(19)
(11)EP 3 537 500 A1

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
11.09.2019  Patentblatt  2019/37

(21)Anmeldenummer: 18159880.6

(22)Anmeldetag:  05.03.2018
(51)Int. Kl.: 
H01M 2/10  (2006.01)
H01M 10/6557  (2014.01)
H01M 10/625  (2014.01)
H01M 10/653  (2014.01)
H01M 10/613  (2014.01)
H01M 10/643  (2014.01)
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME
Benannte Validierungsstaaten:
KH MA MD TN

(71)Anmelder: VARTA Microbattery GmbH
73479 Ellwangen (DE)

(72)Erfinder:
  • Hald, Stefan
    73479 Ellwangen (DE)
  • Kloos, Dieter
    74579 Fichtenau (DE)

(74)Vertreter: Patentanwaltskanzlei Cartagena 
Partnerschaftsgesellschaft Klement, Eberle mbB Urbanstraße 53
70182 Stuttgart
70182 Stuttgart (DE)

  


(54)BATTERIEPACK MIT EINER MEHRZAHL VON BATTERIEMODULEN


(57) Ein Batteriepack (100), welches eine Mehrzahl von Batteriemodulen (10, 11, 12, 13, 14) aufweist, umfasst einen Abstandhalter (20), der zwischen den Batteriemodulen (10, 11, 12, 13, 14) angeordnet ist. Der Abstandhalter (20) umfasst ein erstes Kühlelement (30) aus einem ersten Wärmeleitmaterial, das mit einem ersten der Batteriemodule (10) in flächigem Kontakt steht, und ein zweites Kühlelement (32) aus einem zweiten Wärmeleitmaterial, das mit einem zweiten der Batteriemodule (11) in flächigem Kontakt steht. Weiterhin umfasst er einen Zwischenraum (40) zwischen den Kühlelementen (30, 32), der mindestens teilweise mit einem Isoliermaterial befüllt ist. Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das erste und als das zweite Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des ersten Batteriemoduls (10) nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des zweiten Batteriemoduls (11) resultiert.




Beschreibung


[0001] Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft ein Batteriepack, welches eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufweist.

[0002] Der Begriff "Batteriepack" soll im Kontext der beschriebenen Erfindung sehr breit ausgelegt werden, nämlich als Anordnung mehrerer Batteriemodule, die sich gegenseitig thermisch beeinflussen können. Das Batteriepack kann eine Hülle oder ein Gehäuse umfassen, in der oder dem die Batteriemodule in einem Verbund angeordnet sind, muss es aber nicht. Solche Batteriepacks mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen können sowohl in stationären Systemen, etwa dem in der DE 102012209744 A1 beschriebenen Batterieschrank, als auch in mobilen Systemen, beispielsweise als Bestandteil einer KFZ-Batterie, Anwendung finden. Bei den Batteriemodulen kann es sich hierbei um einzelne elektrochemische Zellen (Einzelzellen) handeln oder aber auch um Verbünde aus zwei oder mehr solcher Zellen. Innerhalb eines solchen Verbunds können die Einzelzellen wiederum durch parallele und/oder serielle Verschaltung miteinander verbunden sein.

[0003] Grundsätzlich ist man bestrebt, Batteriepacks möglichst kompakt auszubilden, also auf möglichst kleinem Raum so viele Batteriemodule wie möglich anzuordnen. Da Batteriemodule bereits im Normalbetrieb einen nicht unerheblichen Wärmeausstoß haben, müssen Batteriepacks häufig gekühlt werden.

[0004] Wenn ein Batteriemodul in einen irregulären Zustand gerät, beispielsweise in Folge einer Überladung oder einer mechanischen Beschädigung, kann es sich sehr stark erhitzen. Ist das Batteriemodul Bestandteil eines Batteriepacks, so kommt es unvermeidlich zu einem Wärmeübertrag auf benachbarte Batteriemodule, die durch die Erwärmung ebenfalls in einen irregulären Zustand überführt werden können. Dieser Effekt ist unter dem Begriff Propagation bekannt.

[0005] Aus dem Stand der Technik sind Abstandhalter für Batteriepacks bekannt, die die einzelnen Batteriemodule räumlich voneinander trennen. Beispielsweise ist aus der US 2016/0172642 A1 ein Abstandhalter mit triangulärem Design bekannt, der zwischen einer Zellgruppe aus drei zylindrischen Batteriemodul angeordnet ist. Der Abstandhalter besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, das gegebenenfalls auch einer Propagation entgegenwirken könnte. Da der Abstandhalter den Zwischenraum zwischen den drei zylindrischen Batteriemodulen vollständig ausfüllt, behindert es allerdings auch eine mögliche Konvektion und damit eine Kühlung der Batteriemodule.

[0006] Aus der EP 2 615 661 A1 ist ein Abstandhalter mit einem rechteckigen Rahmen, in dem Aufnahmeteile für Batteriemodule angeordnet sind, bekannt. Bevorzugt ist der Abstandhalter aus Kunststoff gefertigt und dürfte damit ebenfalls einer möglichen Propagation entgegenwirken. Eine Kühlung der Batteriemodule kann durch Kanäle in dem Abstandhalter erfolgen, in denen gegebenenfalls auch Sensoren zur Erfassung der Temperatur der Batteriemodule angeordnet sein können.

[0007] Ein weiterer Abstandhalter aus einem Kunststoff ist aus der EP 2 375 471 A2 bekannt. Auch hier ist der kombinierte Einsatz des Abstandhalters mit einem Temperatursensor beschrieben.

