgesehen. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung insbesondere durch Spritzguss möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sind vor, die Verbindungselemente jeweils quaderförmig mit jeweils einer zentralen Durchgangsöffnung auszuführen. Dadurch kann eine einfache und vielseitig einsetzbare an die Einbauverhältnisse insbesondere an die Form der Batteriezellen und der Kühlelemente angepasste Ausführung der Verbindungselemente erreicht werden.
In einer besonders material- und gewichtssparenden Variante der Erfindung sind die Verbindungselemente vorzugsweise als Hohlkörper mit einer Strebenstruktur im Innern ausgeführt. Alternativ können die Verbindungselemente als massiver Block oder Klotz ausgeführt sein.
Bevorzugt ist als Werkstoff für die Verbindungselemente Kunststoff vorgesehen. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung insbesondere durch Spritzguss möglich.
In einer besonders kostengünstigen bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Kühlelemente und die Verbindungselemente jeweils als Gleichteile ausgeführt, wodurch Entwicklungs- und Herstellungskosten reduziert werden können.
Die vorangehend beschriebene Anordnung kann auch in besonders vorteilhafter Weise mit der unter einem weiteren Aspekt der Erfindung nachfolgend beschriebenen Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug kombiniert werden, insbesondere kann die vorangehend beschriebene Anordnung mit weiteren Merkmalen aus der nachfolgenden Beschreibung ausgestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug über Endplatten gelöst. Dabei sind zum Verspannen des Batteriezellstapels elastische Spannmittel vorgesehen, die über eine in Stapelrichtung verschiebbar angeordnete Endplatte die Batteriezellen in Stapelrichtung elastisch vorspannen.
Auf diese Weise ist durch die elastischen Spannmittel über die verschiebbar angeordnete Endplatte eine definierte Vorspannung der Batteriezellen aufbringbar. Der Kraftfluss erfolgt dabei über breite Seitenflächen der Batteriezellen.
Demzufolge kann eine Volumenänderung der Batteriezellen während des Betriebs, insbesondere während einer elektrischen Landung, besonders während einer elektrischen Schnellladung derselben, durch die elastische Verschiebung der Endplatte in Stapelrichtung ausgeglichen werden.
Demnach wird über zumindest weite Betriebsbereiche eine konstante Vorspannung der Batteriezellen gewährleistet. Dadurch können Betriebsstörungen und ein Leistungsabfall der Batteriezellen im Betrieb sicher vermieden und die Lebensdauer der Batteriezellen erhöht werden.
Bevorzugt sind als elastische Spannmittel Druckfedermittel vorgesehen, die in Stapelrichtung einerseits ortsfest und andererseits an der verschiebbaren Endplatte abgestützt sind.
Es ist auch besonders vorteilhaft, wenn als elastische Spannmittel mehrere Schraubendruckfedern vorgesehen sind, die auf mehreren Gewindestangen koaxial angeordnet sind. Vorzugsweise sind dabei die Gewindestangen jeweils an der verschiebbaren Endplatte hindurchgeführt und in eine weitere Endplatte eingeschraubt.
Bevorzugt sind die Schraubendruckfedern jeweils einerseits an den Gewindestangen und andererseits an der verschiebbaren Endplatte abgestützt. Die verschiebbare Endplatte kann in weiterhin vorteilhafter Weise bei einer Verschiebung derselben an den Gewindestangen geführt sein.
Alternativ oder ergänzend kann eine Abstützplatte parallel beabstandet zur verschiebbaren Endplatte angeordnet sein. Bevorzugt sind dabei die elastischen Spannmittel in Stapelrichtung zwischen der Abstützplatte und der verschiebbaren Endplatte wirkend angeordnet. Sie sind vorzugsweise einerseits an der Abstützplatte und andererseits an der verschiebbaren Endplatte abgestützt.
Dadurch wird eine Krafteinleitung zur Vorspannung der Batteriezellen über die erste Endplatte mit optimaler Kraftverteilung ermöglicht. Die bevorzugt als Schraubendruckfedern ausgeführten elastischen Spannmittel können hierbei koaxial auf den Gewindestangen und/oder außerhalb dieser in dem zwischen den Gewindestangen gelegenen Bereich angeordnet und an der Abstützplatte und der verschiebbaren ersten Endplatte abgestützt angeordnet sein.
