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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Anordnung von Batteriezellen und zwischen den Batteriezellen angeordneten Temperierelementen. Die Temperierelemente stellen Kühlkanäle für eine Direktkühlung der Batteriezellen bereit und sind wenigstens teilweise flexibel ausgebildet, um Volumenänderungen der Batteriezellen kompensieren zu können.
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Eine Batterieeinrichtung mit solchen Temperierelementen ist beispielsweise aus der
DE 10 2018 221 477 A1 bekannt. Dabei muss in der Regel beachtet werden, dass die Kühlkanäle aufgrund der entstehenden Druckkräfte (zum Beispiel Anschwellen der Batteriezellen, sogenanntes Cell-Swelling) nicht kollabieren oder ihren Strömungsquerschnitt unerwünscht verändern.
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Aus der
DE 10 2019 128 143 A1 ist eine Temperier- und Abstützeinrichtung für ein Batteriemodul mit einem elastisch komprimierbaren Temperierelement bekannt. Das Temperierelement weist zwei gegenüberliegende Kanalwände auf, welche an Breitseiten der Batteriezellen anliegen und dadurch einen Temperierkanal für das Temperierfluid begrenzen. Das Temperierfluid steht somit nur indirekt über die Kanalwände mit den Batteriezellen in Kontakt. Das Temperierelement weist zudem eine elastisch komprimierbare, trapezblechartige Stützstruktur auf, welche in dem Temperierkanal angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine das Temperierelement komprimierende Kraft aufzunehmen und dabei einen vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt aufrechtzuerhalten.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batterieeinrichtung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise sollen eine zuverlässige Direktkühlung und eine zuverlässige Kompensation von Volumenänderungen der Batteriezellen möglich sein. Zugleich soll die Lösung kompakt und Bauraum sparend und unaufwendig herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung ist für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug und beispielsweise für ein Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug vorgesehen. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens eine Anordnung von Batteriezellen und zwischen den Batteriezellen angeordnete Temperierelemente. Die Temperierelemente stellen (zwischen sich und einer Batteriezellenoberfläche verlaufende) Kühlkanäle für eine Direktkühlung der Batteriezellen bereit. Die Temperierelemente sind wenigstens teilweise flexibel ausgebildet, um (betriebsbedingte) Volumenänderungen der Batteriezellen wenigstens teilweise kompensieren zu können. Dabei weisen die Temperierelemente jeweils eine wellenförmige Querschnittsgeometrie auf. Insbesondere werden durch die Querschnittsgeometrie zwischen einer Kanaloberfläche und einer Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur ausgebildet. Insbesondere weist die glockenförmige Querschnittskontur in einem Zentralabschnitt einen maximalen Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche auf. Der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche nimmt in Richtung zu den Randabschnitten der glockenförmigen Querschnittskontur ab, sodass die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen. Dabei sind im Zentralabschnitt und/oder in den Randabschnitten Stützstrukturen ausgebildet, um die Temperierelemente an den Batteriezellen abzustützen. Dabei umfassen die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens einen bis zur Batteriezelle ragenden Steg. Zusätzlich oder alternativ umfassen die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Keilprofil mit einer keilförmigen Querschnittsfläche.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten die glockenförmige Querschnittskontur und die darin angeordneten Stützstrukturen. So kann durch die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen die Biegelänge des Temperierelements beispielsweise halbiert werden. Durch die in den Randabschnitten angeordneten Stützstrukturen kann die Biegelänge weiter reduziert werden, ohne dass es zu einer ungünstigen Verringerung des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals kommt. Denn in den Randabschnitten findet in der Regel nur ein wenig relevanter Volumenstrom statt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erfindung trotz der Abstützung eine zuverlässige Kompensation der Volumenänderungen der Batteriezellen ermöglicht. Insgesamt ermöglicht die Erfindung dadurch eine zuverlässige Direktkühlung, deren Kühlkanäle mit Blick auf die Volumenänderungen der Batteriezellen sicher und zugleich Bauraum sparend und konstruktiv unaufwendig stabilisiert sind.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Temperierelemente jeweils wenigstens zwei Decklagen und jeweils wenigstens eine zwischen den Decklagen angeordnete flexible Zwischenlage umfassen. Vorzugsweise sind die Stützstrukturen an wenigstens einer der wenigstens zwei Decklagen angeordnet. Insbesondere erstrecken sich die Stützstrukturen zwischen der Decklage und den Batteriezellen. Insbesondere sind die Decklagen und die Zwischenlagen fest miteinander verbunden. Insbesondere bilden die Decklagen und die Zwischenlagen und die Stützstrukturen einen Verbundkörper. Insbesondere sind die Temperierelemente als Verbundkörper ausgebildet.
