WO2020002552A1 - Sealing segment for temperature control of a fluid-cooled battery - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a sealing segment for a fluid-cooled battery and a sealing segment battery cell unit.
- Battery modules which have a complex cooling pipeline system which forms a cooling circuit which is separate from the battery cell and the heat dissipation system (US2010279152A). These have the disadvantage that a large number of seals are required, which can leak over time and, on the other hand, there is thermal resistance between the heat dissipation system and the coolant.
- Complex, wound, fine branched piping systems are complex to manufacture.
- each rib has coolant channels between two welded sheets, as well as coolant inlets and coolant outlets that extend from the ribs in ear-shaped features.
- a coolant should flow in through the inlet. From the first ear-shaped feature in which the inlet is located, the coolant flows in long coolant channels within the cooling fin to the other ear-shaped feature in which the outlet is located and exits the cooling fin there. A high amount of sealing occurs between the ear-shaped features of successive ribs.
- the present invention has for its object to provide a sealing segment for a vehicle drive, e.g. of a car (BEV or HEV), aircraft or ship to provide a battery that can be adapted as flexibly as possible to the spatial conditions that exist in the motor vehicle and that achieves efficient cooling and a high energy density with a simple battery construction without create increased risk of coolant leaks.
- a vehicle drive e.g. of a car (BEV or HEV)
- HEV high energy density with a simple battery construction without create increased risk of coolant leaks.
- a sealing segment having a first main surface (which can, for example, be conceived as the front) and a second flap surface (which can, for example, be conceived as the rear), which merge into one another at the edge of the sealing segment, and at least one passage opening, which Sealing segment penetrates from the first main surface to the second main surface, wherein an orthogonal projection of the sealing segment lying with a main surface on a projection plane has a segment projection outline that surrounds a segment projection surface AP S and at least one opening projection outline that covers an opening projection (total) surface A PF surrounds, defines, the ratio A PF to A PS in the range of 0.001 to 0.20, all opening projection outline points are spaced from the segment projection outline and lie in a circumferential segment projection area, the segment projection area is limited to the outside by the segment projection outline and has a circumferentially constant width which is chosen such that the segment projection area is 75% of the segment projection area A PS assumes, the sealing segment comprising a graphite foil layer.
- the orthogonal projection is understood to mean the mapping of the sealing segment onto a projection plane, so that the connecting line between a point of the sealing segment and the image of this point forms a right angle with the projection plane. This applies to every point of the sealing segment and the connecting line leading to the representation of this point; it is therefore a special form of parallel projection.
- the sealing segment which is in contact with a main surface on a projection plane is oriented in such a way that the segment projection surface A PS is as large as possible.
- it can, for example, lie completely against the projection plane (in the case of a flat main surface), with only a part of the main surface or with only one or more points of the main surface (if the main surface is not completely flat).
- the two main surfaces merge into one another at the edge of the sealing segment and at the edge of the passage opening.
- the transitions can include end faces at the edge of the sealing segment and at the opening edge, as can be seen, for example, from FIGS. 1B and 1C.
- the end faces typically run approximately orthogonally to the first and second main surfaces and result, for example, by processing a flat material from which the sealing segment is made by cutting, water jet cutting, laser cutting or punching.
- the edge areas can also have other shapes and, for example, include end faces with rounded transitions to the main areas.
- the orthogonal projection of the sealing segment lying with one main surface on the projection plane defines a segment projection outline.
- the segment projection outline surrounds the segment projection area A PS .
- the orthogonal projection also defines at least one opening projection outline.
- the at least one opening projection outline surrounds the opening projection (total) area A PF . If there is only one passage opening and thus only one opening projection outline, one speaks of an opening projection area A PF . If there are several through openings and thus several opening projection outlines, one speaks of an overall opening projection area A PF
- the segment projection area A P s includes the opening projection area (total) area A PF , since the at least one opening projection outline runs completely within the segment projection outline.
- the sealing segment comprises a graphite foil layer.
- the graphite foil layer extends in the sealing segment. Due to the high thermal conductivity of the graphite foil in the plane, the flat heat distribution in the sealing segment is accelerated.
- the compressibility of the graphite foil also offers advantages. It increases the tightness of the battery in the area between the frame and the sealing segment.
- the graphite foil at least partially compensates for a volume expansion of a battery cell adjacent to the sealing segment, for example a pouch cell.
- the layer of graphite foil extends to the edge of the sealing segment.
- the graphite foil layer extends in the sealing segment to a point which, in the orthogonal projection, is closer to the segment projection area center than the opening projection outline point closest to the segment projection area center of gravity. At this point, changes in volume of the battery cell can be at least partially compensated for by the graphite foil.
- the projection area of the graphite foil in the orthogonal projection takes up more than 90%, in particular more than 95%, for example more than 98% of the segment projection area A PS .
- the graphite foil layer can be a synthetic graphite foil layer formed from polymers.
- the graphite foil layer preferably comprises a partially compacted graphite expandate.
- graphite foil layers which comprise a partially compacted graphite expandate
- they can be produced by treating graphite with certain acids, a graphite salt being formed with acid anions embedded between graphene layers.
- the graphite salt is then expanded by using it at high temperatures e.g. Exposed to 800 ° C.
- graphite such as natural graphite
- an intercalate such as, for example, nitric acid or sulfuric acid
- the expanded graphite obtained during the expansion is then pressed into the graphite foil.
- a method for producing graphite foils is described, for example, in EP 1 120 378 B1.
- DE 10 2012 202 748 A1 also describes a method for producing a graphite foil.
- the pressing can be controlled so that graphite foils are obtained which are very strong. If the expanded graphite is compressed only slightly (for example to a density in the range from 0.2 to 0.7 g / cm 3 ), a relatively flexible layer of graphite foil is obtained, for example, with a thickness of 0.5 mm.
- the sealing segment preferably has an electrically insulating coating on at least one main surface.
- the coating can be formed, for example, from a plastic, preferably from polyethylene terephthalate (PET) or PTFE, for example expanded PTFE (ePTFE). This has the advantage that even if a battery cell is damaged, undesired electrical charging of the sealing segment is avoided.
- the electrically insulating coating can essentially completely cover both main surfaces, e.g. cover more than 90%.
- the edge of the passage opening can be completely covered by the electrically insulating coating. This has the advantage that a fluid used for cooling, which flows through the passage opening, cannot penetrate into the sealing segment in the region of the opening. The sealing segment then remains intact longer and has to be replaced even less frequently.
- the sealing segment consists of the flat material containing expanded graphite, which is specified in WO 201 1/101391 A1. This enables good thermal conductivity in the surface direction with simultaneous adaptability to changes in volume of the battery cells in both directions - volume expansion and volume reduction.
- the graphite-containing flat material of the sealing segment can be adapted particularly well to the most varied forms of battery cells.
- the sealing segment has a density of 0.6-1.9 g / cm 3 , preferably 0.7-1.4 g / cm 3 and particularly preferably 0.9-1.1 g / cm 3 such as advantageous 1.0 g / cm 3 .
- the sealing segment has a thermal conductivity in the surface direction of 120-500 W / (m K), preferably 130-480 W / (m K) and particularly preferably 250-450 W / (m K) , Thermal conductivity is measured using the Angström method (“Angström's Method of Measuring Thermal Conductivity ”; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses).
- the sealing segment has a springback of 2 to 6%, preferably 2.5 to 5.5% and particularly preferably 3 to 5%, based on its initial thickness, in the thickness direction.
- the springback is determined in accordance with sections 9.1, 9.2 and 9.2.1 of the
- the frames can then be manufactured with higher manufacturing tolerances, with unevenness being particularly well compensated for by compressible sealing segments.
- Sealing segments which can be used according to the invention thus enable particularly efficient battery production and are preferably used in conjunction with plastic injection molding frames.
- the sealing segment can preferably consist of compressed graphite expandate.
- the sealing segment can consist of a mixture of largely uniformly mixed graphite expanded material and plastic particles formed before the compression.
- the sealing segment can be impregnated with plastic applied after the compression on the surface or up to the core area of the sealing segment.
- the sealing segment can be adapted to an outer contour of the battery cell.
- the sealing segment can have a recess for the form-fitting reception of a part of an outer surface of a battery, the recess being specifically designed for the partial reception of certain cylindrical or prismatic batteries, in order to allow a battery to hug as large a surface as possible to a main surface of the sealing segment to allow.
- one or both of the fluff surfaces are essentially flat. This has the advantage that essentially flat surfaces of pouch cells can rest on the heat exchange surface, thereby ensuring efficient heat transfer.
- the sealing segments and the battery cells can advantageously be clamped to one another in the inoperative and discharged state of the energy store in such a way that the sealing segments are compressed only slightly in the thickness direction, preferably by at most 1% based on their initial thickness ,
- the number of through openings is not limited. It can be 1, 2, 3, 4, 5 or 6, preferably 1, 2, 3, 4 or 5, further preferably 1, 2, 3 or 4, particularly preferably 1, 2 or 3, for example 1 or 2.
- the number of passage openings is 1.
- sealing segment has more than one passage opening, they are located
- Through openings are preferably either grouped close together or far apart
- passage openings or groups of passage openings
- they should be as far apart as possible. Because this makes it possible in the first place to arrange a passage opening of the sealing segment following in the battery cell stack in the middle between two passage openings in such a way that the cooling fluid flows along the surfaces of the sealing segments over longer distances. This is because the present invention enables particularly effective cooling, inter alia, in that a cooling fluid is guided specifically along the surface of the sealing segment.
- No opening projection outline point of an opening projection outline is closer to an opening projection outline point of another opening projection outline than 5%, in particular 8%, particularly preferably 10%, for example 15% of the length of the segment projection outline. This only does not apply with regard to the opening projection outlines of grouped openings among one another.
- the opening projection outline points mean the points which form the opening projection outline or, if there are several passage openings, form the opening projection outline.
- All opening projection outline points lie within a circumferential segment projection area.
- the circumferential segment projection area is limited to the outside by the segment projection outline.
- the circumferential segment projection area has a circumferentially constant width. The width is selected so that the circumferential segment projection area occupies 75%, preferably 65%, further preferably 55%, particularly preferably 45%, very particularly preferably 35%, for example 30% of the segment projection area A PS .
- Circumferential segment projection areas of constant width can be specified for each segment projection outline, as exemplified in FIGS. 4A to 4D.
- the passage opening (s) are therefore located in an outer area of the sealing segment, which is delimited with the aid of the orthogonal projection and the circumferential segment projection area.
- a battery constructed with sealing segments according to the invention can be flexibly adapted to the spatial conditions that exist in a motor vehicle.
- the sealing segment enables a stacked structure of a battery, as shown for example in FIG. 7.
- the shape of the sealing segments and the length of individual stacks are essentially freely selectable, so that the flea spaces that are available for a traction battery in a certain type of motor vehicle can be used as completely as possible.
- an elevation between the seats of a car e.g. a cardan tunnel, a given shape and cannot be extended into the passenger compartment at will.
- a battery could be built based on trapezoidal sealing segments. Sealing segments with an essentially rectangular, triangular, oval or round segment projection surface are also conceivable.
- the sealing segments create a seal by being able to be connected directly to the frame; they can be clamped between the frames (sealing function).
- the sealing segments position the battery cells in the desired position in the cell stack (positioning function). They allow a defined, punctual passage of cooling fluid through the passage openings and limit the sections of the channels running between passage openings in the stacking direction (fluid guide function).
- positioning function the battery cells in the desired position in the cell stack
- the heat is also distributed in the sealing segment into areas further out, where one or more main surfaces of the sealing segment are in contact with a cooling fluid to which the heat is transferred (thermal conductivity function).
- the battery behaves like a single solid body that can be anchored to the frame in the motor vehicle (positioning function).
- the frames form a wall of the cooling channel, so that a cooling fluid can flow along a surface of the frames in the cooling channel (fluid guide function).
- the battery cells not only serve to provide electrical energy, but also limit the cooling channel. They help ensure that the fluid is guided along the battery cell (fluid control function). At the same time, this causes efficient cooling, since the cooling fluid flows along the cell surface.
- the sealing segments make components that would be required according to the state of the art unnecessary.
- a cooling channel which extends over the entire length of the stack-like structure of the battery and which surrounds the individual battery cells, is, as is incidentally, defined by frames, sealing segments and battery cells when using the sealing segments according to the invention (see in particular FIGS. 3, 4 and 5) without the need for separate components. This ensures a particularly simple construction.
- the cooling fluid is also continuously available for heat absorption during the transition from one battery cell to the next.
- the sealing segments according to the invention can be arranged in such a way and the passage openings can be positioned such that a continuous flow around the battery cells is possible. As a result, dead volumes in which the cooling fluid is not available for absorbing heat from battery cells are kept to a minimum. As a result, the sealing segment according to the invention ultimately enables the heat absorption capacity of the cooling fluid to be used particularly economically, which enables the use of particularly small coolant volumes.
- the ratio A PF to A PS is in the range from 0.001 to 0.20, preferably from 0.003 to 0.175, further preferably from 0.004 to 0.15, particularly preferably from 0.004 to 0.125.
- a fluid delivery device such as a pump, would then use too much energy to deliver sufficient amounts of cooling fluid through the stack.
- the heat removal from the battery cells is impaired too much, since the passage opening (s) then uses up too much of the area available for heat exchange (heat conduction in the graphite foil layer).
- the shape of the sealing segment is not limited. Basically, all shapes are possible. Special shapes may be required in order to form a traction battery for a specific motor vehicle flea space. In general, however, shapes with short sealing segment edges are preferred, since this further reduces the likelihood of cooling fluid leaks and swelling of the sealing segments due to absorption of cooling fluid over the end faces.
- the length of the segment projection outline exceeds the circumference of a square, the area of which corresponds to the segment projection area A PS , at most by 65%, preferably at most by 30%, particularly preferably at most by 10%.
- the segmental projection outline does not include a concave section.
- a concave section exists if a straight line can be placed in the segment projection outline in such a way that it intersects the segment projection outline in more than two points and the partial areas of the segment projection area enclosed between the straight line and the segment projection outline amount to at least 3% of A PS ,
- a passage opening lies in a peripheral area of a sealing segment according to the invention.
- Orthogonal projections of less preferred sealing segments, in which the passage opening is located in peripheral tabs protruding from the regular base area, are illustrated in FIGS. 3A and 3B.
- Preferred sealing segments according to the invention can be derived from these Use a polygon to delimit sealing segments, which is used to define the preferred position of the passage opening.
- the opening projection outline lies in the segment projection outline such that there is an equilateral and equiangular polygon, for example a square, the area of which is an eighth, generally a sixth, preferably a fifth, further preferably a quarter and particularly preferred is a third of A PS , aligned within the segment projection outline so that the opening projection outline lies completely within the polygon.