[0008] Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Batteriepack mit einem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Abstandhalter bereitzustellen.

[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung das Batteriepack mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0010] Das erfindungsgemäße Batteriepack weist wie alle gattungsgemäßen Batteriepacks eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf. Im Gegensatz zu diesen zeichnet es sich allerdings durch eine Kombination der folgenden Merkmale aus:
  • Es umfasst einen Abstandhalter, der zwischen den Batteriemodulen angeordnet ist.
  • Der Abstandhalter umfasst ein erstes Kühlelement aus einem ersten Wärmeleitmaterial, das mit einem ersten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht.
  • Der Abstandhalter umfasst ein zweites Kühlelement aus einem zweiten Wärmeleitmaterial, das mit einem zweiten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht.
  • Der Abstandhalter umfasst einen Zwischenraum zwischen den Kühlelementen, der mindestens teilweise mit einem Isoliermaterial befüllt ist.
  • Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das erste und als das zweite Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des ersten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des zweiten Batteriemoduls resultiert.


[0011] Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Abstandhaltern weist der Abstandhalter des erfindungsgemäßen Batteriepacks große Vorteile auf. Die Kühlelemente gewährleisten, dass die mit ihnen im flächigen Kontakt stehenden Batteriemodule entwärmt werden können. Unter einem flächigen Kontakt soll hierbei ein unmittelbarer Kontakt verstanden werden, dass sich zwischen den Kühlelementen und den Batteriemodulen über eine zweidimensionale Kontaktfläche erstreckt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Oberflächen, über die die Kühlelemente und die Batteriemodulen unmittelbar miteinander in Kontakt stehen, geometrisch aneinander angepasst sind. Das in dem Zwischenraum angeordnete Isoliermaterial gewährleistet gleichzeitig, dass Wärme nicht ungehindert von einem Batteriemodul auf das nächste übertragen werden kann. Der eingangs erwähnten Propagation wirkt der Abstandhalter damit entgegen.

[0012] Im einfachsten Fall kann das Batteriepack einen Abstandhalter umfassen, der nur das erste und das zweite Kühlelement umfasst. Beispielsweise können die die beiden Kühlelemente jeweils einen schichtförmigen Bereich umfassen, zwischen denen der in diesem Fall ebenfalls schichtförmige Zwischenraum zwischen den Kühlelementen ausgebildet ist, der mindestens teilweise mit dem Isoliermaterial befüllt ist. Diese Bereiche sind dann bevorzugt zwischen zwei Batteriemodulen angeordnet, wobei jeder der Bereiche mit einem der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht. Ein konkreter Anwendungsfall hierfür wäre beispielsweise, wenn das Batteriepack als Stapel ausgebildet wäre, der zwei oder mehr schichtförmig ausgebildete Einzelzellen umfasst, wobei die gestapelten Zellen jeweils durch den Abstandhalter voneinander getrennt sind.

[0013] Die Erfindung ist allerdings nicht auf Ausführungsformen beschränkt, die nur das erste und das zweite Kühlelement umfassen, beschränkt. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen mit zwei bis fünf Kühlelementen, insbesondere mit drei oder vier Kühlelementen, ganz besonders bevorzugt mit drei Kühlelementen, die jeweils mit einem Batteriemodul des Batteriepacks in dem flächigen Kontakt stehen.

[0014] Entsprechend weist das Batteriepack in einer ersten, besonders bevorzugten Ausführungsform mit genau drei Kühlelementen die folgenden zusätzlichen Merkmale auf:
  • Der Abstandhalter umfasst ein drittes Kühlelement aus einem dritten Wärmeleitmaterial, das mit einem dritten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht.
  • Der Abstandhalter umfasst einen Zwischenraum zwischen den drei Kühlelementen, der mindestens teilweise mit dem Isoliermaterial befüllt ist, und
  • Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das dritte Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des dritten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten Batteriemoduls resultiert.


[0015] In einer zweiten, besonders bevorzugten Ausführungsform mit genau vier Kühlelementen weist das Batteriepack die folgenden zusätzlichen Merkmale auf:
  • Der Abstandhalter umfasst ein drittes Kühlelement aus einem dritten Wärmeleitmaterial, das mit einem dritten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht, und ein viertes Kühlelement aus einem vierten Wärmeleitmaterial, das mit einem vierten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht.
  • Der Abstandhalter umfasst einen Zwischenraum zwischen den vier Kühlelementen, der mindestens teilweise mit dem Isoliermaterial befüllt ist, und
  • Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des dritten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten und/oder des vierten Batteriemoduls resultiert und eine Erwärmung des vierten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Batteriemoduls resultiert.


[0016] Der Abstandhalter dient zur Schaffung eines räumlichen Abstandes zwischen den Batteriemodulen des Batteriepacks. Besonders bevorzugt ist er symmetrisch, insbesondere drehsymmetrisch, ausgebildet. In Ausführungsformen mit drei oder mehr Kühlelementen ist der Abstandhalter bevorzugt derart ausgebildet, dass alle mit den Kühlelementen in Kontakt stehenden Batteriemodule die gleiche Orientierung und den gleichen Abstand zueinander haben. Der Abstandhalter kann als separates Bauteil vorliegen, das zur Bereitstellung des erfindungsgemäßen Batteriepacks zwischen die Batteriemodule des Batteriepacks eingeschoben wird. Er kann aber auch Bestandteil einer Vorrichtung, in welcher das Batteriepack angeordnet ist, beispielsweise des Gehäuses eines Batterieschranks, sein.