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Vorzugsweise weisen die Decklagen (jeweils eines Temperierelements) zueinander einen parallelen wellenförmigen Verlauf auf. Insbesondere weisen die Decklagen entlang ihres wellenförmigen Verlaufs einen (im Wesentlichen) gleich bleibenden Abstand zueinander auf. Insbesondere weisen die Decklagen und/oder die Zwischenlagen eine (im Wesentlichen) kontinuierliche Stärke auf. Insbesondere weisen die Temperierelemente eine (im Wesentlichen) kontinuierliche Stärke auf. Mit anderen Worten, die Decklagen sind (im Wesentlichen) mit einem gleich bleibenden Abstand zueinander angeordnet. Diese Angaben beziehen sich insbesondere auf einen Grundzustand der Temperierelemente. Im Rahmen einer Kompensation einer betriebsbedingten Volumenänderung der Batteriezellen können sich diese Dimensionen bzw. Relationen ändern.
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Die Zwischenlage ist vorzugsweise flexibel und insbesondere elastisch ausgebildet.
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Insbesondere dienen die Decklagen zur Druckverteilung auf die Zwischenlagen. Vorzugsweise sind die Decklagen steif ausgebildet und besonders bevorzugt steifer als die Zwischenlagen ausgebildet. Insbesondere sind die Zwischenlagen dazu geeignet und ausgebildet, die Volumenänderungen der Batteriezellen mittels elastischer Verformung wenigstens teilweise zu kompensieren. Die Decklagen sind insbesondere insoweit flexibel ausgebildet, dass sie der elastischen Verformung der Zwischenlagen wenigstens teilweise folgen können. Insbesondere wird eine solche Verformbarkeit wenigstens teilweise durch die wellenförmige Querschnittsgeometrie der Decklagen unterstützt bzw. ermöglicht.
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Insbesondere sind die Stützstrukturen an den Temperierelementen und vorzugsweise an den Decklagen befestigt. Insbesondere sind die Stützstrukturen fest und vorzugsweise nicht zerstörungsfrei lösbar daran befestigt. Möglich ist auch, dass die Stützstrukturen wenigstens teilweise separat zu den Temperierelementen ausgebildet sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Stützstrukturen wenigstens teilweise einstückig mit den Temperierelementen und vorzugsweise mit den Decklagen ausgebildet. Insbesondere bilden die Stützstrukturen dann zusammen mit den Temperierelementen einen Verbundkörper. Insbesondere sind wenigstens die Stützstrukturen der Randabschnitte und/oder die Stützstrukturen der Zentralabschnitte einstückig mit den Temperierelementen und insbesondere mit den Decklagen ausgebildet.
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Es ist möglich und vorteilhaft, dass wenigstens die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen durch wenigstens teilweises Auffüllen des jeweiligen Randabschnitts mit einem Werkstoff der Decklage gebildet sind. Insbesondere können auch die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen aus dem Werkstoff der Decklage gebildet sein. Möglich ist auch, dass die Stützstrukturen der Randabschnitte und/oder Zentralabschnitt aus einem anderen Werkstoff als die Decklage gebildet sind.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt und vorteilhaft, dass die Stützstrukturen in Längsrichtung der Kühlkanäle und/oder in einer Hauptströmungsrichtung eines Kühlmediums im Kühlkanal verlaufen. Die Längsrichtung der Kühlkanäle und die Längsrichtung der Stützstrukturen sind insbesondere parallel. Insbesondere sind die Stützstrukturen in den jeweiligen wellenförmigen Querschnittsgeometrien beabstandet zueinander angeordnet. Insbesondere sind zwischen den Stützstrukturen der Randabschnitte und der wenigstens einen Stützstruktur des Zentralabschnitts freie Bereiche ausgebildet, welche zusammen den Strömungsquerschnitt eines Kühlkanals bereitstellen.