- less preferred positions of the passage opening in the sealing segment can be specified not only with the aid of the polygon or square, but instead or in addition to the polygon also with the help of a family of straight lines which intersect the opening projection outline in one or more points.
- the opening projection outline is preferably in the segment projection outline in such a way that none of the straight lines which intersect the opening projection outline at one point or more points intersect the first segment projection outline at more than two points.
- the passage opening is not in a peripheral region of the sealing segment, the flow resistance is reduced since the cooling fluid does not have to be led into peripheral regions in order to flow through the sealing segment through the passage opening.
- the distance from the opening projection outline to the segment projection outline never falls below 50%, preferably 75%, particularly preferably 100% of the sealing segment thickness.
- This has the advantage that the area of the sealing segment that extends between the passage opening and the segment edge is consistently wide enough and can be securely clamped between the frames without bending or performing any other evasive movements when braced. This reduces the risk of undesirable coolant leaks.
- the distance from The opening projection outline to the segment projection outline is measured in the orthogonal projection.
- the seal segment thickness is determined according to DIN EN ISO 5084 from October 1996.
- the seal segment thickness is measured in the orthogonal projection direction.
- a pressure stamp with a round test surface is used, the diameter of which corresponds to the shortest distance from the opening projection outline to the segment projection outline, whereby this is placed on each thickness measurement so that the line along which the respective distance from the opening projection outline to the segment projection outline is measured , divides the test area into two halves of equal size.
- the thickness of the sealing segment is determined at a pressure of 0.1 kPa, this pressure specification relating to the round test surface of the pressure stamp.
- At least a first and a third section of the sealing segment edge preferably run parallel to one another. This has the advantage that the sealing segment can then be guided particularly easily between two parallel frames, which makes it particularly easy to replace individual components of a battery, such as sealing segments and battery cells attached to them.
- At least a region of the sealing segment edge which connects the first and the third section of the sealing segment edge comprises a second section of the sealing segment edge which is orthogonal to the first and third section of the sealing segment edge.
- Another area of the sealing segment edge, which connects the first and the third section of the sealing segment edge, comprises a fourth section of the sealing segment edge, which runs parallel to the second section of the sealing segment edge.
- the edge of the sealing segment preferably has at least four straight sections and four straight lines coinciding with these sections define a square.
- the segment surface preferably does not protrude beyond this square. For example, define a rectangle with the first, with the second, with the third and with the fourth section of the sealing segment edge, and the segment surface does not protrude beyond this rectangle. This ensures that the segment edge is short in relation to the segment area, which, given the cooling capacity, is relatively low risk of undesired leakage of cooling fluid and ensures low-risk operation of the motor vehicle.
- di stands for the distance from the opening edge to the first section of the sealing segment edge
- d 2 for the distance from the opening edge to the second section of the
- the distance from the first to the third section is preferably greater than the distance from the second to the fourth section.
- the invention also relates to a sealing segment battery cell unit comprising a battery cell, the battery cell being in thermal contact with a main surface of a sealing segment according to the invention.
- the thermal contact can be formed in that the battery cell with one of the main surfaces of the sealing segment or with an electrically insulating arranged on this main surface Coating is in physical contact, with the battery cell not overlapping the passage opening.
- the battery cell does not overlap the passage opening if there is no opening projection outline point in the projection outline of the battery cell in the orthogonal projection.
- the battery cell is preferably selected from prismatic cells, pouch cells and cylindrical cells.
- Particularly preferred sealing segment battery cell units are sealing segment pouch cell units.
- the particularly preferred battery cell is therefore a pouch cell.
- the battery cell for example a pouch cell, is not restricted with regard to cell chemistry.
- a reversible oxidation of lithium to Li + cations is preferably involved in the provision of electric current.
- the pouch cell has a front and a back, which are essentially flat and run parallel to one another.
- the front and the back take up at least 50%, for example at least 60%, preferably at least 70% of the entire surface of a bag which closes off the pouch cell from the outside.
- a frame preferably lies against the main surface (or against the electrically insulating coating) with which the battery cell is in thermal contact in such a way that a channel is formed which is delimited by the battery cell, sealing segment and frame and into which a fluid flows through the passage opening can.
- the channel is preferably circumferential, ie the projection outline of the battery in the orthogonal projection maintains a defined distance from the projection outline of the frame.
- Each point of the projection outline of the battery preferably maintains a distance from the projection outline of the frame which is at most 20% of the length of the segment projection outline, for example at most 10% of the length of the segment projection outline.
- each point of the projection outline preferably stops a distance from the battery to the projection outline of the frame which is at least 0.1% of the length of the segment projection outline, for example at least 0.5% of the length of the segment projection outline. This ensures that a cooling fluid can flow through even particularly narrow areas of the cooling channel unhindered and at the same time the cooling fluid flow does not come to a standstill in particularly wide channel areas. This increases the heat dissipation and thereby ultimately the energy density of the battery and / or the service life of the battery cells.
- a particularly preferred sealing segment-battery cell unit comprises a second sealing segment according to the invention, wherein a main surface of the second sealing segment lies against the frame in such a way that the fluid that can flow into the channel through the through opening of the one sealing segment passes through the through opening of the second sealing segment can escape from the channel.
- the first and the second sealing segment generally lie so firmly against the pouch cell that the pouch cell does not slip between the sealing segments.
- the segment projection outline of the second sealing segment preferably coincides with the segment projection outline of the first sealing segment. This means that at least 95%, preferably at least 98% of the segment projection falls of the second seal segment in the segment projection A PS and falls that at least 95%, preferably at least 98% of the segment projection A PS in the segment projection of the second seal segment.
- each opening projection surface of the first sealing segment generally holds to every opening projection surface of the second sealing segment mean a distance.
- This distance is preferably at least one fiftieth, particularly preferably at least one twentieth, for example at least one tenth of the length of the segment projection outline of the first sealing segment.
- the passage opening of the first sealing segment and the passage opening of the second sealing segment are preferably connected via two sections of the channel of the same length.
- the length of the sections of the channel is determined in the orthogonal projection, for which purpose an auxiliary straight line is drawn through the two centroids of the opening projection surfaces.
- the projection of one section of the channel then runs on one side of the auxiliary straight line and the projection of the other section of the channel runs on the other side of the auxiliary straight line.
- the length of a section of the channel is the shortest connection from the opening projection outline of one sealing segment to the opening projection outline of the other sealing segment, which does not intersect the projection outline of the battery cell.
- the sealing segment can be designed in such a way that it gives in when the volume of the battery cell that can be attached to it expands and expands when the volume of the battery cells is reduced.
- the sealing segments and the battery cells can advantageously be clamped to one another when the energy store is inoperative in such a way that the sealing segment of the sealing segment or segments in Thickness direction is compressed only weakly, preferably by at most 1% based on its initial thickness.
- the sealing segments according to the invention are suitable for temperature control in very different batteries. They are particularly suitable for temperature control in high-performance batteries, e.g. in traction batteries in BEV or HEV.
- BEV refers to a motor vehicle for the transport of people and / or goods, which is driven by an electric motor and which draws the electrical energy required for its movement from the traction battery.
- HEV refers to a motor vehicle for the transportation of people and / or goods, which is driven by an electric motor and another energy converter and which partly obtains the electrical energy required for its movement from the traction battery.
- a suspension element can be arranged on the first and / or second main surface or on the electrically insulating coating which is attached to the main surface or the main surfaces, the suspension element emerging, for example, from the main surface.
- the suspension element can e.g. Foam, graphite and / or a solid metal such as e.g. Steel or aluminum. Sliding of a battery cell arranged on a main surface or an electrically insulating coating is additionally made more difficult by the suspension element.
- the suspension element can also be a bracket on which the battery cell is suspended between the sealing segments according to the invention.
- the bracket can, for example, together with the current-conducting elements in an outside of one Extend frame lying area.
- the bracket can extend around a battery cell, for example a pouch cell, arranged between two sealing segments.
- the invention also relates to a traction battery which comprises a stack of sealing segment battery cell units according to the invention.
- the invention also relates to the use of an electrically non-conductive liquid for removing heat from a sealing segment according to the invention, from a sealing segment battery cell unit according to the invention or from a traction battery according to the invention.
- Electrically non-conductive means that the liquid does not conduct electrical current.
- the conductivity is at most 10 -8 S-crrf 1 or the specific electrical resistance is 10 8 W-cm, measured at 25 ° C. It is measured according to DIN EN 60247: 2004.
- the electrically non-conductive liquid preferably contains a fluorinated organic compound, for example a fully fluorinated organic compound or a partially fluorinated organic compound such as for example a fully fluorinated ketone, or a partially fluorinated ether.
- a fluorinated organic compound for example a fully fluorinated organic compound or a partially fluorinated organic compound such as for example a fully fluorinated ketone, or a partially fluorinated ether.
- the boiling point of the compound determined at a pressure of 1 bar can be, for example, in the range from 45 to 150 ° C., preferably in the range from 55 ° C. to 100 ° C.
- fully fluorinated ketone a seven-fold fluorinated isopropyl group and a five-fold fluorinated ethyl group can be attached to the keto carbon.
- FIG. 1A shows a sealing segment according to the invention
- Fig. 1 B, 1 C two different perspectives of a corner area of the in
- FIG. 1A shows the sealing segment (the corner region is highlighted with a rectangle at the top right in FIG. 1A);
- FIG. 5 shows a sealing segment battery cell unit according to the invention
- FIG. 6 shows a section through a sealing segment battery cell unit according to the invention
- FIG. 7 shows a part of a traction battery which is constructed from sealing segment battery cell units according to the invention.
- FIG. 1A shows a sealing segment 1 for temperature control of a fluid-cooled battery.
- the sealing segment 1 has a first flap surface 11 and a second flap surface 12.
- the sealing segment 1 also has a passage opening 3 which penetrates the sealing segment from the first main surface 11 to the second main surface 12.
- the second main surface 12 cannot be seen in FIG. 1A, since it is located on a side facing away from the viewer and runs essentially parallel to the first main surface 11, as can be seen from the perspective shown in FIG. 1C. In the perspective shown in FIG. 1C, both main surfaces run towards the viewer.
- the two main surfaces 11, 12 merge into one another at the sealing segment edge 2 and at the opening edge 4.
- FIG. 1B shows an example of how the main surfaces 11, 12 can merge into one another at the edge of the sealing segment.
- the edge 2 forms a surface that is essentially orthogonal to the main surfaces 11 and 12.
- any other transition of the main surfaces 11, 12 in the edge region is also conceivable, for example over a rounded edge.
- the opening edge 4 surrounds a passage area.
- the sealing segment shown in FIG. 1A consists of a graphite film 5, which essentially consists of compacted graphite expandate, which is partially compressed to a density of 1.5 g / cm 3 .
- the sealing segment thus comprises a graphite foil layer.
- the position of the passage opening 4 in the sealing segment is defined via an orthogonal projection. This is illustrated by the orthogonal projections 1 P shown in FIGS. 2, 3A, 3B, 3C by way of example for four different sealing segments, not shown, in which the two main surfaces 11 and 12 are each flat and essentially parallel to one another and not to one another shown projection plane.
- FIGS. 2, 3A, 3B and 3C show the respective segment projection outline 2 P which surrounds the respective segment projection area A PS , which is also shown.
- the opening projection outline 4 P and the respective opening projection area A P F are shown. It is obvious that the ratio A PS to A PF in the examples is not less than 0.004 and not more than 0.10 and that in all examples all points of the opening projection outline 4 P (ie all opening projection outline points) are spaced from the segment projection outline 2 P.
- all of the opening projection outline points lie in a circumferential segment projection area 0 P , which has a circumferentially constant width b and is limited to the outside by the segment projection contour 2 P.
- the segment projection area is 0 P
- the width b is chosen so that the segment projection area Op occupies 75% of the segment projection area A PS . It is determined as follows whether all of the opening projection outline points are in this circumferential segment projection region Op (the following steps are illustrated in FIGS. 4A to 4D for the orthogonal projection shown in FIG. 3B):
- a point X of the opening projection outline is determined which is further or the same distance from the segment projection outline than all other points of the opening projection outline (see X in FIG. 4A). If necessary, all points of several opening projection contours must be taken into account if a sealing segment has several through openings.
- a line is drawn within the segment projection outline that maintains this distance from the segment projection outline.
- Such a line can e.g. sketch with a compass and a multitude of circles, the centers of which are on the segment projection outline and the radius of which corresponds to the distance shown in FIG. 4B (see FIGS. 4C, 4D).
- the arrow pointing to the left indicates a tip of the line pointing to the left, which can be clearly seen in FIG. 4D.
- the length of the segment projection outline 2 P exceeds the circumference of a square, whose area corresponds to the segment projection area AP S , only slightly.
- the segment projection area A PS has the shape of a rectangle in FIG. 2, the ratio of the length to the width of this rectangle being 2: 3. For a rectangle with a length to width ratio of 2: 3, the edge is only about 2% longer than for a square with the same area.
- the segment projection area A PS has the shape of two adjoining rectangles of different sizes, each with a length to width ratio of 5: 6, the area of one rectangle being 15 times the area of the other rectangle.
- the segment projection outline 2 P is here about 28% longer than for a square with the same area
- the opening projection outline 4 P is located in the segment projection outline 2 P so located that a square P 2 whose area is one-sixth of A PS, within the segment projection outline 2 can align P so that the opening projection outline 4 P completely within the square P 2 lies.
- a square P 3 can also be aligned in the same way, the area of which is one fifth of A PS and a square Pi, the area of which is one eighth of A PS .
- the orthogonal projections shown in FIGS. 3A and 3B do not meet these conditions, as can be seen from the squares shown there.
- a suspension element can be arranged on the first main surface 11 and / or the second main surface 12. In the examples shown in the figures, no suspension element is shown. The suspension element can protrude from the main surface.
- the suspension element is used to suspend a battery cell on the main surface.
- any type of material protruding from the main surface 11 or 12 can serve as a suspension element with which slipping is made more difficult by a battery cell which is arranged on the main surface.
- the suspension element can comprise, for example, foam, graphite and / or a metal, such as steel or aluminum. The suspension element makes it more difficult for a battery cell arranged on a main surface to slip.
- a first 21 and a third section 23 of the sealing segment edge 2 run parallel to one another.
- a region of the sealing segment edge 2, which connects the first 21 and the third section 23 of the sealing segment 2 comprises a second section 22 of the sealing segment edge 2, which runs orthogonally to the first 21 and third section 23.
- Another area of the sealing segment edge 2, which connects the first 21 and the third section 23 of sealing segment edge 2 comprises a fourth section 24 of the sealing segment edge 2, which runs parallel to the second section 22 of the sealing segment edge 2.
- FIG. 5 shows a sealing segment battery cell unit 31 which comprises a pouch cell 40.
- the pouch cell is in physical contact with the main surface 11.
- the sealing segment battery cell unit 31 has a frame 50 which bears against the main surface 11 with which the pouch cell 40 is in contact such that a channel K delimited by the pouch cell 40, sealing segment 1 and frame 50 is formed, into which a fluid can flow through the passage opening 3.