[0017] In einer ersten bevorzugten Variante weist das Batteriepack mindestens eines der folgenden Merkmale
  • das erste und das zweite Wärmeleitmaterial sind identisch,
  • das erste und das zweite und das dritte Wärmeleitmaterial sind identisch, oder
  • das erste und das zweite und das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial sind identisch,
    sowie mindestens ein weiteres, bevorzugt alle, der folgenden Merkmale
  • das Isoliermaterial ist ein Kunststoff oder ein kunststoffbasiertes Material,
  • das Isoliermaterial ist in dem Zwischenraum in Form eines Stützelements, an dem das erste und das zweite Kühlelement sowie gegebenenfalls das dritte und/oder das vierte Kühlelement fixiert sind, angeordnet, die Kühlelemente sind über mindestens ein Verbindungselement aus einem fünften Material miteinander verbunden, und
  • das fünfte Material ist identisch mit dem ersten und dem zweiten Wärmeleitmaterial, gegebenenfalls auch mit dem dritten und/oder vierten Wärmeleitmaterial,
auf.

[0018] In einer zweiten bevorzugten Variante weist das Batteriepack mindestens eines der folgenden Merkmale
  • das erste und das zweite Wärmeleitmaterial sind identisch,
  • das erste und das zweite und das dritte Wärmeleitmaterial sind identisch, oder
  • das erste und das zweite und das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial sind identisch,
sowie mindestens ein weiteres, bevorzugt alle, der folgenden Merkmale
  • das Isoliermaterial ist Luft.
  • die Kühlelemente sind über mindestens ein Verbindungselement aus einem fünften Material miteinander verbunden, und
  • das fünfte Material ist identisch mit dem ersten und dem zweiten Wärmeleitmaterial, gegebenenfalls auch mit dem dritten und/oder vierten Wärmeleitmaterial,
auf.

[0019] Während der Abstandhalter gemäß der ersten Variante eine hohe strukturelle Integrität aufweist, zeichnet sich der Abstandhalter gemäß der zweiten Variante besonders dadurch aus, dass die Kühlelemente mittels eines durch den Zwischenraum geführten Luftstroms hervorragend kühlbar sind.

[0020] Bei der ersten Variante kann das Stützelement den Zwischenraum zwischen den Kühlelementen vollständig ausfüllen. Das Stützelement weist dann bevorzugt an seiner Oberfläche Aufnahmen für die Kühlelemente auf. Das Stützelement kann allerdings auch mehrgliedrig ausgebildet sein und für jedes der Kühlelemente ein Glied aufweisen, an oder in dem es fixiert ist.

[0021] Besonders bevorzugt ist das Isoliermaterial ein Kunststoff, beispielsweise ein Polycarbonat (PC) oder ein Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), oder ein kunststoffbasiertes Material, also beispielsweise einen der genannten Kunststoffe, der mit einem Füllstoff versetzt ist.

[0022] Bei dem Füllstoff kann es sich auch um ein Phasenwechselmaterial (engl.: Phase change material) handeln, also ein Material, dessen latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Adsorptionswärme größer ist als die Wärme, die es aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität speichern könnte.

[0023] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Isoliermaterial um einen Schaumstoff, also um einen aufgeschäumten Kunststoff, handeln, beispielsweise um einen Polyurethan-Schaum oder um expandiertes Polystyrol (auch bekannt als Styropor).

[0024] Bei der zweiten Variante muss in der Regel das mindestens eine Verbindungselement die strukturelle Integrität des Abstandhalters gewährleisten.

[0025] In beiden Varianten ist es grundsätzlich bevorzugt, dass alle Kühlelemente aus dem gleichen Wärmeleitmaterial gebildet sind. In Einzelfällen kann es allerdings auch bevorzugt sein, Kühlelemente innerhalb ein und desselben Batteriepacks aus unterschiedlichen Wärmeleitmaterialien auszubilden. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein wenn Batteriemodule innerhalb des Batteriepacks in Abhängigkeit ihrer Position unterschiedlich stark gekühlt werden müssen. So benötigen Batteriemodule, die in einem Batteriepack außen angeordnet sind, in der Regel weniger Kühlung als Batteriemodule, die im Zentrum eines Batteriepacks angeordnet sind.

[0026] Im Fall der zweiten Variante ist es weiterhin bevorzugt, wenn alle Kühlelemente und das Verbindungselement aus dem gleichen Wärmeleitmaterial gebildet sind. Bevorzugt sind alle Kühlelemente und das Verbindungselement Bestandteil ein- und desselben einstückig ausgebildeten Bauteils.

[0027] Es ist bevorzugt, dass sich das Batteriepack durch mindestens eines, bevorzugt durch alle der folgenden zusätzlichen Merkmale auszeichnet:
  • Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material weist oder weisen eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials mindestens um den Faktor 10, bevorzugt mindestens um den Faktor 100, übersteigt.
  • Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material ist ein Metall oder eine Metalllegierung, besonders bevorzugt aus der Gruppe mit Eisen, Kupfer. Aluminium und Legierungen dieser Elemente.
  • Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material ist ein mit einem Feststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit ≥ 10 W/(m*K), besonders bevorzugt mit einer Wärmeleitfähigkeit ≥ 100 W/(m*K), beispielsweise Graphit oder Graphen, verfüllter Kunststoff.