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In einer bevorzugten und besonders vorteilhaften Weiterbildung sind an den Stützstrukturen wenigstens teilweise Verwirbelungskörper angeordnet. Die Verwirbelungskörper dienen insbesondere zur Verwirbelung eines in den Kühlkanälen strömenden Kühlmediums. Die Verwirbelungskörper können auch als Turbulatoren bezeichnet werden. Insbesondere dienen die Verwirbelungskörper dazu, einer laminaren Strömung in den Kühlkanälen entgegenzuwirken. Insbesondere erstrecken sich die Verwirbelungskörper quer zur Längsachse der Stützstrukturen und/oder quer zu einer Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums innerhalb der Kühlkanäle. Die Verwirbelungskörper erstrecken sich insbesondere in den Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals.
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Vorzugsweise ragen die Verwirbelungskörper, welche an den im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen angeordnet sind, und die Verwirbelungskörper, welche an den im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen angeordnet sind, versetzt zueinander in einen Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals. Insbesondere sind die Stützstrukturen jeweils einer glockenförmigen Querschnittskontur wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Verwirbelungskörper so angeordnet, dass sie den Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals wenigstens teilweise labyrinthartig versperren.
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Es ist erfindungsgemäß und vorteilhaft, dass die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens einen bis zur (jeweiligen) Batteriezelle ragenden Steg umfassen oder als solcher ausgebildet sind und/oder dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Keilprofil umfassen oder als solches ausgebildet sind. Das Keilprofil weist insbesondere eine keilförmige Querschnittsfläche auf. Insbesondere wird das Keilprofil durch wenigstens teilweises Auffüllen des Randabschnitts mit einem Werkstoff und vorzugsweise dem Werkstoff der Decklage gebildet. Möglich ist auch, dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Steg umfassen.
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Insbesondere sind die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils dort angeordnet, wo die glockenförmige Querschnittskontur den maximalen Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche aufweist. Insbesondere sind die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen genau mittig angeordnet. Die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen können aber auch (leicht) außermittig bzw. versetzt zum maximalen Abstand angeordnet sein.
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Es ist bevorzugt, dass sich die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils bis dorthin erstrecken, wo die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen. Möglich ist auch, dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen (kurz) vor dem Ort enden, wo die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen.
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Die Temperierelemente sind insbesondere jeweils als ein Wellenprofil ausgebildet. Insbesondere umfassen die Temperierelemente Wellenberge und Wellentäler, wobei zwischen den Wellenbergen und den Wellentälern die Kühlkanäle ausgebildet und die Stützstrukturen angeordnet sind. Insbesondere wird der Strömungsquerschnitt jeweils eines Kühlkanals durch die Decklage und die Zellenoberfläche und die Stützstrukturen begrenzt. Insbesondere nimmt der Strömungsquerschnitt quer zur Längsachse des Kühlkanals und quer zur Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums von den Randabschnitten aus in Richtung des Zentralabschnitts zu.
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Die Stützstrukturen der Randabschnitte sind insbesondere dort, wo der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche weniger als die Hälfte und vorzugsweise weniger als ein Drittel des maximalen Abstands beträgt. Die Stützstrukturen des Zentralabschnitts sind insbesondere dort angeordnet, wo der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche mehr als 80 % und vorzugsweise mehr als 90 % des maximalen Abstands beträgt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Kühlung auch eine Temperierung verstanden, bei welcher die Batteriezellen sowohl gekühlt als auch erwärmt werden können. Insbesondere ist die Direktkühlung auch dazu geeignet, die Batteriezellen bei Bedarf zu erwärmen.