- the pouch cell has a surface 41 facing the viewer and electrically insulated current-conducting elements 43. With a surface running essentially parallel to the surface 41, which cannot be seen here, the pouch cell 40 bears against the main surface 11 of the sealing segment 1.
- the passage opening 3 is located on the left in the view shown here.
- the frame 50 has a rectangular profile with four circumferential surfaces 51, 53, 54. One of the four circumferential surfaces lies against the main surface 11 of the sealing element 1.
- the surface 53 is oriented inwards towards the pouch cell 40 and is spaced apart from the pouch cell 40.
- the surface 54 closes the frame from the outside.
- a further sealing element can rest on the surface 51, for example a main surface 112 of a further sealing element 101 according to the invention, as shown in FIG. 6 described below.
- FIG. 6 shows a section through a sealing segment battery cell unit 31 according to the invention further sealing segment 101 according to the invention, of which only a section is shown.
- the sealing segment 101 likewise has only one passage opening 103.
- a main surface 112 of the second sealing segment 101 bears against the frame 50 in such a way that the fluid which can flow into the channel K through the opening 3 of its sealing segment 1 flows out of the channel K through the opening 103 of the second sealing segment 101 can escape.
- the pouch cell 40 is arranged between the sealing segments 1 and 101 and the sealing segments 1, 101 adjoin the frame in such a way that between the surface 53, the pouch cell 40 and the sealing segments 1, 101 a communicating with the passage opening 1 Channel K is formed.
- the channel also communicates with the passage opening 103 of the second sealing segment 101. The course of the channel can be seen clearly in FIG.
- the two through openings 3, 103 are arranged in FIG. 6 in such a way that they communicate over two sections of the cooling channel which are of essentially the same length.
- the two sections of the cooling channel run on opposite sides of the pouch cell 40.
- One section of the cooling channel can be seen clearly in FIG. 6. It leads around the pouch cell on a side facing away from the current conducting elements 43.
- the other section of the cooling channel leads through an area which is cut off in FIG. 6. It leads along the current-conducting elements 43, which are shown in FIG. 5. It can be seen in FIG.
- a cooling fluid which can flow into the cooling duct through the passage opening 3 of the first sealing segment 1 must travel a distance of far more than a twentieth of the length of the segment projection outline 2 P in the cooling duct before it can flow out of the cooling channel of this sealing segment battery cell unit 31 through the passage opening 103 of the second sealing segment 101.
- the part of a traction battery shown in FIG. 7 has a plurality of sealing segment battery cell units 31, 131, 231, 331, 431.
- the sealing segments 101, 201, 301, 401 are each in contact with one main surface with a pouch cell and with the other main surface with another pouch cell.
- the pouch cells are each in contact with one surface with a main surface of a sealing segment and with the other surface with a main surface of another sealing segment.
- the thickness of the sealing segments is 7 ⁇ 5 mm in the figure that is not to scale.
- Passage opening 3, 103, 203, 303, 403, 503 opening edge and opening projection outline 4 and 4 P First main surface 11, 111, 511
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Abstract
Description
DICHTUNGSSEGMENT ZUR TEMPERATURKONTROLLE EINER SEALING SEGMENT FOR TEMPERATURE CONTROL
FLUIDGEKUEHLTEN BATTERIE FLUID-COOLED BATTERY
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Dichtungssegment für eine fluidgekühlte Batterie und eine Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit. The invention relates to a sealing segment for a fluid-cooled battery and a sealing segment battery cell unit.
Bekannt sind Batteriemodule, die ein komplexes Kühlrohrleitungssystem, welches einen von der Batteriezelle und dem Wärmeableitsystem getrennten Kühlkreislauf bildet, auf- weisen (US2010279152A). Diese haben den Nachteil, dass eine Vielzahl von Dichtun- gen benötigt werden, die mit der Zeit undicht werden können und zum anderen ein Wär- mewiderstand zwischen Wärmeableitsystem und Kühlmittel vorliegt. Komplexe, gewun- dene, feine verzweigte Rohrleitungssysteme sind aufwändig zu fertigen. Battery modules are known which have a complex cooling pipeline system which forms a cooling circuit which is separate from the battery cell and the heat dissipation system (US2010279152A). These have the disadvantage that a large number of seals are required, which can leak over time and, on the other hand, there is thermal resistance between the heat dissipation system and the coolant. Complex, wound, fine branched piping systems are complex to manufacture.
Die DE 10 201 1 100 172 A1 beschreibt einen Batteriesatz umfassend einen Stapel von Batteriezellen und Kühlrippen. Für Flüssigkeitskühlung/-heizung weist jede Rippe Kühl mittelkanäle zwischen zwei verschweißten Blechen sowie Kühlmitteleinlässe und Kühl- mittelauslässe auf, die sich von den Rippen in ohrförmigen Merkmalen erstrecken. Ein Kühlmittel soll durch den Einlass einströmen. Vom ersten ohrförmigen Merkmal, in dem sich der Einlass befindet, strömt das Kühlmittel in langen Kühlmittelkanälen innerhalb der Kühlrippe zum anderen ohrförmigen Merkmal, in dem sich der Auslass befindet und tritt dort aus der Kühlrippe aus. Zwischen den ohrförmigen Merkmalen aufeinanderfol- gender Rippen entsteht ein hoher Dichtungsaufwand. Um den Spalt zwischen den Rip- pen zu füllen und eine ordnungsgemäße Kühlmittelabdichtung vorzusehen wird vorge- schlagen, die ohrartigen Verlängerungen mit Kunststoff zu formen, der abdichtbar ist. Alternativ sollen Gummidichtungen verwendet werden. Die DE 10 201 1 109 306 A1 schlägt U-förmige Elemente mit Kühlfluidkanälen vor. An einem U-förmigen Element soll eine Trägerplatte mit daran angebrachter Batteriezelle so angeordnet werden, dass ein durch den Kühlfluidkanal strömendes Fluid an der Oberfläche der Trägerplatte entlangströmt und der Trägerplatte Wärme entzieht. Kühl- fluidkanäle sind hier jeweils zwischen den U-förmigen Elementen und der Trägerplatte ausgebildet. Eine Abdichtung ist also im Wesentlichen über die gesamte Länge der Kühlmittelkanäle erforderlich. Es wird vorgeschlagen, dass großflächig Klebstoff aufge- tragen wird oder die U-förmigen Elemente direkt auf die Trägerplatte gegossen werden, um eine Abdichtung zu erzielen. Eine Abdichtung ist also nur mit großem Aufwand mög- lich und es besteht aufgrund der Länge der Dichtungen ein beträchtliches Leckage- risiko. DE 10 201 1 100 172 A1 describes a battery pack comprising a stack of battery cells and cooling fins. For liquid cooling / heating, each rib has coolant channels between two welded sheets, as well as coolant inlets and coolant outlets that extend from the ribs in ear-shaped features. A coolant should flow in through the inlet. From the first ear-shaped feature in which the inlet is located, the coolant flows in long coolant channels within the cooling fin to the other ear-shaped feature in which the outlet is located and exits the cooling fin there. A high amount of sealing occurs between the ear-shaped features of successive ribs. In order to fill the gap between the ribs and to provide a proper coolant seal, it is suggested to mold the ear-like extensions with plastic that is sealable. Alternatively, rubber seals should be used. DE 10 201 1 109 306 A1 proposes U-shaped elements with cooling fluid channels. A carrier plate with a battery cell attached to it should be arranged on a U-shaped element such that a fluid flowing through the cooling fluid channel flows along the surface of the carrier plate and extracts heat from the carrier plate. Cooling fluid channels are each formed between the U-shaped elements and the carrier plate. Sealing is therefore essentially required over the entire length of the coolant channels. It is proposed that adhesive be applied over a large area or that the U-shaped elements be poured directly onto the carrier plate in order to achieve a seal. Sealing is therefore only possible with great effort and there is a considerable risk of leakage due to the length of the seals.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungssegment für eine den Antrieb eines Fahrzeugs, z.B. eines PKWs (BEV oder HEV), Flugzeugs oder Schiffs bewirkende Batterie anzugeben, die an die räumlichen Gegebenheiten, die in dem Kraftfahrzeug bestehen, möglichst flexibel anpassbar ist und bei einfacher Bat- terie-Bauweise eine effiziente Kühlung und eine hohe Energiedichte erreicht, ohne ein erhöhtes Risiko von Kühlmittelaustritten zu schaffen. The present invention has for its object to provide a sealing segment for a vehicle drive, e.g. of a car (BEV or HEV), aircraft or ship to provide a battery that can be adapted as flexibly as possible to the spatial conditions that exist in the motor vehicle and that achieves efficient cooling and a high energy density with a simple battery construction without create increased risk of coolant leaks.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Dichtungssegment aufweisend eine erste Haupt- fläche (die z.B. als Vorderseite aufgefasst werden kann) und eine zweite Flauptfläche (die z.B. als Rückseite aufgefasst werden kann), die am Dichtungssegmentrand inei nander übergehen, und mindestens eine Durchtrittsöffnung, die das Dichtungssegment von der ersten Flauptfläche zur zweiten Hauptfläche durchdringt, wobei eine Orthogo- nalprojektion des mit einer Hauptfläche an einer Projektionsebene anliegenden Dich- tungssegments einen Segmentprojektionsumriss, der eine Segmentprojektionsfläche APS umgibt, und mindestens einen Öffnungsprojektionsumriss, der eine Öffnungsprojek- tions(gesamt)fläche APF umgibt, definiert, das Verhältnis APF zu APS im Bereich von 0,001 bis 0,20 liegt, sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte vom Segmentpro- jektionsumriss beabstandet sind und in einem umlaufenden Segmentprojektionsbereich liegen, der Segmentprojektionsbereich durch den Segmentprojektionsumriss nach außen begrenzt ist und eine umlaufend konstante Breite hat, die so gewählt ist, dass der Segmentprojektionsbereich 75 % der Segmentprojektionsfläche APS einnimmt, wo- bei das Dichtungssegment eine Graphitfolienlage umfasst. This object is achieved by a sealing segment having a first main surface (which can, for example, be conceived as the front) and a second flap surface (which can, for example, be conceived as the rear), which merge into one another at the edge of the sealing segment, and at least one passage opening, which Sealing segment penetrates from the first main surface to the second main surface, wherein an orthogonal projection of the sealing segment lying with a main surface on a projection plane has a segment projection outline that surrounds a segment projection surface AP S and at least one opening projection outline that covers an opening projection (total) surface A PF surrounds, defines, the ratio A PF to A PS in the range of 0.001 to 0.20, all opening projection outline points are spaced from the segment projection outline and lie in a circumferential segment projection area, the segment projection area is limited to the outside by the segment projection outline and has a circumferentially constant width which is chosen such that the segment projection area is 75% of the segment projection area A PS assumes, the sealing segment comprising a graphite foil layer.
Unter der Orthogonalprojektion wird die Abbildung des Dichtungssegments auf eine Projektionsebene verstanden, sodass die Verbindungslinie zwischen einem Punkt des Dichtungssegments und dem Abbild dieses Punkts mit der Projektionsebene einen rechten Winkel bildet. Dies gilt für jeden Punkt des Dichtungssegments und die zum Ab- bild dieses Punkts führende Verbindungslinie; es handelt sich also um eine spezielle Form der Parallelprojektion. Bei der Orthogonalprojektion ist das mit einer Hauptfläche an einer Projektionsebene anliegende Dichtungssegment so ausgerichtet, dass die Segmentprojektionsfläche APS so groß wie möglich ist. Je nach Form der Hauptfläche kann sie z.B. vollständig an der Projektionsebene anliegen (im Falle einer ebenen Hauptfläche), mit nur einem Teil der Hauptfläche oder mit nur einem oder mehreren Punkten der Hauptfläche (wenn die Hauptfläche nicht vollkommen eben ist). Die beiden Hauptflächen gehen am Dichtungssegmentrand und am Rand der Durch- trittsöffnung ineinander über. Die Übergänge können am Dichtungssegmentrand und am Öffnungsrand Stirnflächen umfassen, wie z.B. aus Figuren 1 B und 1 C ersichtlich.The orthogonal projection is understood to mean the mapping of the sealing segment onto a projection plane, so that the connecting line between a point of the sealing segment and the image of this point forms a right angle with the projection plane. This applies to every point of the sealing segment and the connecting line leading to the representation of this point; it is therefore a special form of parallel projection. In the case of orthogonal projection, the sealing segment which is in contact with a main surface on a projection plane is oriented in such a way that the segment projection surface A PS is as large as possible. Depending on the shape of the main surface, it can, for example, lie completely against the projection plane (in the case of a flat main surface), with only a part of the main surface or with only one or more points of the main surface (if the main surface is not completely flat). The two main surfaces merge into one another at the edge of the sealing segment and at the edge of the passage opening. The transitions can include end faces at the edge of the sealing segment and at the opening edge, as can be seen, for example, from FIGS. 1B and 1C.
Die Stirnflächen verlaufen typischerweise in etwa orthogonal zur ersten und zur zweiten Hauptfläche und ergeben sich z.B. indem man ein flächiges Material, aus dem das Dichtungssegment besteht, durch Schneiden, Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden oder Stanzen bearbeitet. Die Randbereiche können aber auch andere Formen haben und z.B. Stirnflächen mit abgerundeten Übergängen zu den Hauptflächen umfassen. Die Orthogonalprojektion des mit der einen Hauptfläche an der Projektionsebene anlie- genden Dichtungssegments definiert einen Segmentprojektionsumriss. Der Segment- projektionsumriss umgibt die Segmentprojektionsfläche APS. Die Orthogonalprojektion definiert auch mindestens einen Öffnungsprojektionsumriss. Der mindestens eine Öff- nungsprojektionsumriss umgibt die Öffnungsprojektions(gesamt)fläche APF. Wenn nur eine Durchtrittsöffnung und somit nur ein Öffnungsprojektionsumriss vorliegt, wird von einer Öffnungsprojektionsfläche APF gesprochen. Liegen mehrere Durchtrittsöffnungen und somit mehrere Öffnungsprojektionsumrisse vor, wird von einer Öffnungsprojektions- gesamtfläche APF gesprochen The end faces typically run approximately orthogonally to the first and second main surfaces and result, for example, by processing a flat material from which the sealing segment is made by cutting, water jet cutting, laser cutting or punching. However, the edge areas can also have other shapes and, for example, include end faces with rounded transitions to the main areas. The orthogonal projection of the sealing segment lying with one main surface on the projection plane defines a segment projection outline. The segment projection outline surrounds the segment projection area A PS . The orthogonal projection also defines at least one opening projection outline. The at least one opening projection outline surrounds the opening projection (total) area A PF . If there is only one passage opening and thus only one opening projection outline, one speaks of an opening projection area A PF . If there are several through openings and thus several opening projection outlines, one speaks of an overall opening projection area A PF
Die Segmentprojektionsfläche APs schließt die Öffnungsprojektions(gesamt)fläche APF ein, da der mindestens eine Öffnungsprojektionsumriss vollständig innerhalb des Seg- mentprojektionsumrisses verläuft. Das Dichtungssegment umfasst eine Graphitfolienlage. Die Graphitfolienlage erstreckt sich in dem Dichtungssegment. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolie in der Ebene wird die flächige Wärmeverteilung im Dichtungssegment beschleunigt. The segment projection area A P s includes the opening projection area (total) area A PF , since the at least one opening projection outline runs completely within the segment projection outline. The sealing segment comprises a graphite foil layer. The graphite foil layer extends in the sealing segment. Due to the high thermal conductivity of the graphite foil in the plane, the flat heat distribution in the sealing segment is accelerated.