[0028] Besonders bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitmaterialien zwischen 15 und 500 W/(m·k), besonders bevorzugt zwischen 20 und 450 W/(m·k) und ganz besonders bevorzugt zwischen 90 und 400 W/(m·k). Die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials liegt bevorzugt zwischen 0,01 und 1 W/(m·k), besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8 W/(m·k) und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 W/(m·k).

[0029] Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft bzw. Stoffkonstante, die den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit wird typischer Weise als eine spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Materials in der bereits genannten Einheit Watt pro Meter und Kelvin W/(m*k) angegeben. Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Materialien steigt mit steigender Temperatur leicht an. Die obigen Zahlenwerte beziehen sich auf Wärmeleitfähigkeiten bei 20 °C.

[0030] Es ist besonders bevorzugt, dass das Batteriepack mindestens eines, bevorzugt alle der folgenden zusätzlichen Merkmale aufweist:
  • Die Batteriemodule sind länglich ausgebildet und weisen zwischen zwei Längsenden jeweils eine Haupterstreckungsachse auf.
  • Die Haupterstreckungsachsen des ersten und des zweiten Batteriemoduls sowie gegebenenfalls des dritten und/oder des vierten Batteriemoduls verlaufen parallel zueinander.
  • Der Abstandhalter ist als länglicher Formkörper ausgebildet und weist zwischen zwei Längsenden eine Haupterstreckungsachse auf, die parallel zu den Haupterstreckungsachsen des ersten und des zweiten Batteriemoduls verläuft.
  • Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Kühlelement ist länglich, insbesondere als Streifen, ausgebildet.
  • Das erste längliche Kühlelement ist parallel zu der Haupterstreckungsachse des ersten Batteriemoduls ausgerichtet.
  • Das zweite längliche Kühlelement ist parallel zu der Haupterstreckungsachse des zweiten Batteriemoduls ausgerichtet.
  • Gegebenenfalls ist das dritte längliche Kühlelement parallel zu der Haupterstreckungsachse des dritten Batteriemoduls ausgerichtet.
  • Gegebenenfalls ist das vierte längliche Kühlelement parallel zu der Haupterstreckungsachse des vierten Batteriemoduls ausgerichtet.


[0031] Ein Batteriemodul oder ein Abstandhalter oder ein Kühlelement ist im Kontext der vorliegenden Anmeldung länglich, wenn der Abstand zwischen den zwei Längsenden seinen maximalen Durchmesser mindestens um den Faktor 2 überschreitet. Die Haupterstreckungsachse ist also bevorzugt eine Längsachse.

[0032] Besonders bevorzugt sind die Batteriemodule als Zylinder ausgebildet und weisen eine Höhe auf, die den Zylinderdurchmesser mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 4, übersteigt. Die Längsenden werden in diesen Fällen von den beiden Stirnseiten des Zylinders gebildet. Die Haupterstreckungsachse ist in diesem Fall die Zylinderachse. Bevorzugt sind in diesem Fall die zylindrischen Batteriemodule parallel zueinander ausgerichtet.

[0033] Der Abstandhalter kann die gleiche Länge wie die Batteriemodule aufweisen. Er kann aber auch kürzer oder länger sein.

[0034] Die Länge der Kühlelemente ist durch die Länge des Abstandhalters limitiert.

[0035] In einer bevorzugten Weiterbildung des Batteriepacks weist es mindestens eines, bevorzugt alle der folgenden zusätzlichen Merkmale auf:
  • Der Abstandhalter umfasst eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung einer Kühleinrichtung an den Abstandhalter.
  • Eine erste Kopplungseinrichtung findet sich an einem der Längsenden des Abstandhalters.
  • Eine zweite Kopptungseinrichtung findet sich an einem der Längsenden des Abstandhalters.
  • Die erste und/oder die zweite Kopplungseinrichtung umfasst oder ist eine Aufnahme für die Kühleinrichtung oder für ein Verbindungsstück zu der Kühleinrichtung, insbesondere eine Bohrung mit einem Innengewinde.
  • Die erste und die zweite Kopplungseinrichtung sind über einen durch den Abstandhalter geführten Kanal miteinander verbunden.
  • DerAbstandhalter umfasst als Verbindungselement ein erstes Verbindungselement, das die erste Kopplungseinrichtung umfasst.
  • Der Abstandhalter umfasst als Verbindungselement ein zweites Verbindungselement, das die zweite Kopplungseinrichtung umfasst.
  • Das erste und/oder das zweite Verbindungselement bildet eines der / bilden die Längsenden des Abstandhalters oder ist an einem der Längsenden / sind an den Längsenden des Abstandhalters angeordnet.
  • Das erste und/oder das zweite Verbindungselement bildet / bilden einen Wärmeleitpfad zwischen den Kühlelementen und der Kühleinrichtung.


[0036] Die Kühleinrichtung dient dazu, Wärme aus dem Zwischenraum der Batteriemodule herauszuleiten. Eine mögliche Kühleinrichtung kann beispielsweise ein passiver Kühlkörper sein, der die wärmeabgebende Oberfläche der Batteriemodule vergrößert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Kopplungseinrichtung einen Anschluss für einen Kühlkreislauf umfasst, bei dem Luft oder ein anderes Kühlmedium zur Kühlung in den Abstandhalter eingeleitet wird.