Die vorangehend beschriebene Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug kann auch in besonders vorteilhafter Weise mit der eingangs beschriebenen Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug kombiniert werden, insbesondere kann die vorangehend beschriebene Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels mit weiteren Merkmalen aus der eingangs beschriebenen Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels ausgestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin auch durch einen Batteriezellstapel für ein Fahrzeug mit zumindest einer vorangehend beschriebenen Anordnung gelöst. Dabei ergeben sich die bereits oben beschriebenen und weitere Vorteile.
Weitere beanspruchte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung und eine erfindungsgemäße Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellenstapels für ein Fahrzeug sowie einen erfindungsgemäßen Batteriezellenstapel mit einer solchen Anordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine geschnittene Ansicht der Anordnung und des Batteriezellenstapels aus 1,
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2,
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3,
5 eine Einzelansicht eines erfindungsgemäßen Verbindungselements aus 1 bis 4,
6 und 7 eine Teilansicht der Anordnung aus 1,
8 eine Teilansicht des Batteriezellstapels mit der Anordnung aus 1,
9 eine weitere Teilansicht des Batteriezellstapels mit der Anordnung aus 1,
10 eine weitere Teilansicht des Batteriezellstapels mit der Anordnung aus 1,
11 eine Einzelansicht eines Kühlelements aus 10,
12 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug und ein erfindungsgemäßer Batteriezellstapel mit einer solchen Anordnung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
13 eine Teilansicht der Anordnung und des Batteriezellstapels aus 12

In den Figuren sind verschiedene Ansichten und Ausführungen einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug und einer Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug dargestellt. Anhand dieser Darstellungen wird auch ein erfindungsgemäßer Batteriezellstapel für ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung verdeutlicht.
1 und 2 zeigen jeweils einen Batteriezellstapel und Anordnung zur Kühlung desselben und eine Anordnung zum Verspannen desselben in einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Batteriezellstapel umfasst mehrere gestapelte Batteriezellen 1, die eine plattenförmige längliche Form aufweisen. In 3 und 4 sowie 6 bis 11 sind Ausschnitte oder Teilansichten der Anordnung und des Batteriezellstapels aus 1 und 2 dargestellt.
Die Batteriezellen 1 sind vorzugsweise als sogenannte Pouch-Batteriezellen mit breiten planen Seitenflächen 2 in Stapelrichtung, mit schmalen Ober- und Unterseiten 3, 4 und in Längsrichtung an ihren Enden mit schmalen Stirnseiten 5 ausgebildet (6, 7, 9 und 10). Die Oberseiten 3, 4 sind zum oberen Bildrand und die Unterseiten 4 zum unteren Bildrand ausgerichtet. Diese Anordnung entspricht auch der Einbaulage in einem Fahrzeug.
Die baugleich ausgeführten Batteriezellen 1 sind gestapelt, d.h. mit ihren breiten Seitenflächen 2 in Stapelrichtung parallel hintereinander angeordnet. Zur Kühlung ist jeweils zwischen zwei in Stapelrichtung der Batteriezellen 1 hintereinander angeordneten Batteriezellen 1 parallel zu diesen ein plattenförmiges längliches Kühlelement 6 angeordnet, das mit Kühlmittel, vorzugsweise mit einem Wasser-Glycol-Gemisch oder alternativ mit einer dielektrischen Flüssigkeit, durchströmbar ist. Die Kühlelemente 6 stehen jeweils mit in Stapelrichtung ausgerichteten breiten Seitenflächen 7 in beidseitigem thermischem Flächenkontakt mit den breiten Seitenflächen 2 der Batteriezellen 1 (8 bis 11). Auf diese Weise wird eine Seitenkühlung der Batteriezellen 1 erreicht, die eine große Wärmeabfuhr an den Batteriezellen 1, insbesondere bei einer elektrischen Schnellladung derselben ermöglicht.