Außerdem bietet die Kompressibilität der Graphitfolie Vorteile. Sie steigert die Dichtig keit der Batterie im Bereich zwischen Rahmen und Dichtungssegment. Eine Volumen- ausdehnung einer am Dichtungssegment anliegenden Batteriezelle, z.B. einer Pouch- zelle, wird durch die Graphitfolie wenigstens teilweise kompensiert. Insofern ist es von Vorteil, wenn sich die Graphitfolienlage bis zum Dichtungssegmentrand erstreckt. Wei- terhin ist es bevorzugt, wenn die Graphitfolienlage sich im Dichtungssegment bis an eine Stelle erstreckt, die in der Orthogonalprojektion näher am Segmentprojektions- flächenschwerpunkt liegt, als der zum Segmentprojektionsflächenschwerpunkt nächste Öffnungsprojektionsumrisspunkt. An der Stelle können dann Volumenänderungen der Batteriezelle durch die Graphitfolie zumindest teilweise ausgeglichen werden. In ganz besonders bevorzugten, erfindungsgemäßen Dichtungssegmenten nimmt die Projektionsfläche der Graphitfolie in der Orthogonalprojektion mehr als 90 %, insbeson- dere mehr als 95 %, z.B. mehr als 98 % der Segmentprojektionsfläche APS ein. Die Graphitfolienlage kann eine, ausgehend von Polymeren gebildete synthetische Gra- phitfolienlage sein. Vorzugsweise umfasst die Graphitfolienlage jedoch ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat. The compressibility of the graphite foil also offers advantages. It increases the tightness of the battery in the area between the frame and the sealing segment. The graphite foil at least partially compensates for a volume expansion of a battery cell adjacent to the sealing segment, for example a pouch cell. In this respect, it is advantageous if the layer of graphite foil extends to the edge of the sealing segment. Furthermore, it is preferred if the graphite foil layer extends in the sealing segment to a point which, in the orthogonal projection, is closer to the segment projection area center than the opening projection outline point closest to the segment projection area center of gravity. At this point, changes in volume of the battery cell can be at least partially compensated for by the graphite foil. In very particularly preferred sealing segments according to the invention, the projection area of the graphite foil in the orthogonal projection takes up more than 90%, in particular more than 95%, for example more than 98% of the segment projection area A PS . The graphite foil layer can be a synthetic graphite foil layer formed from polymers. However, the graphite foil layer preferably comprises a partially compacted graphite expandate.
Die Herstellung von Graphitfolienlagen, die ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat umfassen, ist allgemein bekannt. Sie lassen sich bekanntermaßen dadurch hersteilen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Graphenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird an- schließend expandiert, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt. Beispielsweise wird zur Herstellung von expandiertem Graphit (Graphitexpandat) mit ei- ner wurmförmigen Struktur üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Interkala- ten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, vermischt und bei einer er- höhten Temperatur von z.B. 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt (siehe The production of graphite foil layers which comprise a partially compacted graphite expandate is generally known. As is known, they can be produced by treating graphite with certain acids, a graphite salt being formed with acid anions embedded between graphene layers. The graphite salt is then expanded by using it at high temperatures e.g. Exposed to 800 ° C. For example, in order to produce expanded graphite (graphite expandate) with a worm-like structure, graphite, such as natural graphite, is usually mixed with an intercalate, such as, for example, nitric acid or sulfuric acid, and at an elevated temperature of e.g. 600 ° C to 1200 ° C heat treated (see
DE10003927A1 ). Das bei der Expansion erhaltene Graphitexpandat wird anschließend zur Graphitfolie verpresst. Ein Verfahren zur Herstellung von Graphitfolien ist z.B. in der EP 1 120 378 B1 beschrieben. Auch die DE 10 2012 202 748 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstel- lung einer Graphitfolie. Das Verpressen kann so gesteuert werden, dass man Graphitfolien erhält, die sehr fest sind. Verpresst man das Graphitexpandat nur leicht (Beispielsweise auf ein Dichte im Bereich von 0,2 bis 0,7 g/cm3) wird beispielsweise bei einer Stärke von 0,5 mm eine re- lativ flexible Graphitfolienlage erhalten. Verpresst man auf höhere Dichten von z.B. 1 ,5 bis 1 ,9 g/cm3, ist die erhaltene Graphitfolienlage bei derselben Stärke im Wesentlichen unflexibel und plattenartig. Das Dichtungssegment weist bevorzugt an mindestens einer Hauptfläche eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Die Beschichtung kann z.B. aus einem Kunst- stoff gebildet sein, vorzugsweise aus Polyethylentherephthalat (PET) oder PTFE, z.B. expandiertes PTFE (ePTFE). Dies hat den Vorteil, dass auch bei einer Beschädigung einer Batteriezelle, eine unerwünschte elektrische Aufladung des Dichtungssegments vermieden wird. DE10003927A1). The expanded graphite obtained during the expansion is then pressed into the graphite foil. A method for producing graphite foils is described, for example, in EP 1 120 378 B1. DE 10 2012 202 748 A1 also describes a method for producing a graphite foil. The pressing can be controlled so that graphite foils are obtained which are very strong. If the expanded graphite is compressed only slightly (for example to a density in the range from 0.2 to 0.7 g / cm 3 ), a relatively flexible layer of graphite foil is obtained, for example, with a thickness of 0.5 mm. If one presses to higher densities of, for example, 1.5 to 1.9 g / cm 3 , the graphite foil layer obtained is essentially inflexible and plate-like with the same thickness. The sealing segment preferably has an electrically insulating coating on at least one main surface. The coating can be formed, for example, from a plastic, preferably from polyethylene terephthalate (PET) or PTFE, for example expanded PTFE (ePTFE). This has the advantage that even if a battery cell is damaged, undesired electrical charging of the sealing segment is avoided.
Die elektrisch isolierende Beschichtung kann beide Hauptflächen im Wesentlichen voll- ständig, z.B. zu mehr als 90 % bedecken. Der Rand der Durchtrittsöffnung kann voll- ständig von der elektrisch isolierenden Beschichtung bedeckt sein. Dies hat den Vorteil, dass ein zur Kühlung verwendetes Fluid, das durch die Durchtrittsöffnung strömt, im Be- reich der Öffnung nicht in das Dichtungssegment eindringen kann. Das Dichtungsseg- ment bleibt dann länger erhalten und muss noch seltener ausgetauscht werden. The electrically insulating coating can essentially completely cover both main surfaces, e.g. cover more than 90%. The edge of the passage opening can be completely covered by the electrically insulating coating. This has the advantage that a fluid used for cooling, which flows through the passage opening, cannot penetrate into the sealing segment in the region of the opening. The sealing segment then remains intact longer and has to be replaced even less frequently.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Dichtungssegment aus dem Graphitexpandat enthaltenden Flachmaterial, das in WO 201 1/101391 A1 angege- ben ist. Hierdurch kann eine gute Wärmeleitfähigkeit in Flächenrichtung bei gleichzei- tiger Anpassungsfähigkeit an Volumenänderungen der Batteriezellen in beiden Richtun- gen - Volumenausdehnung und Volumenverringerung - erreicht werden. Zudem lässt sich das graphithaltige Flachmaterial des Dichtungssegments besonders gut an unter- schiedlichste Formen von Batteriezellen anpassen. In a particularly preferred embodiment, the sealing segment consists of the flat material containing expanded graphite, which is specified in WO 201 1/101391 A1. This enables good thermal conductivity in the surface direction with simultaneous adaptability to changes in volume of the battery cells in both directions - volume expansion and volume reduction. In addition, the graphite-containing flat material of the sealing segment can be adapted particularly well to the most varied forms of battery cells.
In einer Ausführungsform der Erfindung weistdas Dichtungssegment eine Dichte von 0,6-1 ,9 g/cm3, bevorzugt von 0,7-1 ,4 g/cm3 und besonders bevorzugt von 0,9-1 ,1 g/cm3 wie etwa vorteilhafte 1 ,0 g/cm3 auf. In einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung weist das Dichtungssegment eine Wärmeleitfähigkeit in Flächenrichtung von 120- 500 W/(m K), bevorzugt von 130-480 W/(m K) und besonders bevorzugt von 250-450 W/(m K) auf. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels der Angström-Methode („Angström’s Method of Measuring Thermal Conductivity”; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt. In one embodiment of the invention, the sealing segment has a density of 0.6-1.9 g / cm 3 , preferably 0.7-1.4 g / cm 3 and particularly preferably 0.9-1.1 g / cm 3 such as advantageous 1.0 g / cm 3 . In a further embodiment of the invention, the sealing segment has a thermal conductivity in the surface direction of 120-500 W / (m K), preferably 130-480 W / (m K) and particularly preferably 250-450 W / (m K) , Thermal conductivity is measured using the Angström method (“Angström's Method of Measuring Thermal Conductivity ”; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses).
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Dichtungssegment in der gesamten Fläche in Dickenrichtung eine Rückfederung von 2 bis 6%, bevorzugt von 2,5 bis 5,5% und besonders bevorzugt von 3 bis 5%, bezogen auf seine Ausgangsdicke auf. Die Rückfederung wird bestimmt gemäß Abschnitten 9.1 , 9.2 und 9.2.1 der In one embodiment of the invention, the sealing segment has a springback of 2 to 6%, preferably 2.5 to 5.5% and particularly preferably 3 to 5%, based on its initial thickness, in the thickness direction. The springback is determined in accordance with sections 9.1, 9.2 and 9.2.1 of the
DIN 28090-2:1995-09. Es wurde nun gefunden, dass dies in den Bereichen, in denen das Dichtungssegment an den Rahmen anliegt, einem ungewünschten Austritt von Kühlfluid wirksam entgegenwirkt. Auch können für die Rahmen dann Materialien mit ho- hen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, wie z.B. Kunststoffrahmen auf Polymerbasis. Die Rückfederung der Dichtungssegmente gleicht die mit örtlichen Temperaturschwankungen einhergehenden Verwindungen der Rahmen aus, und ge- währleistet so eine hohe Dichtigkeit z.B. auch während eines Starts des Fahrzeugs bei besonders niedrigen Außentemperaturen. DIN 28090-2: 1995-09. It has now been found that this effectively counteracts an undesired leakage of cooling fluid in the areas in which the sealing segment lies against the frame. Materials with high coefficients of thermal expansion can then also be used for the frames, such as Polymer-based plastic frame. The resilience of the sealing segments compensates for the twisting of the frames associated with local temperature fluctuations, thus ensuring a high level of tightness e.g. even when the vehicle starts at particularly low outside temperatures.
Dies ermöglicht eine gezielte lokale Verdichtung in den an den Rahmen anliegenden Rändern der Dichtungssegmente, wenn man die Dichtungssegmente zwischen den Rahmen einspannt. Ein unerwünschter Austritt von Kühlfluid wird dadurch weiter er- schwert. Die Rahmen können dann mit höheren Fertigungstoleranzen hergestellt wer- den, wobei Unebenheiten durch kompressible Dichtungssegmente besonders gut aus- geglichen werden. Beim Spritzguss von Kunststoffrahmen werden relativ hohe Ferti- gungstoleranzen zu Gunsten einer höheren Fertigungseffizienz gezielt in Kauf genom- men. Erfindungsgemäß verwendbare Dichtungssegmente ermöglichen also eine beson- ders effiziente Batteriefertigung und werden vorzugsweise in Verbindung mit Kunst- stoffspritzgussrahmen verwendet. This enables targeted local compaction in the edges of the sealing segments which are in contact with the frame if the sealing segments are clamped between the frames. An undesirable leakage of cooling fluid is thereby made even more difficult. The frames can then be manufactured with higher manufacturing tolerances, with unevenness being particularly well compensated for by compressible sealing segments. When plastic frames are injection molded, relatively high manufacturing tolerances are specifically accepted in favor of higher manufacturing efficiency. Sealing segments which can be used according to the invention thus enable particularly efficient battery production and are preferably used in conjunction with plastic injection molding frames.
Bevorzugt kann das Dichtungssegment aus verdichtetem Graphitexpandat bestehen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Dichtungssegment aus einem vor der Ver- dichtung gebildeten Gemisch aus weitgehend gleichmäßig vermischtem Graphitexpan- dat und Kunststoffpartikeln bestehen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Dichtungssegment mit nach der Verdichtung aufgebrachtem Kunststoff ober- flächlich oder bis in den Kernbereich des Dichtungssegments imprägniert sein. Durch diese Ausführungsformen lassen sich vorteilhaft besonders formstabile und leicht hand- habbare Dichtungssegmente ausformen. Vorteilhaft können als Kunststoffe Thermo- plaste, Duroplaste oder Elastomere verwendet werden, insbesondere Fluorpolymer, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, Benzoaxine und/oder Epoxidharze. The sealing segment can preferably consist of compressed graphite expandate. In an alternative embodiment, the sealing segment can consist of a mixture of largely uniformly mixed graphite expanded material and plastic particles formed before the compression. In a further alternative embodiment the sealing segment can be impregnated with plastic applied after the compression on the surface or up to the core area of the sealing segment. By means of these embodiments, particularly dimensionally stable and easily manageable sealing segments can advantageously be formed. Thermoplastics, thermosets or elastomers, in particular fluoropolymer, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, benzoaxines and / or epoxy resins, can advantageously be used as plastics.
Um einen besonders guten Wärmeübergang von einer Batteriezelle auf das Dichtungs- segment zu ermöglichen, kann das Dichtungssegment an eine Außenkontur der Batte- riezelle angepasst sein. Beispielsweise kann das Dichtungssegment eine Vertiefung zur formschlüssigen Aufnahme eines Teils einer Außenfläche einer Batterie aufweisen, wo- bei die Vertiefung spezifisch für die teilweise Aufnahme bestimmter zylindrischer oder prismatischer Batterien ausgebildet sein kann, um eine möglichst großflächige An- schmiegung einer Batterie an eine Flauptfläche des Dichtungssegments zu ermög- liehen. In order to enable a particularly good heat transfer from a battery cell to the sealing segment, the sealing segment can be adapted to an outer contour of the battery cell. For example, the sealing segment can have a recess for the form-fitting reception of a part of an outer surface of a battery, the recess being specifically designed for the partial reception of certain cylindrical or prismatic batteries, in order to allow a battery to hug as large a surface as possible to a main surface of the sealing segment to allow.