[0037] Die kann insbesondere dann bevorzugt sein, wenn sich an beiden Enden des Abstandhalters eine Kopplungseinrichtung (die erste und die zweite Kopplungseinrichtung) findet, die über den durch den Abstandhalter geführten Kanal miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann das Kühlmedium über eine der Kopplungseinrichtungen in den Abstandhalter eingeleitet und über die andere Kopplungseinrichtung aus dem Abstandhalter herausgeleitet werden.

[0038] Das erste und das zweite Verbindungselement sind bevorzugt wärmeleitend miteinander verbunden. So wie das erste und/oder das zweite Verbindungselement einen Wärmeleitpfad zwischen den Kühlelementen und der Kühleinrichtung bilden, können die Kühlelemente auch einen Wärmeleitpfad zwischen den Verbindungselementen bilden.

[0039] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriepack mindestens eines, bevorzugt alle der folgenden Merkmale:
  • Der Abstandhalter umfasst das erste, das zweite und das dritte Kühlelement, die jeweils aus einem der Wärmeleitmaterialien bestehen und in flächigem Kontakt mit einem der Batteriemodule stehen.
  • Der Abstandhalter und die Batteriemodule sind jeweils länglich ausgebildet und weisen zwischen zwei Längsenden jeweils eine Haupterstreckungsachse auf.
  • Der Abstandhalter umfasst das Stützelement aus dem Isoliermaterial, an dem das erste und das zweite und das dritte Kühlelement fixiert sind und das den Zwischenraum zwischen diesen drei Kühlelementen ausfüllt.
  • Die Kühlelemente sind als Streifen auf der Oberfläche des Stützelements ausgebildet und sind zueinander parallel sowie parallel zu den Haupterstreckungsachsen der Batteriemodule und des Abstandhalters ausgerichtet.
  • Der Abstandhalter umfasst als Verbindungselement ein erstes Verbindungselement aus einem der Wärmeleitmaterialien, das die drei Kühlelemente verbindet.
  • Das erste Verbindungselement bildet das erste der Längsenden des Abstandhalters.
  • Der Abstandhalter umfasst als Verbindungselement ein zweites Verbindungselement aus einem der Wärmeleitmaterialien, das die drei Kühlelemente verbindet.
  • Das zweite Verbindungselement bildet das zweite der Längsenden des Abstandhalters.
  • Das Stützelement ist zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement angeordnet.
  • Das erste und das zweite Verbindungselement verbinden jeweils die drei Kühlelemente miteinander.


[0040] In dieser bevorzugten Ausführungsform bestehen die drei Kühlelemente und die Verbindungselemente in aller Regel aus einem identischen Material, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung.

[0041] In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Batteriepack eines der folgenden Merkmale auf:
  • Die Batteriemodule des Batteriepacks weisen jeweils einen gebogenen oder nicht gebogenen Kontaktbereich auf, über den sie mit den Kühlelementen in flächigem Kontakt stehen.
  • Die Batteriemodule weisen einen zylindrischen Mantel auf, dessen Oberfläche den Kontaktbereich umfasst.
  • Die Kühlelemente weisen jeweils einen Kontaktbereich auf, der an die Geometrie des Kontaktbereichs der Batteriemodule angepasst ist.
  • Die Kühlelemente weisen jeweils eine langgestreckte Vertiefung mit konkavem Querschnitt auf.


[0042] In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriepack mindestens eines, bevorzugt alle der folgenden Merkmale auf:
  • Der Abstandhalter umfasst einen ersten Temperatursensor der in thermischem Kontakt mit dem ersten Kühlelement steht und einen zweiten Temperatursensor der in thermischem Kontakt mit dem zweiten Kühlelement steht sowie gegebenenfalls einen dritten und/oder einen vierten Temperatursensor, die in thermischem Kontakt mit dem dritten und/oder dem vierten Kühlelement stehen.
  • Die Temperatursensoren sind unmittelbar oder über einen Wärmeleiter mit den Kühlelementen verbunden.
  • Die Temperatursensoren sind in die Kühlelemente oder in Vertiefungen in den Kontaktbereichen der Kühlelemente eingebettet.


[0043] Dadurch dass jedem der Kühlelemente ein eigener Temperatursensor zugeordnet ist und die Kühlelemente voneinander durch das Isoliermaterial voneinander isoliert sind, ist gewährleistet, dass die Temperatursensoren von der Wärme des jeweiligen Batteriemoduls in einem höheren Maße beeinflusst werden als von der Wärme eines benachbarten Batteriemoduls. Die Temperatursensoren sind bevorzugt mit einer entsprechenden Regel- und Steuerungseinheit durch Kabel verbunden. Diese Kabel können beispielsweise durch das Stützelement an ein Längsende des Abstandhalters geführt werden.

[0044] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigt schematisch:

Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriepacks mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen samt einem dazwischen angeordneten Abstandhalter in einer Draufsicht frontal von vorne; und

Figur 2 die Rückseite des in Fig. 1 dargestellten Abstandhalter samt einem der Batteriemodule in einer Draufsicht schräg von oben; und

Figur 3 einen Querschnitt des in Fig. 2 dargestellten Abstandhalters (Schnitt durch Linie A in Fig. 2).



[0045] Das in Fig. 1 dargestellte Batteriepack 100 umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen 10, 11, 12, 13 und 14 und einen mit drei der Batteriemodule 10, 11 und 13 in flächigem Kontakt stehenden Abstandhalter 20.