Der Batteriezellstapel ist in Stapelrichtung über an den Enden desselben angeordnete Endplatten 8, 9 elastisch verspannt. Die Kühlelemente 6 sind zur Kühlmittelversorgung jeweils an mit Kühlmittel durchströmbare Verbindungselemente 10 kühlmitteldicht angeschlossen und in Stapelrichtung der Batteriezellen 1 hintereinander in Kühlmittelverbindung angeordnet. Dabei sind sie zueinander kühlmitteldicht verschiebbar ausgebildet. Zur Durchströmung mit Kühlmittel sind die Verbindungselemente 10 mit Durchgangsöffnungen 18 ausgeführt
In Stapelrichtung der Batteriezellen 1 sind zwei Reihen 11, 12 von hintereinander und zueinander verschiebbar angeordneten Verbindungselementen 10 vorgesehen (1 und 2). Die Reihen 11, 12 sind in Längsrichtung der Batteriezellen 1 und der Kühlelemente 6 parallel beabstandet zueinander angeordnet, so dass zwischen den Reihen 11, 12, somit jeweils zwischen zwei in Stapelrichtung auf gleicher Höhe gelegenen Verbindungselementen 10 der Reihen 11, 12, die Batteriezellen 1 und die in Stapelrichtung zwischen ihnen jeweils angeordneten Kühlelemente 6 angeordnet sind.
Die in jeder Reihe 11, 12 in Stapelrichtung hintereinander angeordneten Verbindungselemente 10 mit den jeweiligen Durchgangsöffnungen 18 bilden jeweils einen Teil eines durchgehenden Kühlmittelverteilerkanals 19 zur Kühlmittelversorgung der in Stapelrichtung zwischen den Batteriezellen 1 angeordneten mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlelemente. Dabei sind die Kühlelemente 6 jeweils an ein Verbindungselement 10 der einen Reihe 11 beispielweise zur Kühlmittelzufuhr und an ein Verbindungselement 10 der anderen Reihe 12 beispielsweise zur Kühlmittelabfuhr angeschlossen.
Zum Verspannen des Batteriezellstapels über die Endplatten 8, 9 sind Vebindungsmittel 13 vorgesehen, die bevorzugt als Gewindestangen ausgeführt sind (1, 2, 7 und 8). Diese sind in Stapelrichtung in Durchgangslöchern 14 an einer ersten Endplatte 8 und in Durchgangslöchern 15 an den Verbindungselementen 10 hindurchgeführt und in eine zweite Endplatte 9 am anderen Ende des Batteriezellstapels eingeschraubt. In jeder Reihe 11, 12 sind zwei Gewindestangen 13 entsprechend eingesetzt.
Die erste Endplatte 8 ist mit den Durchgangslöchern 14 und die Verbindungselemente 10 sind mit den Durchgangslöchern 15 an den Gewindestangen 13 in Stapelrichtung verschiebbar angeordnet. Die erste Endplatte 8 ist dabei mit ihrer Innenseite an einer breiten Seitenfläche 2 einer Batteriezelle 1 flächig angelegt. Am anderen Ende des Batteriezellstapels ist entsprechend in Stapelrichtung das die letzte Batteriezelle 1 breiten Seitenfläche 2 über ein Kühlelement 7 an der Innenseite der zweiten Endplatte 9 abgestützt.
Es sind elastische Spannmittel 16 vorgesehen, die die in Stapelrichtung verschiebbar angeordnete erste Endplatte 8 und die Batteriezellen 1 in Stapelrichtung elastisch vorspannen. Die elastische Spannmittel 16 können aktive oder passive Elemente aufweisen. Bevorzugt sind als Spannmittel 16 Druckfedermittel, vorzugsweise mehrere Schraubendruckfedern vorgesehen. Diese sind in Stapelrichtung einerseits ortsfest und andererseits an der verschiebbaren ersten Endplatte 8 abgestützt. Die Schraubendruckfedern 16 sind jeweils auf einer Gewindestange 13 koaxial angeordnet und einerseits an dieser und andererseits an der Außenseite der ersten Endplatte 8 abgestützt.
Durch die elastische Spannmittel 16 ist auf diese Weise über die erste Endplatte 8 eine definierte Vorspannung der Batteriezellen 1 erreichbar. Der Kraftfluss erfolgt dabei über die breiten Seitenflächen 2 der Batteriezellen 1.