Bei einem bevorzugten Dichtungssegment sind eine oder beide Flauptflächen im We- sentlichen eben. Dies hat den Vorteil, dass im Wesentlichen Ebene Oberflächen von Pouchzellen an der Wärmeaustauschfläche anliegen können, wodurch eine effiziente Wärmeübertragung gewährleistet wird. In a preferred sealing segment, one or both of the fluff surfaces are essentially flat. This has the advantage that essentially flat surfaces of pouch cells can rest on the heat exchange surface, thereby ensuring efficient heat transfer.
Um die erst im Betrieb der Batteriezellen, z.B. Pouchzellen auftretende Volumenaus- dehnung nicht zu behindern, können die Dichtungssegmente und die Batteriezellen im betriebslosen und entladenen Zustand des Energiespeichers vorteilhaft so miteinander verspannt werden, dass die Dichtungssegmente in Dickenrichtung nur schwach, bevor- zugt um höchstens 1 % bezogen auf deren Ausgangsdicke, komprimiert sind. To ensure that the battery cells, e.g. In order not to impede the expansion of the pouch cells, the sealing segments and the battery cells can advantageously be clamped to one another in the inoperative and discharged state of the energy store in such a way that the sealing segments are compressed only slightly in the thickness direction, preferably by at most 1% based on their initial thickness ,
Die Zahl der Durchtrittsöffnungen ist nicht beschränkt. Sie kann 1 , 2, 3, 4, 5, oder 6 be- tragen, vorzugsweise 1 , 2, 3, 4 oder 5, weiterhin bevorzugt 1 , 2, 3 oder 4, besonders bevorzugt 1 , 2 oder 3, beispielsweise 1 oder 2. In einem ganz besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Dichtungssegment beträgt die Zahl der Durchtrittsöffnungen 1 . The number of through openings is not limited. It can be 1, 2, 3, 4, 5 or 6, preferably 1, 2, 3, 4 or 5, further preferably 1, 2, 3 or 4, particularly preferably 1, 2 or 3, for example 1 or 2. In a very particularly preferred sealing segment according to the invention, the number of passage openings is 1.
Sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte sind vom Segmentprojektionsumriss beab- standet. All opening projection outline points are spaced from the segment projection outline.
Weist das Dichtungssegment mehr als eine Durchtrittsöffnung auf, so liegen die If the sealing segment has more than one passage opening, they are located
Durchtrittsöffnungen vorzugsweise entweder nahe beieinander gruppiert oder weit voneinander entfernt Through openings are preferably either grouped close together or far apart
Eine Gruppierung von Durchtrittsöffnungen nahe beieinander hat den Vorteil, dass Turbulenzen des Kühlfluids beim Durchtritt auch bei niedrigeren A grouping of passage openings close to one another has the advantage that turbulence of the cooling fluid during passage also at lower
Strömungsgeschwindigkeiten begünstigt werden. Dies gilt jedenfalls im Vergleich zu einer einzigen Durchtrittsöffnung deren Öffnungsprojektionsfläche den aufsummierten Öffnungsprojektionsflächen der gruppierten Durchtrittsflächen entspricht. Flow speeds are favored. In any case, this applies in comparison to a single passage opening whose opening projection area corresponds to the total opening projection areas of the grouped passage areas.
Wenn mehrere Durchtrittsöffnungen (oder Gruppen von Durchtrittsöffnungen) vorliegen, sollten sie andererseits möglichst weit voneinander entfernt sein. Denn dadurch bietet sich überhaupt erst die Möglichkeit, eine Duchtrittsöffnung des im Batteriezellstapels folgenden Dichtungssegments mittig so je zwischen zwei Durchtrittsöffnungen anzuordnen, dass das Kühlfluid über längere Strecken zwischen Dichtungssegmenten an deren Oberflächen entlangfließt. Denn eine besonders effektive Kühlung ermöglicht die vorliegenden Erfindung unter anderem dadurch, dass ein Kühlfluid gezielt entlang der Dichtungssegmentoberfläche geführt wird. If there are several passage openings (or groups of passage openings), on the other hand, they should be as far apart as possible. Because this makes it possible in the first place to arrange a passage opening of the sealing segment following in the battery cell stack in the middle between two passage openings in such a way that the cooling fluid flows along the surfaces of the sealing segments over longer distances. This is because the present invention enables particularly effective cooling, inter alia, in that a cooling fluid is guided specifically along the surface of the sealing segment.
Präzisieren lassen sich die in den vorherigen drei Abschnitten angegebenen The details given in the previous three sections can be specified
bevorzugten Abstände von Durchtrittsöffnungen wie folgt: preferred distances from through openings as follows:
Kein Öffnungsprojektionsumrisspunkt eines Öffnungsprojektionsumrisses liegt näher an einem Öffnungsprojektionsumrisspunkt eines anderen Öffnungsprojektionsumrisses, als 5 %, insbesondere 8 %, besonders bevorzugt 10 %, z.B. 15% der Länge des Segmentprojektionsumrisses. Dies gilt nur in Bezug auf die Öffnungsprojektionsumrisse gruppierter Durchtrittsöffnungen untereinander nicht. Als gruppiert gelten No opening projection outline point of an opening projection outline is closer to an opening projection outline point of another opening projection outline than 5%, in particular 8%, particularly preferably 10%, for example 15% of the length of the segment projection outline. This only does not apply with regard to the opening projection outlines of grouped openings among one another. Consider as grouped
Durchtrittsöffnungen, wenn sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte einer Passage openings if all opening projection outline points of one
Durchtrittsöffnung einen Abstand von weniger als 4 % der Länge des Passage opening a distance of less than 4% of the length of the
Segmentprojektionsumrisses zu einem Öffnungsprojektionsumrisspunkt eines Segment projection outline to an opening projection outline point of a
Öffnungsprojektionsumrisses mindestens einer anderen Durchtrittsöffnung einnehmen. Mit den Öffnungsprojektionsumrisspunkten sind die Punkte gemeint, die den Öffnungs- projektionsumriss bilden oder, falls mehrere Durchtrittsöffnungen vorhanden sind, die Öffnungsprojektionsumrisse bilden. Take the opening projection outline of at least one other passage opening. The opening projection outline points mean the points which form the opening projection outline or, if there are several passage openings, form the opening projection outline.
Sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte liegen innerhalb eines umlaufenden Seg- mentprojektionsbereichs. Der umlaufende Segmentprojektionsbereich ist durch den Segmentprojektionsumriss nach außen begrenzt. Der umlaufende Segmentprojektionsbereich hat eine umlaufend konstante Breite. Die Breite ist so gewählt, dass der umlaufende Segmentprojektionsbe- reich 75 %, vorzugsweise 65 %, weiterhin bevorzugt 55 %, besonders bevorzugt 45 %, ganz besonders bevorzugt 35 %, z.B. 30 % der Segmentprojektionsfläche APS ein- nimmt. Umlaufene Segmentprojektionsbereiche konstanter Breite lassen sich für jeden Segmentprojektionsumriss angeben, wie in Figuren 4A bis 4D beispielhaft veranschau- licht. All opening projection outline points lie within a circumferential segment projection area. The circumferential segment projection area is limited to the outside by the segment projection outline. The circumferential segment projection area has a circumferentially constant width. The width is selected so that the circumferential segment projection area occupies 75%, preferably 65%, further preferably 55%, particularly preferably 45%, very particularly preferably 35%, for example 30% of the segment projection area A PS . Circumferential segment projection areas of constant width can be specified for each segment projection outline, as exemplified in FIGS. 4A to 4D.
Erfindungsgemäß befinden sich die Durchtrittsöffnung(en) also inei nem äußeren Be- reich des Dichtungssegments, der mit Hilfe der Orthogonalprojektion und des umlaufen- den Segmentprojektionsbereichs abgegrenzt ist. Dadurch steht ein vom äußeren Be- reich umgebener innerer Bereich des Dichtungssegments zur Verfügung für einen flä chigen thermischen Kontakt zwischen Batteriezelle(n) und Hauptfläche(n). Eine mit erfindungsgemäßen Dichtungssegmenten aufgebaute Batterie ist an die räum- lichen Gegebenheiten, die in einem Kraftfahrzeug bestehen, flexibel anpassbar. Das Dichtungssegment ermöglicht einen stapelförmigen Aufbau einer Batterie, wie z.B. in Figur 7 gezeigt. Die Form der Dichtungssegmente und die Länge einzelner Stapel sind dabei im Wesentlichen frei wählbar, so dass die Flohlräume, die in einem bestimmten Kraftfahrzeugtyp für eine Traktionsbatterie zur Verfügung stehen, möglichst vollständig ausgenutzt werden können. According to the invention, the passage opening (s) are therefore located in an outer area of the sealing segment, which is delimited with the aid of the orthogonal projection and the circumferential segment projection area. This means that an inner area of the sealing segment surrounded by the outer area is available for a flat thermal contact between the battery cell (s) and the main surface (s). A battery constructed with sealing segments according to the invention can be flexibly adapted to the spatial conditions that exist in a motor vehicle. The sealing segment enables a stacked structure of a battery, as shown for example in FIG. 7. The shape of the sealing segments and the length of individual stacks are essentially freely selectable, so that the flea spaces that are available for a traction battery in a certain type of motor vehicle can be used as completely as possible.
Beispielsweise hat eine Erhebung zwischen den Sitzen eines PKW, z.B. ein Kardan- tunnel, eine vorgegebene Form und lässt sich nicht beliebig in den Fahrgastraum hinein erweitern. Um den dort vorhandenen Bauraum möglichst vollständig zu nutzen, könnte etwa eine Batterie basierend auf trapezförmigen Dichtungssegmenten aufgebaut wer- den. Ebenso denkbar sind Dichtungssegmente mit im wesentlicher rechteckiger, drei- eckiger, ovaler oder runder Segmentprojektionsfläche. For example, an elevation between the seats of a car, e.g. a cardan tunnel, a given shape and cannot be extended into the passenger compartment at will. In order to use the space available there as completely as possible, a battery could be built based on trapezoidal sealing segments. Sealing segments with an essentially rectangular, triangular, oval or round segment projection surface are also conceivable.
Sollen an anderer Stelle mehrere Batterien direkt nebeneinander oder übereinander an- geordnet werden, sind Flohlräume zwischen den Batterien in der Regel nicht erwünscht, da diese Hohlräume sich anderweitig schwer nutzen lassen. In diesem Fall empfiehlt sich ein Dichtungssegment mit im Wesentlichen rechteckiger Segmentprojektionsfläche, da sich daraus aufgebaute Stapel fast ohne unerwünschte Hohlräume nebeneinander anordnen lassen. If several batteries are to be arranged directly next to one another or one above the other at other points, fluff spaces between the batteries are generally not desirable since these cavities are difficult to use in other ways. In this case, a sealing segment with an essentially rectangular segment projection surface is recommended, since stacks constructed therefrom can be arranged next to one another with almost no unwanted cavities.
Mit dem erfindungsgemäßen Dichtungssegment wird bei einfacher Bauweise eine effi ziente Kühlung und eine hohe Energiedichte erreicht. Mit verschiedenen Elemente einer Batterie, die mit erfindungsgemäßen Dichtungssegmenten aufbaubar ist, bewirken die Dichtungssegmente synergistische Vorteile, wie in den nachfolgenden Absätzen be- schrieben. Die Dichtungssegmente bewirken eine Abdichtung, indem sie direkt an Rahmen ange- schlossen werden können; sie lassen sich zwischen den Rahmen einspannen (Dich- tungsfunktion). Zudem positionieren die Dichtungssegmente die Batteriezellen in der gewünschten Position im Zellstapel (Positionierungsfunktion). Sie ermöglichen einen definierten, punktuellen Durchritt von Kühlfluid durch die Durchtrittsöffnungen und be- grenzen die zwischen Durchtrittsöffnungen verlaufenden Abschnitte der Kanäle in Sta- pelrichtung (Fluidleitfunktion). Gleichzeitig wird überschüssige Wärme von Batterie- zellen direkt auf die Dichtungssegmente übertragen. Die Wärme verteilt sich im Dich- tungssegment auch in weiter außen gelegene Bereiche hinein, an denen eine oder mehrere Hauptflächen des Dichtungssegments in Kontakt mit einem Kühlfluid stehen, auf das die Wärme übertragen wird (Wärmeleitfunktion). With the sealing segment according to the invention, efficient cooling and a high energy density are achieved with a simple construction. With various elements of a battery that can be assembled with sealing segments according to the invention, the sealing segments bring about synergistic advantages, as described in the following paragraphs. The sealing segments create a seal by being able to be connected directly to the frame; they can be clamped between the frames (sealing function). In addition, the sealing segments position the battery cells in the desired position in the cell stack (positioning function). They allow a defined, punctual passage of cooling fluid through the passage openings and limit the sections of the channels running between passage openings in the stacking direction (fluid guide function). At the same time, excess heat from battery cells is transferred directly to the sealing segments. The heat is also distributed in the sealing segment into areas further out, where one or more main surfaces of the sealing segment are in contact with a cooling fluid to which the heat is transferred (thermal conductivity function).
Wenn die Dichtungssegmente fest zwischen den Rahmen eingespannt sind, verhält sich die Batterie wie ein einziger fester Körper, der über Rahmen im Kraftfahrzeug ver- ankert werden kann (Positionierungsfunktion). Die Rahmen bilden eine Wand des Kühl kanals, so dass ein Kühlfluid im Kühlkanal an einer Oberfläche der Rahmen entlang- strömen kann (Fluidleitfunktion). If the sealing segments are firmly clamped between the frames, the battery behaves like a single solid body that can be anchored to the frame in the motor vehicle (positioning function). The frames form a wall of the cooling channel, so that a cooling fluid can flow along a surface of the frames in the cooling channel (fluid guide function).