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Insbesondere bilden die Temperierelemente mit ihrer wellenförmigen Querschnittsgeometrie zwischen sich und der Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur aus. Insbesondere bilden die Temperierelemente zwischen sich und einer Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur aus. Insbesondere sind die Temperierelemente flächig ausgebildet.
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Insbesondere umfassen die Stützstrukturen wenigstens eine Zentralstütze (z. B. Steg), welche sich im Zentralabschnitt befindet und wenigstens zwei Randstützen (z. B. Keilprofil), welche sich in jeweils einem Randabschnitt der glockenförmigen Querschnittskontur des jeweiligen Kühlkanals befinden. Insbesondere ist beidseitig vom Zentralabschnitt jeweils ein Randabschnitt vorgesehen.
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Die Stützstrukturen erstrecken sich insbesondere zwischen den Temperierelementen und den Batteriezellen. Der Strömungsquerschnitt für ein Kühlmedium ist insbesondere zwischen den Stützstrukturen und den Temperierelementen und den Batteriezellen ausgebildet. Insbesondere stützen die Stützstrukturen die Decklage an der Batteriezelle ab.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;
- 2 eine Detaildarstellung der Batterieeinrichtung in einer entlang der Linie A-A der 1 geschnittenen Ansicht;
- 3 eine Detaildarstellung der Batterieeinrichtung in einer entlang der Linie B-B der 2 geschnittenen Ansicht; und
- 4 eine Weiterbildung der Batterieeinrichtung der 3.
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Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Batterieeinrichtung 1 mit einer Anordnung von Batteriezellen 2 und zwischen den Batteriezellen 2 angeordneten Temperierelementen 3. Die Batteriezellen 2 und die Temperierelemente 3 sind in einem Gehäuse 11 untergebracht. Die Temperierelemente 3 stellen jeweils eine Mehrzahl von Kühlkanälen 13 für eine Direktkühlung der Batteriezellen 2 bereit. Die Kühlkanäle 13 sind hier zwischen der Zellenoberfläche 12 der Batteriezellen 2 und der von den Temperierelementen 3 gebildeten Kanaloberfläche 33 ausgebildet. Die Temperierelemente 3 sind hier flexibel ausgebildet und dienen zur Kompensation von betriebsbedingten Volumenänderungen der Batteriezellen 2.
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Für die Direktkühlung ist hier ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen, welches über einen Zulauf 21 in das Gehäuse 11 strömt und dort in den Kühlkanälen 13 entlang der Batteriezellen 2 strömt. Die Strömungen 7 sind hier durch Pfeile skizziert. Über einen Ablauf 31 kann das Kühlmedium das Gehäuse 11 wieder verlassen.
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Die Temperierelemente 3 sind hier hinsichtlich ihrer Ausdehnung variabel, um die auftretenden Volumenänderungen der Batteriezellen 2 zu kompensieren, ohne dass die Kühlleistung bzw. ein Strömungsquerschnitt 130 der Kühlkanäle 13 unerwünscht beeinträchtigt wird. Dazu sind die Temperierelemente 3 mit steifen Decklagen 43 ausgestattet. Zwischen den Decklagen 43 ist eine flexible bzw. elastische Zwischenlage 53 angeordnet. Die Zwischenlage 53 baut zum einen den für die Batteriezellen 2 erforderlichen Druck auf und gleicht zum anderen die Volumenänderung der Batteriezellen 2 aus.
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Die Decklagen 43 verlaufen hier parallel zueinander bzw. weisen denselben Abstand zueinander auf. Somit steht für die dazwischen angeordnete Zwischenlage 53 stets der gleiche Raum bereit. Dadurch kann die Zwischenlage 53 besonders gleichmäßig belastet bzw. verpresst werden, wenn sich die Batteriezellen 2 ausdehnen. So ergibt sich eine besonders homogene Druckkraft in die Zellenoberfläche 12. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Decklagen 43 auch eine Abdichtung der Kühlkanäle 13 zu der Zwischenlage 53 übernehmen. So können auch solche Zwischenlagen 53 eingesetzt werden, welche sonst zu Spalten oder Leckagepfaden führen würden.