[0046] Der Abstandhalter 20 weist als erstes Längsende ein endständiges Verbindungselement 21 auf, dessen Funktion in Fig. 2 deutlich wird. Das Verbindungselement 21 umfasst als Kopplungseinrichtung 22 eine Bohrung mit einem nicht dargestellten Innengewinde. Diese Kopplungseinrichtung 22 kann dazu dienen, einen Kühler an den Abstandhalter 20 anzuschließen.

[0047] Die Batteriemodule 10, 11, 12, 13 und 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet und weisen als Haupterstreckungsachse zwischen zwei Längsenden jeweils eine Zylinderachse auf. Die drei mit dem Abstandhalter 20 in flächigem Kontakt stehenden Batteriemodule 10,11 und 13 sind in einer triangulären Anordnung angeordnet, in der sie jeweils gleichweit voneinander beabstandet sind. Die frontal nach vorne weisenden Stirnseiten 10a, 11a, 12a, 13a und 14a bilden jeweils ein Längsende des jeweiligen Batteriemoduls. Die Batteriemodule und damit auch ihre Haupterstreckungsachsen sind alle parallel zueinander ausgerichtet.

[0048] Anhand von Fig. 2 und Fig. 3 wird deutlich, dass der dargestellte Abstandhalter 20 drehsymmetrisch ausgebildet ist. Bei der Darstellung des Abstandhalters 20 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der Batteriemodule verzichtet. Lediglich das Batteriemodul 11 ist gestrichelt dargestellt.

[0049] Der Abstandhalter 20 umfasst ein erstes Kühlelement 30, das als länglicher Streifen mit gleichbleibender Breite ausgebildet ist. Das zweite und das dritte Kühlelement 32 und 34, die hier nicht sichtbar sind, weisen beide die gleiche Form, Größe und Ausrichtung auf. Alle Kühlelemente 30, 32 und 34 bestehen aus einem gut wärmeleitenden Metall.

[0050] Die Kühlelemente 30, 32 und 34 stehen allerdings nicht in unmittelbarem Kontakt miteinander. Stattdessen umfasst der Abstandhalter 20 das Stützelement 42, das den Zwischenraum 40 zwischen den drei Kühlelementen vollständig ausfüllt. Dieses besteht aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff, der als Isoliermaterial dient und die Kühlelemente 30,32 und 34 thermisch voneinander isoliert.

[0051] Die drei Kühlelemente 30, 32 und 34 sind an dem Stützelement 42 fixiert. Sie sind zueinander parallel sowie in dem Batteriepack 100 parallel zu den Haupterstreckungsachsen der Batteriemodule 10, 11 und 13 und des Abstandhalters 20 ausgerichtet. Der Abstandhalter 20 umfasst als Verbindungselemente ein erstes Verbindungselement 21 und ein zweites Verbindungselement 23. Beide Verbindungselemente 21 und 23 bestehen aus dem Metall, aus dem auch die drei Kühlelemente 30, 32 und 34 bestehen. In der dargestellten Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Kühlelement 30, 32 und 34 und die Verbindungselemente 21 und 23 zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefasst. Die Verbindungselemente 21 und 23 begrenzen die Kühlelemente in axialer Richtung.

[0052] Die beiden Verbindungselemente 21 und 23 bilden die Längsenden des Abstandhalters 20, sie schließen das Stützelement 42 zwischen sich ein. Die Verbindungselemente 21 und 23 bilden grundsätzlich einen Wärmeleitpfad zwischen den Kühlelemente 30, 32 und 34. Auf der anderen Seite können die Verbindungselemente 21 und 23, wie bereits erwähnt, über die Kopplungseinrichtungen 22 und 24 gekühlt werden.

[0053] Die Kühlelemente 30, 32 und 34 sind jeweils für einen flächigen Kontakt mit den Mantelflächen 10c, 11c und 13c des jeweils zugeordneten Batteriemoduls ausgelegt.

[0054] Grundsätzlich wäre es möglich, die Verbindungselemente 21 und 23 über einen durch den Abstandhalter 20 geführten Kanal (hier nicht dargestellt) miteinanderzu verbinden. In diesem Fall könnte ein Kühlmedium beispielsweise über die Kopplungseinrichtung 22 in den Abstandhalter 20 eingeleitet und über die Kopplungseinrichtung 24 aus dem Abstandhalter 20 herausgeleitet werden.

[0055] DasVerbindungselement 21 steht in der dargestellten Ausführungsform über die Längsenden der Batteriemodule heraus. Es ist jedoch auch eine Variante des Abstandhalters 20 denkbar, in dem die Längsenden des Abstandhalters 20 mit den Längsende 10C des Batteriemoduls 10 bündig abschließt.

[0056] Der Abstandhalter 20 umfasst einen ersten Temperatursensor 31 der in thermischem Kontakt mit dem ersten Kühlelement 30 steht und einen zweiten Temperatursensor 33 der in thermischem Kontakt mit dem zweiten Kühlelement 32 steht sowie einen dritten Temperatursensor 35, der in thermischem Kontakt mit dem dritten Kühlelement 34 steht. Die Kühlelemente 30, 32 und 34 umfassen jeweils eine Vertiefung, in denen die Temperatursensoren 31, 33 und 35 angeordnet sind.