Die Batteriezellen dienen bei der vorliegenden Erfindung nicht nur zur Bereitstellung von elektrischer Energie, sondern begrenzen zugleich den Kühlkanal. Sie tragen dazu bei, dass das Fluid an der Batteriezelle entlanggeführt wird (Fluidleitfunktion). Dies be- wirkt gleichzeitig eine effiziente Kühlung, da das Kühlfluid an der Zelloberfläche entlang- strömt. Durch die Dichtungssegmente werden Bauteile entbehrlich, die gemäß Stand der Tech- nik benötigt würden. Ein sich über die gesamte Länge des stapelförmigen Aufbaus der Batterie erstreckender Kühlkanal, der die einzelnen Batteriezellen umgibt, wird bei Ver- wendung der erfindungsgemäßen Dichtungssegmente wie beiläufig durch Rahmen, Dichtungssegmente und Batteriezellen definiert (siehe insbesondere Figuren 3, 4 und 5), ohne dass hierfür eigene Bauteile erforderlich wären. Dies sorgt für eine besonders einfache Bauweise. In the present invention, the battery cells not only serve to provide electrical energy, but also limit the cooling channel. They help ensure that the fluid is guided along the battery cell (fluid control function). At the same time, this causes efficient cooling, since the cooling fluid flows along the cell surface. The sealing segments make components that would be required according to the state of the art unnecessary. A cooling channel, which extends over the entire length of the stack-like structure of the battery and which surrounds the individual battery cells, is, as is incidentally, defined by frames, sealing segments and battery cells when using the sealing segments according to the invention (see in particular FIGS. 3, 4 and 5) without the need for separate components. This ensures a particularly simple construction.
Dadurch wird gleichzeitig eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen erreicht. Überschüssige Wärme wird von Batteriezellen über die Dichtungssegmente auf das Kühlfluid übertragen, wie oben beschrieben (erster Wärmepfad). Zusätzlich wird über- schüssige Wärme von den Batteriezellen direkt auf das Kühlfluid übertragen, da der durch die Dichtungssegmente und deren Durchtrittsöffnungen definierte Kühlkanal an den Batteriezellen entlangführt (zweiter Wärmepfad). Da Wärme aus den Batteriezellen gleichzeitig über mehrere Wärmepfade entweicht, ist eine ausreichende Kühlung auch mit relativ geringen Kühlfluidvolumenströmen oder mit weniger kalten Kühlfluiden mög- lich. Insofern dient das Dichtungssegment erfindungsgemäß zur Temperaturkontrolle.As a result, particularly efficient cooling of the battery cells is achieved. Excess heat is transferred from battery cells via the sealing segments to the cooling fluid, as described above (first heat path). In addition, excess heat is transferred directly from the battery cells to the cooling fluid, since the cooling channel defined by the sealing segments and their passage openings runs along the battery cells (second heat path). Since heat escapes from the battery cells at the same time over several heat paths, adequate cooling is also possible with relatively low cooling fluid volume flows or with less cold cooling fluids. In this respect, the sealing segment is used according to the invention for temperature control.
Es ist also nur ein relativ geringer Kühlaufwand erforderlich. Auch steht das Kühlfluid beim Übergang von einer zur nächsten Batteriezelle ununterbrochen zur Wärmeauf- nähme zur Verfügung. Die erfindungsgemäßen Dichtungssegmente lassen sich so an- ordnen und die Durchtrittsöffnungen sich dadurch so positionieren, dass eine kontinuier- liche Umströmung der Batteriezellen möglich wird. Dadurch werden Totvolumina, in de- nen das Kühlfluid für die Aufnahme von Wärme aus Batteriezellen nicht zur Verfügung steht, auf ein Minimum beschränkt. Das erfindungsgemäße Dichtungssegment ermög- licht dadurch letztlich eine besonders wirtschaftliche Nutzung der Wärmeaufnahme- kapazität des Kühlfluids, was den Einsatz besonders kleiner Kühlmittelvolumina ermög- licht. Only a relatively small amount of cooling is required. The cooling fluid is also continuously available for heat absorption during the transition from one battery cell to the next. The sealing segments according to the invention can be arranged in such a way and the passage openings can be positioned such that a continuous flow around the battery cells is possible. As a result, dead volumes in which the cooling fluid is not available for absorbing heat from battery cells are kept to a minimum. As a result, the sealing segment according to the invention ultimately enables the heat absorption capacity of the cooling fluid to be used particularly economically, which enables the use of particularly small coolant volumes.
Bezogen auf die gesamte Batterie einschließlich Kühlmittel ergeben sich somit beson- ders hohe Energiedichten. Relative to the entire battery including coolant, this results in particularly high energy densities.
Das Verhältnis APF zu APS liegt im Bereich im Bereich von 0,001 bis 0,20, bevorzugt von 0,003 bis 0,175, weiterhin bevorzugt von 0,004 bis 0,15, besonders bevorzugt von 0,004 bis 0,125. Bei einem noch kleineren Verhältnis dieser Flächen wird der Strö- mungswiderstand eines Kühlfluids auch bei kurzen Stapeln mit nur wenigen Dichtungs- segmenten zu groß. Eine Einrichtung zur Förderung des Fluids, wie z.B. eine Pumpe, würde dann zu viel Energie verbrauchen, um hinreichende Mengen an Kühlfluid durch den Stapel zu befördern. Bei einem noch größeren Verhältnis dieser Flächen wird die Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen zu stark beeinträchtigt, da durch die Durchtrittsöff- nung(en) dann ein zu großer Anteil der für den Wärmeaustausch (Wärmeleitung in der Graphitfolienlage) zur Verfügung stehenden Flächen aufgebraucht wird. The ratio A PF to A PS is in the range from 0.001 to 0.20, preferably from 0.003 to 0.175, further preferably from 0.004 to 0.15, particularly preferably from 0.004 to 0.125. With an even smaller ratio of these areas, the flow Resistance of a cooling fluid is too high even with short stacks with only a few sealing segments. A fluid delivery device, such as a pump, would then use too much energy to deliver sufficient amounts of cooling fluid through the stack. With an even larger ratio of these areas, the heat removal from the battery cells is impaired too much, since the passage opening (s) then uses up too much of the area available for heat exchange (heat conduction in the graphite foil layer).
Die Form des Dichtungssegments ist nicht beschränkt. Grundsätzlich sind alle Formen denkbar. Um eine Traktionsbatterie passgenau für einen bestimmten Flohlraum eines Kraftfahrzeugs zu bilden, können spezielle Formen erforderlich sein. Im Allgemeinen sind jedoch Formen mit kurzen Dichtungssegmenträndern bevorzugt, da dies die Wahr- scheinlichkeit von Kühlfluidaustritten und Aufquellen der Dichtungssegmente durch Kühlfluidaufnahme über die Stirnflächen weiter verringert. Beispielsweise überschreitet die Länge des Segmentprojektionsumrisses den Umfang eines Quadrates, dessen Fläche der Segmentprojektionsfläche APS entspricht, höchstens um 65 %, bevorzugt höchstens um 30 %, besonders bevorzugt höchstens um 10 %. The shape of the sealing segment is not limited. Basically, all shapes are possible. Special shapes may be required in order to form a traction battery for a specific motor vehicle flea space. In general, however, shapes with short sealing segment edges are preferred, since this further reduces the likelihood of cooling fluid leaks and swelling of the sealing segments due to absorption of cooling fluid over the end faces. For example, the length of the segment projection outline exceeds the circumference of a square, the area of which corresponds to the segment projection area A PS , at most by 65%, preferably at most by 30%, particularly preferably at most by 10%.
Vorzugsweise umfasst der Segmentprojektionsumriss keinen konkaven Abschnitt. Ein konkaver Abschnitt liegt vor, wenn eine Gerade so in den Segmentprojektionsumriss gelegt werden kann, dass Sie den Segmentprojektionsumriss in mehr als zwei Punkten schneidet und die zwischen der Geraden und dem Segmentprojektionsumriss ein- geschlossenen Teilflächen der Segmentprojektionsfläche mindestens 3 % von APS be- tragen. Preferably, the segmental projection outline does not include a concave section. A concave section exists if a straight line can be placed in the segment projection outline in such a way that it intersects the segment projection outline in more than two points and the partial areas of the segment projection area enclosed between the straight line and the segment projection outline amount to at least 3% of A PS ,
Es ist weniger bevorzugt, wenn eine Durchtrittsöffnung in einem peripheren Bereich ei- nes erfindungsgemäßen Dichtungssegments liegt. Orthogonalprojektionen weniger be- vorzugter Dichtungssegmente, in denen die Durchtrittsöffnung sich in aus regelmäßigen Grundfläche herausragen peripheren Lasche befinden, sind in Fig. 3A und 3B veran- schaulicht. Bevorzugte erfindungsgemäße Dichtungssegmente lassen sich von diesen Dichtungssegmenten mit Hilfe eines Polygons abgrenzen, auf das zur Definition der be- vorzugten Lage der Durchtrittsöffnung zurückgegriffen wird. Es ist erfindungsgemäß be- vorzugt, wenn der Öffnungsprojektionsumriss im Segmentprojektionsumriss so liegt, dass sich ein gleichseitiges und gleichwinkliges Polygon, z.B. ein Quadrat, dessen Fläche ein Achtel, im Allgemeinen ein Sechstel, vorzugsweise ein Fünftel, weiterhin be- vorzugt ein Viertel und besonders bevorzugt ein Drittel von APS beträgt, innerhalb des Segmentprojektionsumrisses so ausrichten lässt, dass der Öffnungsprojektionsumriss vollständig innerhalb des Polygons liegt. Erfindungsgemäß weniger bevorzugte Lagen der Durchtrittsöffnung im Dichtungs- segment lassen sich nicht nur mit Hilfe des Polygons bzw. Quadrats angeben, sondern stattdessen oder ergänzend zum Polygon auch mit Hilfe einer Schar von Geraden, die den Öffnungsprojektionsumriss in einem oder mehreren Punkten schneiden. Vorzugs- weise liegt der Öffnungsprojektionsumriss im Segmentprojektionsumriss so, dass keine der Geraden, die den Öffnungsprojektionsumriss in einem Punkt oder mehreren Punk- ten schneiden, den ersten Segmentprojektionsumriss in mehr als zwei Punkten schnei- det. It is less preferred if a passage opening lies in a peripheral area of a sealing segment according to the invention. Orthogonal projections of less preferred sealing segments, in which the passage opening is located in peripheral tabs protruding from the regular base area, are illustrated in FIGS. 3A and 3B. Preferred sealing segments according to the invention can be derived from these Use a polygon to delimit sealing segments, which is used to define the preferred position of the passage opening. It is preferred according to the invention if the opening projection outline lies in the segment projection outline such that there is an equilateral and equiangular polygon, for example a square, the area of which is an eighth, generally a sixth, preferably a fifth, further preferably a quarter and particularly preferred is a third of A PS , aligned within the segment projection outline so that the opening projection outline lies completely within the polygon. According to the invention, less preferred positions of the passage opening in the sealing segment can be specified not only with the aid of the polygon or square, but instead or in addition to the polygon also with the help of a family of straight lines which intersect the opening projection outline in one or more points. The opening projection outline is preferably in the segment projection outline in such a way that none of the straight lines which intersect the opening projection outline at one point or more points intersect the first segment projection outline at more than two points.
Wenn die Durchtrittsöffnung nicht in einem peripheren Bereich des Dichtungssegments liegt, verringert sich der Strömungswiderstand, da das Kühlfluid nicht in periphere Be- reiche geführt werden muss, um über die Durchtrittsöffnung durch das Dichtungs- segment hindurchzuströmen. If the passage opening is not in a peripheral region of the sealing segment, the flow resistance is reduced since the cooling fluid does not have to be led into peripheral regions in order to flow through the sealing segment through the passage opening.
Erfindungsgemäß unterschreitet der Abstand vom Öffnungsprojektionsumriss zum Seg- mentprojektionsumriss nirgends 50 %, vorzugsweise 75 %, besonders bevorzugt 100 % der Dichtungssegmentdicke. Dies hat den Vorteil, dass der zwischen Durchtrittsöffnung und Segmentrand verlaufende Bereich des Dichtungssegments durchgehend aus- reichend breit ist und sich sicher zwischen Rahmen einspannen lässt, ohne umzu- knicken oder beim Verspannen anderweitige Ausweichbewegungen zu vollziehen. Dadurch wird das Risiko unerwünschter Kühlmittelaustritte verringert. Den Abstand vom Öffnungsprojektionsumriss zum Segmentprojektionsumriss misst man in der Orthogo- nalprojektion ab. Die Dichtungssegmentdicke wird gemäß DIN EN ISO 5084 vom Okto- ber 1996 bestimmt. Die Dichtungssegmentdicke wird in Orthogonalprojektionsrichtung gemessen. Es wird ein Druckstempel mit runder Prüffläche verwendet, dessen Durch- messer dem kürzesten Abstand vom Öffnungsprojektionsumriss zum Segmentprojek- tionsumriss entspricht, wobei dieser bei jeder Dickenmessung so aufgesetzt wird, dass die Linie, entlang der der jeweilige Abstand vom Öffnungsprojektionsumriss zum Seg- mentprojektionsumriss gemessen wir, die Prüffläche in zwei gleich große Hälften teilt. Die Dichtungssegmentdicke wird bei einem Druck von 0,1 kPa bestimmt, wobei diese Druckangabe sich auf die runde Prüffläche des Druckstempels bezieht. According to the invention, the distance from the opening projection outline to the segment projection outline never falls below 50%, preferably 75%, particularly preferably 100% of the sealing segment thickness. This has the advantage that the area of the sealing segment that extends between the passage opening and the segment edge is consistently wide enough and can be securely clamped between the frames without bending or performing any other evasive movements when braced. This reduces the risk of undesirable coolant leaks. The distance from The opening projection outline to the segment projection outline is measured in the orthogonal projection. The seal segment thickness is determined according to DIN EN ISO 5084 from October 1996. The seal segment thickness is measured in the orthogonal projection direction. A pressure stamp with a round test surface is used, the diameter of which corresponds to the shortest distance from the opening projection outline to the segment projection outline, whereby this is placed on each thickness measurement so that the line along which the respective distance from the opening projection outline to the segment projection outline is measured , divides the test area into two halves of equal size. The thickness of the sealing segment is determined at a pressure of 0.1 kPa, this pressure specification relating to the round test surface of the pressure stamp.
Vorzugsweise verlaufen mindestens ein erster und ein dritter Abschnitt des Dichtungs- segmentrandes parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass sich das Dichtungs- segment dann besonders leicht zwischen zwei parallel verlaufende Rahmen führen lässt, wodurch der Austausch von einzelnen Bestandteilen einer Batterie, wie Dich- tungssegmenten und daran gegebenenfalls angebrachten Batteriezellen, besonders einfach möglich ist. At least a first and a third section of the sealing segment edge preferably run parallel to one another. This has the advantage that the sealing segment can then be guided particularly easily between two parallel frames, which makes it particularly easy to replace individual components of a battery, such as sealing segments and battery cells attached to them.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn mindestens ein Bereich des Dichtungssegmentrandes, der den ersten und den dritten Abschnitt des Dichtungssegmentrandes verbindet, einen zweiten Abschnitt des Dichtungssegmentrandes umfasst, der orthogonal zum ersten und dritten Abschnitt des Dichtungssegmentrandes verläuft. It is further preferred if at least a region of the sealing segment edge which connects the first and the third section of the sealing segment edge comprises a second section of the sealing segment edge which is orthogonal to the first and third section of the sealing segment edge.