Eine Ausdehnung der Batteriezellen 1 während des Betriebs, insbesondere während einer elektrischen Landung besonders während einer elektrischen Schnellladung derselben, kann durch die elastische Verschiebung der Verbindungselemente 10 und der ersten Endplatte 8 in Stapelrichtung ausgeglichen. Dadurch ist es möglich, die von den elastischen Spannmitteln 16 aufgebrachte definierte Vorspannung der Batteriezellen 1 über weite Betriebsreiche konstant zu halten.
Zum Anschluss der Verbindungselemente 10 aneinander in Kühlmittelverbindung sind diese mit einem zentralen vorstehenden Anschlussstutzen 17 an einem Ende ausgeführt. (3 bis 6). Die Durchgangsöffnungen 18 sind zentral an den Verbindungselementen 10 und den Anschlussstutzen ausgebildet. Dabei greift jedes Verbindungselement 10 mit dem jeweiligen Anschlussstutzen 17 in Stapelrichtung in die Durchgangsöffnung 18 des jeweils benachbarten vorangehenden Verbindungselements 10 verschiebbar geführt ein.
Die in jeder Reihe 11, 12 in Stapelrichtung hintereinander angeordneten Verbindungselemente 10 mit den jeweiligen Durchgangsöffnungen 18 bilden jeweils einen Teil eines durchgehenden Kühlmittelverteilerkanals 19 zur Kühlmittelversorgung der in Stapelrichtung zwischen den Batteriezellen 1 angeordneten mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlelemente 6.
Die Durchgangsöffnungen 18 sind jeweils an der vom Anschlussstutzen 17 abgewandten Seite an der Innenwand zum Einstecken des jeweiligen anderen Anschlussstutzens 17 mit der Wandstärke S desselben nach außen abgesetzt und bilden an der Innenwand einen Absatz als definierten Anschlag 23 in Stapelrichtung (4 und 9).
Die Verbindungselemente 10 sind mit den in die jeweiligen Durchgangsöffnungen 18 eingreifenden Anschlussstutzen 17 kühlmitteldicht aneinander angeschlossen. Auf einfache Weise kann so in jeder Reihe 11, 12 insbesondere durch die Anzahl der eingesetzten Verbindungselemente 10 jeweils ein Kühlmittelverteilerkanal 19 zur Kühlmittelzufuhr zu bzw. zur Kühlmittelabfuhr von den Kühlelementen 6, modular aufgebaut werden. Dieser kann besonders einfach und kostengünstig an die Einbau- und Betriebsverhältnisse des Batteriezellstapels, insbesondere an die Anzahl der gestapelten Batteriezellen 1 und der zwischen diesen angeordneten Kühlelemente 6, angepasst werden.
Zur kühlmitteldichten Abdichtung der verschiebbar in die jeweiligen Durchgangsöffnungen 18 eingreifenden Anschlussstutzen 17 ist auf der Außenoberfläche derselben jeweils eine umlaufende Nut 20 mit einer in dieser angeordneten Dichtung 21 ausgebildet ist, die mit dem jeweiligen Anschlussstutzen 17 verschiebbar an einer Dichtfläche 22 an der Innenoberfläche der Durchgangsöffnung 18 angreift (3 bis 6 und 9). Als Dichtung 21 ist vorzugsweise jeweils ein Dichtring in die Nut 20 eingesetzt.
Die Verbindungselemente 10 sind seitlich zur Stapelrichtung nach innen jeweils an ein Kühlelement 6 kühlmitteldicht angeschlossen, so dass die Kühlelemente 6 mit den jeweils angeschlossenen Verbindungselementen 10 im Betrieb mitverschiebbar sind. Hierzu bilden die Verbindungselemente 10 jeweils einen von der Durchgangsöffnung 18 ausgehenden seitlich zur Innenseite hin durchgehenden Kühlmittelseitenkanal 36. Dieser dient zur Kühlmittelverbindung mit den zwischen den Reihen 11, 12 der Verbindungselemente 10 angeordneten Kühlelementen 6 (2, 4 und 5).