Ansprüche

1. Batteriepack (100), welches eine Mehrzahl von Batteriemodulen (10, 11, 12, 13, 14) aufweist, mit den folgenden Merkmalen:

a. Es umfasst einen Abstandhalter (20), der zwischen den Batteriemodulen (10, 11, 12, 13, 14) angeordnet ist, und

b. Der Abstandhalter (20) umfasst ein erstes Kühlelement (30) aus einem ersten Wärmeleitmaterial, das mit einem ersten der Batteriemodule (10) in flächigem Kontakt steht, und

c. Der Abstandhalter umfasst ein zweites Kühlelement (32) aus einem zweiten Wärmeleitmaterial, das mit einem zweiten der Batteriemodule (11) in flächigem Kontakt steht, und

d. Der Abstandhalter (20) umfasst einen Zwischenraum (40) zwischen den Kühlelementen (30, 32), der mindestens teilweise mit einem Isoliermaterial befüllt ist, und

e. Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das erste und als das zweite Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des ersten Batteriemoduls (10) nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des zweiten Batteriemoduls (11) resultiert.


 
2. Batteriepack (100) nach Anspruch 1, mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen:

a. Der Abstandhalter (20) umfasst ein drittes Kühlelement (34) aus einem dritten Wärmeleitmaterial, das mit einem dritten der Batteriemodule (13) in flächigem Kontakt steht,

b. Der Abstandhalter (20) umfasst einen Zwischenraum (40) zwischen den drei Kühlelementen (30,32,34), der mindestens teilweise mit dem Isoliermaterial befüllt ist, und

c. Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das dritte Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des dritten Batteriemoduls (13) nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten Batteriemoduls (10,11) resultiert.


 
3. Batteriepack nach Anspruch 1, mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen:

a. Der Abstandhalter umfasst ein drittes Kühlelement aus einem dritten Wärmeleitmaterial, das mit einem dritten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht, und ein viertes Kühlelement aus einem vierten Wärmeleitmaterial, das mit einem vierten der Batteriemodule in flächigem Kontakt steht,

b. Der Abstandhalter umfasst einen Zwischenraum zwischen den vier Kühlelementen, der mindestens teilweise mit dem Isoliermaterial befüllt ist, und

c. Das Isoliermaterial weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial, so dass eine Erwärmung des dritten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten und/oder des vierten Batteriemoduls resultiert und eine Erwärmung des vierten Batteriemoduls nicht oder nur verzögert in einer Erwärmung des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Batteriemoduls resultiert.


 
4. Batteriepack (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Das erste und das zweite Wärmeleitmaterial sind identisch.

b. Das erste und das zweite und das dritte Wärmeleitmaterial sind identisch.

c. Das erste und das zweite und das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial sind identisch.

d. Das Isoliermaterial ist ein Kunststoff oder ein kunststoffbasiertes Material,

e. Das Isoliermaterial ist in dem Zwischenraum in Form eines Stützelements (42), an dem das erste und das zweite Kühlelement (30,32) sowie gegebenenfalls das dritte Kühlelement (34) und/oder das vierte Kühlelement fixiert ist oder sind, angeordnet.

f. Die Kühlelemente (30,32,34) sind über mindestens ein Verbindungselement (21) aus einem fünften Material miteinander verbunden.

g. Das fünfte Material ist identisch mit dem ersten und dem zweiten Wärmeleitmaterial, gegebenenfalls auch mit dem dritten und/oder dem vierten Wärmeleitmaterial.


 
5. Batteriepack nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Das erste und das zweite Wärmeleitmaterial sind identisch.

b. Das erste und das zweite und das dritte Wärmeleitmaterial sind identisch.

c. Das erste und das zweite und das dritte und das vierte Wärmeleitmaterial sind identisch.

d. Das Isoliermaterial ist Luft.

e. Die Kühlelemente sind über mindestens ein Verbindungselement aus einem fünften Material miteinander verbunden.

f. Das fünfte Material ist identisch mit dem ersten und dem zweiten Wärmeleitmaterial, gegebenenfalls auch mit dem dritten und/oder vierten Wärmeleitmaterial.


 
6. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material weist oder weisen eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials mindestens um den Faktor 10 übersteigt.

b. Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material ist ein Metall oder eine Metalllegierung.

c. Das erste und/oder das zweite und/oder das dritte und/oder das vierte Wärmeleitmaterial und/oder das fünfte Material ist ein mit einem Feststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit ≥ 10 W/(m*K) verfüllter Kunststoff.


 
7. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Die Batteriemodule (10, 11, 12, 13, 14) sind länglich ausgebildet und weisen zwischen zwei Längsenden jeweils eine Haupterstreckungsachse auf.

b. Die Haupterstreckungsachsen des ersten und des zweiten Batteriemoduls (10,11) sowie gegebenenfalls des dritten Batteriemoduls (13) und/oder des vierten Batteriemoduls verlaufen parallel zueinander.

c. Der Abstandhalter (20) ist als länglicher Formkörper ausgebildet und weist zwischen zwei Längsenden eine Haupterstreckungsachse auf, die parallel zu den Haupterstreckungsachsen des ersten und des zweiten Batteriemoduls (10,11) verläuft.

d. Das erste und/oder das zweite Kühlelement (30, 32) und/oder das dritte Kühlelement (34) und/oder das vierte Kühlelement ist oder sind länglich, insbesondere als Streifen, ausgebildet.

e. Das erste längliche Kühlelement (30) ist parallel zu der Haupterstreckungsachse des ersten Batteriemoduls (10) ausgerichtet.

f. Das zweite längliche Kühlelement (32) ist parallel zu der Haupterstreckungsachse des zweiten Batteriemoduls (11) ausgerichtet.

g. Gegebenenfalls ist das dritte längliche Kühlelement (34) parallel zu der Haupterstreckungsachse des dritten Batteriemoduls (13) ausgerichtet.

h. Gegebenenfalls ist das vierte längliche Kühlelement parallel zu der Haupterstreckungsachse des vierten Batteriemoduls ausgerichtet.