Ein weiterer Bereich des Dichtungssegmentrandes, der den ersten und den dritten Ab- schnitt des Dichtungssegmentrandes verbindet, umfasst einen vierten Abschnitt des Dichtungssegmentrandes, der parallel zum zweiten Abschnitt des Dichtungs- segmentrandes verläuft. Another area of the sealing segment edge, which connects the first and the third section of the sealing segment edge, comprises a fourth section of the sealing segment edge, which runs parallel to the second section of the sealing segment edge.
Vorzugsweise weist der Dichtungssegmentrand mindestens vier gerade Abschnitte auf und vier mit diesen Abschnitten zusammenfallende Geraden definieren ein Viereck. Vorzugsweise steht die Segmentfläche über dieses Viereck nicht hinaus. Beispiels- weise definieren mit dem ersten, mit dem zweiten, mit dem dritten und mit dem vierten Abschnitt des Dichtungssegmentrandes zusammenfallende Gerade ein Rechteck und die Segmentfläche steht über dieses Rechteck nicht hinaus. Dies stellt sicher, dass der Segmentrand im Verhältnis zur Segmentfläche kurz ist, wodurch, bei gegebener Kühl- leistung, das Risiko eines unerwünschten Austritts von Kühlfluid verhältnismäßiggering ist und ein risikoarmer Betrieb des Kraftfahrzeugs sichergestellt wird. The edge of the sealing segment preferably has at least four straight sections and four straight lines coinciding with these sections define a square. The segment surface preferably does not protrude beyond this square. For example, define a rectangle with the first, with the second, with the third and with the fourth section of the sealing segment edge, and the segment surface does not protrude beyond this rectangle. This ensures that the segment edge is short in relation to the segment area, which, given the cooling capacity, is relatively low risk of undesired leakage of cooling fluid and ensures low-risk operation of the motor vehicle.
Das Dichtungssegment kann die folgenden Bedingungen erfüllen: di = x d3, und The sealing segment can meet the following conditions: di = xd 3 , and
d2 = y d . d 2 = yd.
Dabei steht di für die Distanz vom Öffnungsrand zum ersten Abschnitt des Dichtungs- segmentrands, d2 für die Distanz vom Öffnungsrand zum zweiten Abschnitt des Here di stands for the distance from the opening edge to the first section of the sealing segment edge, d 2 for the distance from the opening edge to the second section of the
Dichtungssegmentrands, d3 für die Distanz vom Öffnungsrand zum dritten Abschnitt des Dichtungssegmentrands, d4 für die Distanz vom Öffnungsrand zum vierten Abschnitt des Dichtungssegmentrands, x für eine Zahl im Bereich von 0,25 bis 4 und y für eine Zahl im Bereich von 3 bis 50. Dies gewährleistet, dass die Durchtrittsöffnung nahe am zweiten Abschnitt und weit entfernt vom vierten Abschnitt liegt. Sealing segment edge, d 3 for the distance from the opening edge to the third section of the sealing segment edge, d 4 for the distance from the opening edge to the fourth section of the sealing segment edge, x for a number in the range from 0.25 to 4 and y for a number in the range from 3 to 50. This ensures that the passage opening is close to the second section and far away from the fourth section.
Vorzugsweise ist die Distanz vom ersten zum dritten Abschnitt größer, als die Distanz vomzwei ten zum vierten Abschnitt. Die Erfindung betrifft auch eine Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit umfassend eine Batteriezelle, wobei die Batteriezelle in thermischem Kontakt mit einer Hauptfläche eines erfindungsgemäßen Dichtungssegments steht. Der thermische Kontakt kann dadurch gebildet sein, dass die Batteriezelle mit einer der Hauptflächen des Dichtungs- segments oder mit einer an dieser Hauptfläche angeordneten elektrisch isolierenden Beschichtung in physischem Kontakt steht, wobei die Batteriezelle die Durchtritts- Öffnung nicht überlappt. Die Batteriezelle überlappt die Durchtrittsöffnung nicht, wenn in der Orthogonalprojektion kein Öffnungsprojektionsumrisspunkt im Projektionsumriss der Batteriezelle liegt. The distance from the first to the third section is preferably greater than the distance from the second to the fourth section. The invention also relates to a sealing segment battery cell unit comprising a battery cell, the battery cell being in thermal contact with a main surface of a sealing segment according to the invention. The thermal contact can be formed in that the battery cell with one of the main surfaces of the sealing segment or with an electrically insulating arranged on this main surface Coating is in physical contact, with the battery cell not overlapping the passage opening. The battery cell does not overlap the passage opening if there is no opening projection outline point in the projection outline of the battery cell in the orthogonal projection.
Die Batteriezelle ist vorzugsweise unter prismatischen Zellen, Pouchzellen und zylindrischen Zellen ausgewählt. Besonders bevorzugte Dichtungssegment-Batteriezell- Einheiten sind Dichtungssegment-Pouchzell-Einheiten. Die besonders bevorzugte Batteriezelle ist also eine Pouchzelle. The battery cell is preferably selected from prismatic cells, pouch cells and cylindrical cells. Particularly preferred sealing segment battery cell units are sealing segment pouch cell units. The particularly preferred battery cell is therefore a pouch cell.
Die Batteriezelle, z.B. Pouchzelle, ist hinsichtlich der Zellchemie nicht beschränkt. Vor- zugsweise ist an der Bereitstellung elektrischen Stroms eine reversible Oxidation von Lithium zu Li+-Kationen beteiligt. Vorzugsweise hat die Pouchzelle eine Vorder- und eine Rückseite, die im Wesentlichen eben sind und parallel zueinander verlaufen. Die Vorder- und die Rückseite nehmen mindestens 50 %, z.B. mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 70 % der gesamten Oberfläche eines Beutels ein, der die Pouchzelle nach außen abschließt. Vorzugsweise liegt ein Rahmen so an der Hauptfläche (oder an der elektrisch isolieren- den Beschichtung) an, mit der die Batteriezelle in thermischem Kontakt steht, dass ein durch Batteriezelle, Dichtungssegment und Rahmen begrenzter Kanal ausgebildet ist, in den ein Fluid durch die Durchtrittsöffnung einströmen kann. Vorzugsweise ist der Kanal umlaufend, d.h., dass der Projektionsumriss der Batterie in der Orthogonalprojektion einen definierten Abstand zum Projektionsumriss des Rah- mens einhält. Vorzugsweise hält jeder Punkt des Projektionsumrisses der Batterie zum Projektionsumriss des Rahmens einen Abstand ein, der höchstens 20 % der Länge des Segmentprojektionsumrisses, z.B. höchstens 10 % der Länge des Segmentprojektions- umrisses beträgt. Außerdem hält vorzugsweise jeder Punkt des Projektionsumrisses der Batterie zum Projektionsumriss des Rahmens einen Abstand ein, der mindestens 0,1 % der Länge des Segmentprojektionsumrisses, z.B. mindestens 0,5 % der Länge des Segmentprojektionsumrisses beträgt. Dies gewährleistet, dass ein Kühlfluid auch besonders schmale Bereiche des Kühlkanals ungehindert durchströmen kann und gleichzeitig der Kühlfluidstrom in besonders breiten Kanalbereichen nicht zum Erliegen kommt. Dies steigert den Wärmeabtransport und dadurch letztliche die Energiedichte der Batterie und/oder die Lebensdauer der Batteriezellen. The battery cell, for example a pouch cell, is not restricted with regard to cell chemistry. A reversible oxidation of lithium to Li + cations is preferably involved in the provision of electric current. Preferably, the pouch cell has a front and a back, which are essentially flat and run parallel to one another. The front and the back take up at least 50%, for example at least 60%, preferably at least 70% of the entire surface of a bag which closes off the pouch cell from the outside. A frame preferably lies against the main surface (or against the electrically insulating coating) with which the battery cell is in thermal contact in such a way that a channel is formed which is delimited by the battery cell, sealing segment and frame and into which a fluid flows through the passage opening can. The channel is preferably circumferential, ie the projection outline of the battery in the orthogonal projection maintains a defined distance from the projection outline of the frame. Each point of the projection outline of the battery preferably maintains a distance from the projection outline of the frame which is at most 20% of the length of the segment projection outline, for example at most 10% of the length of the segment projection outline. In addition, each point of the projection outline preferably stops a distance from the battery to the projection outline of the frame which is at least 0.1% of the length of the segment projection outline, for example at least 0.5% of the length of the segment projection outline. This ensures that a cooling fluid can flow through even particularly narrow areas of the cooling channel unhindered and at the same time the cooling fluid flow does not come to a standstill in particularly wide channel areas. This increases the heat dissipation and thereby ultimately the energy density of the battery and / or the service life of the battery cells.
Eine besonders bevorzugte Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit umfasst ein zweites erfindungsgemäßes Dichtungssegment, wobei eine Hauptfläche des zweiten Dichtungs- segments so am Rahmen anliegt, dass das Fluid, das durch die Durchtrittsöffnung des einen Dichtungssegments in den Kanal einströmen kann, durch die Durchtrittsöffnung des zweiten Dichtungssegments aus dem Kanal entweichen kann. Das erste und das zweite Dichtungssegment liegen im Allgemeinen so fest an der Pouchzelle an, dass die Pouchzelle zwischen den Dichtungssegmenten nicht ver- rutscht. A particularly preferred sealing segment-battery cell unit comprises a second sealing segment according to the invention, wherein a main surface of the second sealing segment lies against the frame in such a way that the fluid that can flow into the channel through the through opening of the one sealing segment passes through the through opening of the second sealing segment can escape from the channel. The first and the second sealing segment generally lie so firmly against the pouch cell that the pouch cell does not slip between the sealing segments.
Vorzugsweise fällt in der Orthogonalprojektion der Segmentprojektionsumriss des zwei- ten Dichtungssegments mit dem Segmentprojektionsumriss des ersten Dichtungsseg- ments zusammen. Das bedeutet, dass mindestens 95 %, vorzugsweise mindestens 98 % der Segmentprojektionsfläche des zweiten Dichtungssegments in die Segment- projektionsfläche APS fällt und dass mindestens 95 %, vorzugsweise mindestens 98 % der Segmentprojektionsfläche APS in die Segmentprojektionsfläche des zweiten Dich- tungssegments fällt. In the orthogonal projection, the segment projection outline of the second sealing segment preferably coincides with the segment projection outline of the first sealing segment. This means that at least 95%, preferably at least 98% of the segment projection falls of the second seal segment in the segment projection A PS and falls that at least 95%, preferably at least 98% of the segment projection A PS in the segment projection of the second seal segment.
In der Orthogonalprojektion hält jede Öffnungsprojektionfläche des ersten Dichtungs- segments zu jeder Öffnungsprojektionsfläche des zweiten Dichtungssegments im Allge- meinen einen Abstand ein. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise mindestens ein Fünf- zigstel, besonders bevorzugt mindestens ein Zwanzigstel, z.B. mindestens ein Zehntel der Länge des Segmentprojektionsumrisses des ersten Dichtungssegments. Vorzugsweise ist sind die Durchtrittsöffnung des ersten Dichtungssegments und die Durchtrittsöffnung des zweiten Dichtungssegments über zwei gleich lange Abschnitte des Kanals verbunden. Die Länge der Abschnitte des Kanals wird in der Orthogonal- projektion bestimmt, wozu eine Hilfsgerade durch die beiden Flächenschwerpunkte der Öffnungsprojektionsflächen gelegt wird. Die Projektion des einen Abschnitts des Kanals verläuft dann auf der einen Seite der Hilfsgeraden und die Projektion des anderen Ab- schnitts des Kanals verläuft auf der anderen Seite der Hilfsgeraden. Die Länge eines Abschnitts des Kanals ist die kürzeste Verbindung vom Öffnungsprojektionsumriss des einen Dichtungssegments zum Öffnungsprojektionsumriss des anderen Dichtungs- segments, welche den Projektionsumriss der Batteriezelle nicht schneidet. Zwei gleich lange Abschnitte sind gegeben, wenn der längere Abschnitt höchstens 50 %, vorzugs- weise höchstens 15 % länger ist, als der kürzere Abschnitt. Dies begünstigt, dass in sämtlichen Teilen der äußeren Bereiche der Dichtungssegmente nahezu gleich viel Wärme auf das Kühlfluid übertragen wird und somit eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus allen Teilen der Zelle. Sogenannte Hot Spots, die Batteriezellen schädigen, sind dann weniger ausgeprägt. Letztlich verlängert dies die Lebensdauer der Batteriezellen und einer damit aufgebauten Traktionsbatterie. In the orthogonal projection, each opening projection surface of the first sealing segment generally holds to every opening projection surface of the second sealing segment mean a distance. This distance is preferably at least one fiftieth, particularly preferably at least one twentieth, for example at least one tenth of the length of the segment projection outline of the first sealing segment. The passage opening of the first sealing segment and the passage opening of the second sealing segment are preferably connected via two sections of the channel of the same length. The length of the sections of the channel is determined in the orthogonal projection, for which purpose an auxiliary straight line is drawn through the two centroids of the opening projection surfaces. The projection of one section of the channel then runs on one side of the auxiliary straight line and the projection of the other section of the channel runs on the other side of the auxiliary straight line. The length of a section of the channel is the shortest connection from the opening projection outline of one sealing segment to the opening projection outline of the other sealing segment, which does not intersect the projection outline of the battery cell. There are two sections of equal length if the longer section is at most 50%, preferably at most 15% longer than the shorter section. This favors that almost the same amount of heat is transferred to the cooling fluid in all parts of the outer regions of the sealing segments and thus a uniform heat dissipation from all parts of the cell. So-called hot spots that damage battery cells are then less pronounced. Ultimately, this extends the life of the battery cells and a traction battery built up with them.
Das Dichtungssegment kann zur sicheren wärmeleitenden Verbindung des Dichtungs- segments an den Batteriezellen so ausgebildet sein, dass es bei einer Volumenaus- dehnung der daran anlegbaren Batteriezelle nachgibt und sich bei einer Volumenverrin- gerung der Batteriezellen ausdehnt. Um die erst im Betrieb der Batteriezellen auftre- tende Volumenausdehnung nicht zu behindern, können die Dichtungssegmente und die Batteriezellen im betriebslosen Zustand des Energiespeichers vorteilhaft so miteinander verspannt werden, dass das Dichtungssegment des oder der Dichtungssegmente in Dickenrichtung nur schwach, bevorzugt um höchstens 1 % bezogen auf dessen Aus- gangsdicke, komprimiert ist. For the secure heat-conducting connection of the sealing segment to the battery cells, the sealing segment can be designed in such a way that it gives in when the volume of the battery cell that can be attached to it expands and expands when the volume of the battery cells is reduced. In order not to impede the volume expansion that occurs only when the battery cells are in operation, the sealing segments and the battery cells can advantageously be clamped to one another when the energy store is inoperative in such a way that the sealing segment of the sealing segment or segments in Thickness direction is compressed only weakly, preferably by at most 1% based on its initial thickness.