Im Bereich des Kühlmittelseitenkanal 36 sind die Verbindungselemente 10 an der Innenseite jeweils mit den Kühlelementen 6 kühlmitteldicht als eine Baueinheit in Stapelrichtung mit diesen verschiebbar verbunden. Dadurch kann bei einer Volumenänderung der Batteriezellen 1 im Betrieb an den verschiebbaren Verbindungselementen 10 die Kühlmittelführung im Betrieb automatisch angepasst werden und eine sichere Kühlung der Batteriezellen 1 gewährleistet werden.
Im Bereich des Kühlmittelseitenkanals 36 kann beispielsweise ein Anschlussstutzen vorgesehen sein, mit dem das jeweilige Verbindungselement 10 an der Innenseite in einen am Kühlelement 6 ausgebildeten Kühlmittelkanal 24 mit einer Dichtung eingesteckt ist.
Die Kühlelemente 6 weisen ein U-Form ähnliches Querschnittsprofil auf und sind vorzugsweise als Gleichteile ausgeführt. Als Werkstoff ist bevorzugt Aluminium vorgesehen. Dadurch sind die Kühlelemente 6 in Leichtbauweise durch Spritzguss einfach und kostengünstig herstellbar. Sie weisen im Querschnittsprofil in Stapelrichtung ausgerichtete freie U-Schenkel 25, 26 und eine zu diesen rechtwinklig angeordnete diese verbindende U-Basis 27 auf. Sie Die U-Schenkel 25, 26 und die U-Basis 27 umfassen jeweils eine Batteriezelle 1 in thermischem Kontakt (10 und 11).
Die U-Schenkel 25, 26 liegen dabei mit an ihren einander zugewandten Innenseiten gebildeten planen Wärmeleitflächen 28, 29 an den planen Ober- und Unterseiten 3, 4 der Batteriezellen 1 plan an, während in Stapelrichtung die jeweilige Batteriezelle 1 mit einer breiten Seitenfläche 2 an der U-Basis 27 plan anliegt. Dabei bleibt die andere Seitenfläche 2 der Batteriezelle 1 an der offenen Seite des U-förmigen Querschnittsprofils zum benachbarten Kühlelement 6 hin frei. Dadurch kann die jeweilige Batteriezelle 1 an dieser Seite an den U-Schenkeln 25, 26 des Kühlelements 6 in Stapelrichtung zum Kontakt mit dem benachbarten Kühlelement 6 und zur Vorspannung leicht vorstehen (10).
Zudem können sich so die Batteriezelle 1 bei einer elektrischen Ladung derselben jeweils an den Seitenflächen 2 in Stapelrichtung ausdehnen. Dabei wird die Ausdehnung durch die mit den Kühlelementen 6 verbundenen in Stapelrichtung verschiebbaren Verbindungselemente 10 in den Reihen 11, 12 und durch die elastisch verschiebbare erste Endplatte 8 aufgenommen, so dass die Vorspannung des Batteriezellstapels über alle Betriebsbereiche im optimalen Bereich konstant gehalten werden kann.
Die U-Basis 27 bildet ein rechteckiges Querschnittsprofil mit in Stapelrichtung ausgerichteten breiten Außenseitenflächen als Kühlflächen 30, 31 jeweils in thermischem Kontakt mit einer Batteriezelle 1 (10). Dadurch wird in Stapelrichtung an beiden Seitenflächen 2 der Batteriezellen 1 ein thermischer Kontakt mit jeweils einem Kühlelement 6 erreicht.
Im Bereich der Kühlflächen 30, 31 verläuft in der U-Basis 27 in Längsrichtung der Kühlelemente 6 ein einziger Kühlmittelkanal 24 mit rechteckigem Querschnittsprofil. Dieser ist mit in Stapelrichtung ausgerichteten breiten Seitenwandabschnitten 32, 33 jeweils korrespondierend mit den Kühlflächen 30, 31 ausgebildet. Der Kühlmittelkanal 24 bildet auf diese Weise eine große Querschnittsfläche, wodurch der Druckverlust im Kühlmittelstrom reduziert werden und ein großer Kühlmitteldurchsatz mit großer Wärmeabfuhr, insbesondere während einer elektrischen Schnellladung erreichbar ist.