 
8. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Der Abstandhalter (20) umfasst eine Kopplungseinrichtung (22) zur Ankopplung einer Kühleinrichtung an den Abstandhalter (20).

b. Eine erste Kopplungseinrichtung (22) findet sich an einem der Längsenden des Abstandhalters.

c. Eine zweite Kopplungseinrichtung findet sich an einem der Längsenden des Abstandhalters.

d. Die erste und/oder die zweite Kopplungseinrichtung (22) umfasst oder ist eine Aufnahme für die Kühleinrichtung oder für ein Verbindungsstück zu der Kühleinrichtung, insbesondere eine Bohrung mit einem Innengewinde.

e. Die erste und die zweite Kopplungseinrichtung sind über einen durch den Abstandhalter geführten Kanal miteinander verbunden.

f. Der Abstandhalter (20) umfasst als Verbindungselement (21) ein erstes Verbindungselement, das die erste Kopplungseinrichtung (22) umfasst.

g. Der Abstandhalter umfasst als Verbindungselement ein zweites Verbindungselement, das die zweite Kopplungseinrichtung umfasst.

h. Das erste und/oder das zweite Verbindungselement (21) bildet eines der / bilden die Längsenden des Abstandhalters (20) oder ist an einem der Längsenden / sind an den Längsenden des Abstandhalters (20) angeordnet.

i. Das erste und/oder das zweite Verbindungselement (21) bildet / bilden einen Wärmeleitpfad zwischen den Kühlelementen (30,32,34) und der Kühleinrichtung.


 
9. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen:

a. Der Abstandhalter (20) umfasst das erste, das zweite und das dritte Kühlelement (30, 32, 34), die jeweils aus einem der Wärmeleitmaterialien bestehen und in flächigem Kontakt mit einem der Batteriemodule (10,11,13) stehen.

b. Der Abstandhalter (20) und die Batteriemodule (10, 11, 13) sind jeweils länglich ausgebildet und weisen zwischen zwei Längsenden jeweils eine Haupterstreckungsachse auf.

c. Der Abstandhalter (20) umfasst das Stützelement (42) aus dem Isoliermaterial, an dem das erste und das zweite und das dritte Kühlelement (30, 32, 34) fixiert sind und das den Zwischenraum (40) zwischen diesen drei Kühlelementen ausfüllt.

d. Die Kühlelemente (30, 32, 34) sind als Streifen auf der Oberfläche des Stützelements (42) ausgebildet und sind zueinander parallel sowie parallel zu den Haupterstreckungsachsen der Batteriemodule (10,11,13) und des Abstandhalters (20) angeordnet.

e. Der Abstandhalter (20) umfasst als Verbindungselement ein erstes Verbindungselement (21) aus einem der Wärmeleitmaterialien, das die drei Kühlelemente (30, 32, 34) verbindet.

f. Das erste Verbindungselement (21) bildet das erste der Längsenden des Abstandhalters (20).

g. Der Abstandhalter umfasst als Verbindungselement ein zweites Verbindungselement (23) aus einem der Wärmeleitmaterialien, das die drei Kühlelemente (30, 32, 34) verbindet.

h. Das zweite Verbindungselement (23) bildet das zweite der Längsenden des Abstandhalters (20).

i. Das Stützelement (42) ist zwischen dem ersten Verbindungselement (21) und dem zweiten Verbindungselement (23) angeordnet.

j. Das erste Verbindungselement (21) und das zweite Verbindungselement (23) verbinden jeweils die drei Kühlelemente (30,32,34) miteinander.


 
10. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche insbesondere nach Anspruch 9, mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen:

a. Die Batteriemodule (10, 11, 13) des Batteriepacks (100) weisen jeweils einen gebogenen oder nicht gebogenen Kontaktbereich auf, über den sie mit den Kühlelementen (30,32,34) in flächigem Kontakt stehen.

b. Die Batteriemodule (10, 11, 13) weisen einen zylindrischen Mantel auf, dessen Oberfläche den Kontaktbereich umfasst.

c. Die Kühlelemente (30,32,34) weisen jeweils einen Kontaktbereich auf, der an die Geometrie des Kontaktbereichs der Batteriemodule (10,11,13) angepasst ist.

d. Die Kühlelemente weisen jeweils eine langgestreckte Vertiefung mit konkavem Querschnitt auf.


 
11. Batteriepack (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale:

a. Der Abstandhalter (20) umfasst einen ersten Temperatursensor (31) der in thermischem Kontakt mit dem ersten Kühlelement (30) steht und einen zweiten Temperatursensor (33) der in thermischem Kontakt mit dem zweiten Kühlelement (32) steht sowie gegebenenfalls einen dritten Temperatursensor (35) und/oder einen vierten Temperatursensor, die in thermischem Kontakt mit dem dritten Kühlelement (34) und/oder dem vierten Kühlelement stehen.

b. Die Temperatursensoren (31,33,35) sind unmittelbar oder über einen Wärmeleiter mit den Kühlelementen (30,32,34) verbunden.

c. Die Temperatursensoren (31,33,35) sind in die Kühlelemente oder in Vertiefungen in den Kontaktbereichen der Kühlelemente (30,32,34) eingebettet.


 




Zeichnung




















IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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