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Zur Einsparung von Bauraum sind die Temperierelemente 3 hier möglichst dünn aufgebaut. Dies hat zur Folge, dass die Decklagen 43 bei sehr geringen Wandstärken sehr flexibel werden. Dadurch ist es umso wichtiger, dass die Kühlkanäle 13 aufgrund der entstehenden Druckkräfte durch ein Anschwellen der Batteriezellen 2 nicht ihren vorgesehenen Strömungsquerschnitt 130 verändern oder gar kollabieren.
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Um dies zu gewährleisten, weisen die Temperierelemente 3 hier eine wellenförmige Querschnittsgeometrie 23 mit Stützstrukturen 5 auf. Dadurch wird eine glockenförmige Querschnittskontur 4 ausgebildet. Die glockenförmige Querschnittskontur 4 weist in einem Zentralabschnitt 14 einen maximalen Abstand 140 zwischen der Kanaloberfläche 33 und der Zellenoberfläche 12 auf. In Richtung zu den Randabschnitten 24 nimmt der Abstand 140 ab. In den Randabschnitten 24 treffen die Kanaloberfläche 33 und die Zellenoberfläche 12 schließlich aufeinander.
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Im Zentralabschnitt 14 ist eine hier als Steg 15 ausgebildete Stützstruktur 5 vorgesehen. Beispielsweise befindet sich der Steg 15 genau in der Mitte des jeweiligen Kühlkanals 13 und dient als eine Art Stützrippe. Dadurch wird die freie Biegelänge halbiert.
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Zudem sind hier in den Randabschnitten 24 Stützstrukturen 5 ausgebildet. In dem hier gezeigten Beispiel sind diese Stützstrukturen 5 als Keilprofil mit einer keilförmigen Querschnittsfläche ausgebildet. In den hier gezeigten Randabschnitten 24 findet aufgrund des spitz zulaufenden Kühlkanals 13 in der Regel kein bzw. fast kein Volumenstrom statt. Daher eignen sich die Randabschnitte 24 besonders gut zur Anordnung der Stützstruktur 5. Beispielsweise werden die Randabschnitte 24 dazu mit dem Werkstoff der Decklage 43 aufgefüllt. Eine unerwünschte Verformung der Decklagen 43 aufgrund zu starker Druckkräfte wird dadurch wirkungsvoll entgegengewirkt.
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Die 3 skizziert die Strömungen 7 des Kühlmediums zwischen den Stützstrukturen 5 eines Kühlkanals 13 der Batterieeinrichtung 1 der 1.
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In der 4 sind die Stützstrukturen 5 mit Verwirbelungskörpern 6 ausgestattet. Die Verwirbelungskörper 6 an den Keilprofilen 25 sind hier versetzt zu den Verwirbelungskörpern 6 am Steg 15 angeordnet. So wird der Strömungsquerschnitt 130 labyrinthartig versperrt. Dadurch wird das Kühlmedium verwirbelt und es kommt zu einer turbulenten Strömung und somit zu einer besseren Wärmeaufnahme und einer insgesamt verbesserten Kühlleistung.
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Die hier vorgestellte Aussteifung mittels der Stützstrukturen 5 bringt insgesamt nur eine sehr geringe Reduzierung des Strömungsquerschnitts 130 mit sich. Zudem sind dadurch sehr dünne Wandstärken der Decklagen 43 möglich, sodass insgesamt höhere Druckkräfte aufgenommen werden können und Bauraum eingespart wird.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Batterieeinrichtung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Temperierelement
- 4
- Querschnittskontur
- 5
- Stützstruktur
- 6
- Verwirbelungskörper
- 7
- Strömung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Zellenoberfläche
- 13
- Kühlkanal
- 14
- Zentralabschnitt
- 15
- Steg
- 21
- Zulauf
- 23
- Querschnittsgeometrie
- 24
- Randabschnitt
- 25
- Keilprofil
- 31
- Ablauf
- 33
- Kanaloberfläche
- 43
- Decklage
- 53
- Zwischenlage
- 130
- Strömungsquerschnitt
- 140
- Abstand