Die Verbindungselemente 10 sind vorzugweise als Block oder Klotz in Form eines rechteckigen Quaders ausgebildet, der sich in seiner Längsrichtung über die durch die Ober- und Unterseite 3, 4 begrenzte Höhe der Batteriezellen 1 beziehungsweise über die Höhe der zu diesen parallel angeordneten Kühlelemente 6 erstreckt (1 bis 5 und 9). Jedes Verbindungselement 10 weist eine in Stapelrichtung der Batteriezellen 1 zentral durchgehende Durchgangsöffnung 18 in Form eines Langlochs auf. Dieses erstreckt sich mit parallelen Längsseiten in Längsrichtung des Quaders und halbkreisförmigen Enden bildet deren Durchmesser jeweils der Breite des Langlochs entsprechen. Die Durchgangsöffnungen 18 erstrecken sich zentral durch die Anschlussstutzen 17, der jeweils eine entsprechende Form aufweist.
Die Verbindungselemente 10 sind zu den Stirnseiten 5 der Batteriezellen 1 in Längsrichtung derselben durch einen Luftspalt beabstandet angeordnet. Dort sind die elektrischen Anschlüsse 34 der Batteriezellen 1 ausgebildet (6, 9 und 10).
Die Verbindungselemente 10 können besonders material- und gewichtssparend als Hohlkörper mit einer Strebenstruktur zur Versteifung im Innern, auch halb offen, oder aus Vollmaterial ausgeführt sein (1 bis 5 und 9). Als Werkstoff ist für die Verbindungselemente 10 vorzugsweise Kunststoff vorgesehen, wodurch eine besonders gewichtssparende Ausführung und eine einfache Herstellung, insbesondere durch Spritzguss, möglich ist. Die Verbindungselemente 10 sind vorzugsweise als kostengünstige Gleichteile ausgeführt.
Die Anordnungen können mit den jeweils als Gleichteilen ausgeführten Kühlelementen 6 und Verbindungselementen 10 in Modulbauweise aus vorgefertigten Modulen nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt und in besonders kostengünstiger Serienfertigung hergestellt werden. Zudem sind die Anordnungen besonders einfach an spezielle Einsatzbedingungen (Einbauverhältnisse, Betriebsweise) anpassbar.
Der Batteriezellstapel ist an den Endplatten 8, 9 im Bereich der jeweiligen Reihe 11, 12 der Verbindungselemente 10 und den an diesen gebildeten Kühlmittelverteilerkanäle über nicht dargestellte Kühlmittelanschlüssen an einen Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs anschließbar.
In 12 und 13 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Abstützplatte 35 parallel beabstandet zur verschiebbaren ersten Endplatte 8 an der Außenseite letzterer angeordnet. Die als Schraubendruckfedern ausgeführten elastischen Spannmittel 16 sind in Stapelrichtung zwischen der Abstützplatte 35 und der verschiebbaren ersten Endplatte 8 wirkend und an diesen jeweils abgestützt angeordnet. Dadurch wird eine Krafteinleitung zur Vorspannung der Batteriezellen 1 über die Innenfläche der ersten Endplatte 8 auf die an dieser mit der breiten Seitenfläche 2 anliegenden ersten Batteriezelle 1 mit optimaler Kraftverteilung ermöglicht. Die Schraubendruckfedern 16 können dabei, wie dargestellt, koaxial auf den Gewindestangen 13 und außerhalb dieser in dem zwischen den Gewindestangen 13 gelegenen Bereich an der Abstützplatte 35 und der verschiebbaren ersten Endplatte 8 angeordnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Seitenfläche
3: Oberseite
4: Unterseite
5: Stirnseite
6: Kühlelement
7: Seitenfläche
8: Endplatte
9: Endplatte
10: Verbindungselement
11: Reihe
12: Reihe
13: Verbindungsmittel, Gewindestange
14: Durchgangsloch
15: Durchgangsloch
16: elastische Spannmittel, Schraubendruckfeder
17: Anschlussstutzen
18: Durchgangsöffnung
19: Kühlmittelverteilerkanal
20: Nut
21: Dichtung
22: Dichtfläche
23: Anschlag, Absatz
24: Kühlmittelkanal
25: U-Schenkel
26: U-Schenkel
27: U-Basis
28: Wärmeleitfläche
29: Wärmeleitfläche
30: Kühlfläche
31: Kühlfläche
32: Seitenwandabschnitt
33: Seitenwandabschnitt
34: elektrischer Anschluss
35: Abstützplatte
36: Kühlmittelseitenkanal
S: Wandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140178736 A1 [0002]

Claims

Anordnung zur Kühlung eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug, mit mehreren mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlelementen (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) jeweils an mit Kühlmittel durchströmbare Verbindungselemente (10) zur Kühlmittelversorgung kühlmitteldicht angeschlossen und letztere in Stapelrichtung der Batteriezellen (1) hintereinander in Kühlmittelverbindung und zueinander kühlmitteldicht verschiebbar angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungselementen (10) zur Durchströmung mit Kühlmittel korrespondierende Durchgangsöffnungen (18) in Stapelrichtung vorgesehen sind, die jeweils einen Teilabschnitt eines in Stapelrichtung an den hintereinander angeordneten Verbindungselementen (10) durchgehenden Kühlmittelverteilerkanals (19) zur Kühlmittelversorgung der Kühlelemente (6) bilden.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (10) jeweils in Stapelrichtung an einem Ende mit einem Anschlussstutzen (17) ausgeführt sind und zur Kühlmittelverbindung mit dem jeweiligen Anschlussstutzen (17) in die Durchgangsöffnung (18) des jeweils benachbarten vorangehenden Verbindungselements (10) verschiebbar kühlmitteldicht eingreifen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur kühlmitteldichten Abdichtung auf der Außenoberfläche der Anschlussstutzen (17) jeweils eine bei einer Verschiebung mit diesem mitbewegbar angeordnete Dichtung (21) vorgesehen ist, die an einer Dichtfläche (22) an der Innenoberfläche der Durchgangsöffnungen (18) verschiebbar angreift.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (10) jeweils einen von den Durchgangsöffnungen (18) ausgehenden seitlich zur Innenseite hin durchgehenden Kühlmittelseitenkanal (36) zur Kühlmittelverbindung mit den Kühlelementen (6) bilden und an der Innenseite jeweils mit den Kühlelementen (6) kühlmitteldicht als eine Baueinheit in Stapelrichtung verschiebbar verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtung der Batteriezellen (1) zwei Reihen (11, 12) mit jeweils hintereinander und zueinander verschiebbar angeordneten Verbindungselementen (10) vorgesehen sind und die Kühlelemente (6) jeweils an ein Verbindungselement (10) der einen Reihe (11) zur Kühlmittelzufuhr und an ein Verbindungselement (10) der anderen Reihe (12) zur Kühlmittelabfuhr angeschlossen sind.
Anordnung zum Verspannen eines Batteriezellstapels für ein Fahrzeug über Endplatten (8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass zum Verspannen des Batteriezellstapels elastische Spannmittel (16) vorgesehen sind, die über eine in Stapelrichtung verschiebbar angeordnete Endplatte (8) die Batteriezellen (1) in Stapelrichtung elastisch vorspannen.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als elastische Spannmittel (16) mehrere Schraubendruckfedern vorgesehen sind, die auf mehreren Gewindestangen (13) koaxial angeordnet sind, die jeweils an der verschiebbaren Endplatte hindurchgeführt und in eine weitere Endplatte (9) eingeschraubt sind, wobei die Schraubendruckfedern jeweils einerseits an den Gewindestangen (13) und andererseits an der verschiebbaren Endplatte (8) abgestützt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützplatte (35) parallel beabstandet zur verschiebbaren Endplatte (8) angeordnet ist, wobei die elastischen Spannmittel (16) in Stapelrichtung zwischen der Abstützplatte (35) und der verschiebbaren Endplatte (8) wirkend angeordnet und einerseits an der Abstützplatte (35) und andererseits an der verschiebbaren Endplatte (8) abgestützt sind.
Batteriezellstapel für ein Fahrzeug mit zumindest einer Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.