Die erfindungsgemäßen Dichtungssegmente eignen sich zur Temperaturkontrolle in ganz unterschiedlichen Batterien. Besonders gut eignen sie sich zur Temperaturkon- trolle in Batterien mit hoher Leistung, wie z.B. in Traktionsbatterien in BEV oder HEV. BEV bezeichnet ein Kraftfahrzeug zur Beförderung von Personen und/oder Gütern, das von einem Elektromotor angetrieben wird und die zu seiner Fortbewegung nötige elektrische Energie aus der Traktionsbatterie bezieht. HEV bezeichnet ein Kraftfahrzeug zur Beförderung von Personen und/oder Gütern, das von einem Elektromotor und einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und die zu seiner Fortbewegung nö- tige elektrische Energie teilweise aus der Traktionsbatterie bezieht. The sealing segments according to the invention are suitable for temperature control in very different batteries. They are particularly suitable for temperature control in high-performance batteries, e.g. in traction batteries in BEV or HEV. BEV refers to a motor vehicle for the transport of people and / or goods, which is driven by an electric motor and which draws the electrical energy required for its movement from the traction battery. HEV refers to a motor vehicle for the transportation of people and / or goods, which is driven by an electric motor and another energy converter and which partly obtains the electrical energy required for its movement from the traction battery.
Es ist möglich, eine Batteriezelle zwischen erfindungsgemäßen Dichtungssegmenten so einzuklemmen und sie gleichzeitig mit Hilfe der Stromleitelemente auszurichten, dass keine weiteren Aufhängungselemente erforderlich sind. Dies ist von Vorteil, da sich eine Batterie so auf besonders einfache Weise, d.h. mit wenigen und einfachen Bauteilen zusammenbauen lässt. Alternativ kann an der ersten und/oder zweiten Hauptfläche oder an der elektrisch iso- lierenden Beschichtung, die an der Hauptfläche oder den Hauptflächen angebracht ist ein Aufhängungselement angeordnet sein, wobei das Aufhängungselement beispiels weise aus der Hauptfläche hervortritt. Das Aufhängungselement kann z.B. Schaumstoff, Graphit und/oder ein festes Metall, wie z.B. Stahl oder Aluminium, umfassen. Ein Ver- rutschen von einer an einer Hauptfläche oder einer elektrisch isolierenden Beschichtung angeordneten Batteriezelle wird durch das Aufhängungselement zusätzlich erschwert. It is possible to clamp a battery cell between the sealing segments according to the invention and to align them at the same time with the aid of the current-conducting elements in such a way that no further suspension elements are required. This is advantageous because a battery can be easily, i.e. can be assembled with a few simple components. Alternatively, a suspension element can be arranged on the first and / or second main surface or on the electrically insulating coating which is attached to the main surface or the main surfaces, the suspension element emerging, for example, from the main surface. The suspension element can e.g. Foam, graphite and / or a solid metal such as e.g. Steel or aluminum. Sliding of a battery cell arranged on a main surface or an electrically insulating coating is additionally made more difficult by the suspension element.
Bei dem Aufhängungselement kann es sich auch um einen Bügel handeln, an dem die Batteriezelle zwischen erfindungsgemäßen Dichtungssegmenten aufgehängt ist. Der Bügel kann sich z.B. zusammen mit den Stromleitelementen in einen außerhalb eines Rahmens liegenden Bereich erstrecken. Der Bügel kann sich um eine zwischen zwei Dichtungssegmenten angeordnete Batteriezelle, z.B. Pouchzelle, herum erstrecken. The suspension element can also be a bracket on which the battery cell is suspended between the sealing segments according to the invention. The bracket can, for example, together with the current-conducting elements in an outside of one Extend frame lying area. The bracket can extend around a battery cell, for example a pouch cell, arranged between two sealing segments.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Traktionsbatterie, die einen Stapel erfindungs- gemäßer Dichtungssegment-Batteriezell-Einheiten umfasst. The invention also relates to a traction battery which comprises a stack of sealing segment battery cell units according to the invention.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit zur Abfuhr von Wärme aus einem erfindungsgemäßen Dichtungssegment, aus einer er- findungsgemäßen Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit oder aus einer erfindungsge- mäßen Traktionsbatterie. The invention also relates to the use of an electrically non-conductive liquid for removing heat from a sealing segment according to the invention, from a sealing segment battery cell unit according to the invention or from a traction battery according to the invention.
Elektrisch nichtleitend bedeutet, dass die Flüssigkeit elektrischen Strom nicht leitet. Die Leitfähigkeit beträgt höchstens 10-8 S-crrf1 bzw. der spezifische elektrische Widerstand beträgt 108 W-cm, gemessen jeweils bei 25°C. Er wird gemessen gemäß DIN EN 60247:2004. Electrically non-conductive means that the liquid does not conduct electrical current. The conductivity is at most 10 -8 S-crrf 1 or the specific electrical resistance is 10 8 W-cm, measured at 25 ° C. It is measured according to DIN EN 60247: 2004.
Die Verwendung elektrisch nichtleitender Flüssigkeiten als Kühlfluid hat den Vorteil, dass es bei einer eventuellen Beschädigung und einem thermischen Durchgehen (ther- mal runaway) einer Batteriezelle nicht zu einem Kurzschluss kommt. The use of electrically non-conductive liquids as the cooling fluid has the advantage that there is no short circuit in the event of damage and thermal runaway of a battery cell.
Die elektrisch nichtleitende Flüssigkeit enthält vorzugsweise eine fluorierte organische Verbindung, z.B. eine vollständig fluorierte organische Verbindung oder eine teilweise fluorierte organische Verbindung, wie z.B. ein vollständig fluoriertes Keton, oder einen teilweise fluorierten Ether. Der bei einem Druck von 1 Bar bestimmte Siedepunkt der Verbindung kann beispielsweise im Bereich von 45 bis 150 °C, bevorzugt im Bereich von 55 °C bis 100 °C liegen. Im vollständig fluorierten Keton kann an den Keto-Kohlen- stoff eine siebenfach fluorierte Isopropylgruppe und eine fünffach fluorierte Ethylgruppe gebunden sein. Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen: The electrically non-conductive liquid preferably contains a fluorinated organic compound, for example a fully fluorinated organic compound or a partially fluorinated organic compound such as for example a fully fluorinated ketone, or a partially fluorinated ether. The boiling point of the compound determined at a pressure of 1 bar can be, for example, in the range from 45 to 150 ° C., preferably in the range from 55 ° C. to 100 ° C. In fully fluorinated ketone, a seven-fold fluorinated isopropyl group and a five-fold fluorinated ethyl group can be attached to the keto carbon. Further special features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 A ein erfindungsgemäßes Dichtungssegment; 1A shows a sealing segment according to the invention;
Fig. 1 B, 1 C zwei unterschiedliche Perspektiven einesEc kbereichs des in Fig. 1 B, 1 C two different perspectives of a corner area of the in
Figur 1A dargestellten Dichtungssegments (der Eckbereich ist in Figur 1A oben rechts mit einem Rechteck hervorgeho- ben); FIG. 1A shows the sealing segment (the corner region is highlighted with a rectangle at the top right in FIG. 1A);
Fig. 2, 3A, 3B, 3C Orthogonalprojektionen erfindungsgemäßer Dichtungs- segmente; 2, 3A, 3B, 3C orthogonal projections of sealing segments according to the invention;
Fig. 4A bis 4D die Definition eines umlaufenden Segmentrandbereichs am 4A to 4D the definition of a peripheral segment edge area on
Beispiel der Orthogonalprojektion der Figur 3B; Example of the orthogonal projection of Figure 3B;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Dichtungssegment-Batteriezell-Ein- heit; 5 shows a sealing segment battery cell unit according to the invention;
Fig. 6 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungs- segment-Batteriezell-Einheit; 6 shows a section through a sealing segment battery cell unit according to the invention;
Fig. 7 einen Teil einer Traktionsbatterie, die aus erfindungsge- mäßen Dichtungssegment-Batteriezell-Einheiten aufgebaut ist. 7 shows a part of a traction battery which is constructed from sealing segment battery cell units according to the invention.
Figur 1A zeigt ein Dichtungssegment 1 zur Temperaturkontrolle einer fluidgekühlten Batterie. Das Dichtungssegment 1 weist eine erste Flauptfläche 11 und eine zweite Flauptfläche 12 auf. DasDichtungssegment 1 weist außerdem eine Durchtrittsöffnung 3 auf, die das Dichtungssegment von der ersten Flauptfläche 11 zur zweiten Hauptfläche 12 durchdringt. Die zweite Hauptfläche 12 ist in Figur 1A nicht zu sehen, da sie sich auf einer vom Betrachter abgewandten Seite befindet und im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 11 verläuft, wie aus der in Figur 1 C gezeigten Perspektive zu er- kennen ist. In der in Figur 1 C gezeigten Perspektive verlaufen beide Hauptflächen auf den Betrachter zu. Die beiden Hauptflächen 11 , 12 gehen am Dichtungssegmentrand 2 und am Öffnungs- rand 4 ineinander über. Figur 1 B zeigt beispielhaft, wie die Hauptflächen 11 , 12 am Dichtungssegmentrand ineinander übergehen können. Hier bildet der Rand 2 eine Fläche, die im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen 11 und 12 verläuft. Denk- bar ist jedoch auch jeder andere Übergang der Hauptflächen 11 , 12 im Randbereich, beispielsweise über einen abgerundeten Rand. Der Öffnungsrand 4 umgibt eine Durch- trittsfläche. FIG. 1A shows a sealing segment 1 for temperature control of a fluid-cooled battery. The sealing segment 1 has a first flap surface 11 and a second flap surface 12. The sealing segment 1 also has a passage opening 3 which penetrates the sealing segment from the first main surface 11 to the second main surface 12. The second main surface 12 cannot be seen in FIG. 1A, since it is located on a side facing away from the viewer and runs essentially parallel to the first main surface 11, as can be seen from the perspective shown in FIG. 1C. In the perspective shown in FIG. 1C, both main surfaces run towards the viewer. The two main surfaces 11, 12 merge into one another at the sealing segment edge 2 and at the opening edge 4. FIG. 1B shows an example of how the main surfaces 11, 12 can merge into one another at the edge of the sealing segment. Here, the edge 2 forms a surface that is essentially orthogonal to the main surfaces 11 and 12. However, any other transition of the main surfaces 11, 12 in the edge region is also conceivable, for example over a rounded edge. The opening edge 4 surrounds a passage area.
Das in Figur 1 A gezeigt Dichtungssegment besteht aus einer Graphitfolie 5, die im We- sentlichen aus kompaktiertem Graphitexpandat besteht, das auf eine Dichte von 1 ,5 g/cm3 teilverdichtet ist. Das Dichtungssegment umfasst also eine Graphitfolienlage. The sealing segment shown in FIG. 1A consists of a graphite film 5, which essentially consists of compacted graphite expandate, which is partially compressed to a density of 1.5 g / cm 3 . The sealing segment thus comprises a graphite foil layer.
Die Lage der Durchtrittsöffnung 4 im Dichtungssegment ist über eine Orthogonalpro- jektion definiert. Dies veranschaulichen die in Figuren 2, 3A, 3B, 3C gezeigten Orthogo- nalprojektionen 1P beispielhaft für vier verschiedene, nicht dargestellte Dichtungs- segmente, in denen die beiden Hauptflächen 11 und 12 jeweils eben sind und im We- sentlichen parallel zueinander und zur nicht dargestellten Projektionsebene verlaufen.The position of the passage opening 4 in the sealing segment is defined via an orthogonal projection. This is illustrated by the orthogonal projections 1 P shown in FIGS. 2, 3A, 3B, 3C by way of example for four different sealing segments, not shown, in which the two main surfaces 11 and 12 are each flat and essentially parallel to one another and not to one another shown projection plane.
In den Figuren 2, 3A, 3B und 3C ist der jeweilige Segmentprojektionsumriss 2P darge- stellt, der die ebenfalls dargestellte, jeweilige Segmentprojektionsfläche APS umgibt. Außerdem ist jeweils der Öffnungsprojektionsumriss 4P und die davon jeweils umgebende Öffnungsprojektionsfläche APF dargestellt. Es ist offensichtlich, dass das Verhältnis APS zu APF in den Beispielen nicht unter 0,004 und nicht über 0,10 liegt und dass in allen Beispielen sämtliche Punkte des Öffnungsprojektionsumrisses 4P (also sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte) vom Segmentprojektionsumriss 2P beab- standet sind. FIGS. 2, 3A, 3B and 3C show the respective segment projection outline 2 P which surrounds the respective segment projection area A PS , which is also shown. In addition, the opening projection outline 4 P and the respective opening projection area A P F are shown. It is obvious that the ratio A PS to A PF in the examples is not less than 0.004 and not more than 0.10 and that in all examples all points of the opening projection outline 4 P (ie all opening projection outline points) are spaced from the segment projection outline 2 P.
Außerdem liegen in den in Figuren 2, 3A, 3B und 3C gezeigten Projektionen sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte in einem umlaufenden Segmentprojektionsbereich 0P, der eine umlaufend konstante Breite b hat und durch den Segmentprojektionsum- riss 2P nach außen begrenzt ist. In Figur 2 ist der Segmentprojektionsbereich 0P, der eine umlaufend konstante Breite b hat, durch gekreuzte Schraffur hervorgehoben. Die Breite b ist so gewählt, dass der Segmentprojektionsbereich Op 75 % der Segment- projektionsfläche APS einnimmt. Ob sich sämtliche Öffnungsprojektionsumrisspunkte in diesem umlaufenden Segment- projektionsbereich Op befinden, wird wie folgt bestimmt (die nachfolgenden Schritte sind in Figuren 4A bis 4D für die in Figur 3B gezeigte Orthogonalprojektion veranschaulicht): In addition, in the projections shown in FIGS. 2, 3A, 3B and 3C, all of the opening projection outline points lie in a circumferential segment projection area 0 P , which has a circumferentially constant width b and is limited to the outside by the segment projection contour 2 P. In FIG. 2, the segment projection area is 0 P , the has a constant constant width b, highlighted by cross-hatching. The width b is chosen so that the segment projection area Op occupies 75% of the segment projection area A PS . It is determined as follows whether all of the opening projection outline points are in this circumferential segment projection region Op (the following steps are illustrated in FIGS. 4A to 4D for the orthogonal projection shown in FIG. 3B):
- Zunächst wird ein Punkt X des Öffnungsprojektionsumrisses ermittelt, der weiter oder gleich weit vom Segmentprojektionsumriss entfernt ist, als alle anderen Punkte des Öffnungsprojektionsumrisses (siehe X in Figur 4A). Gegebenenfalls sind sämtliche Punkte mehrerer Öffnungsprojektionsumrisse zu berücksichtigen, wenn ein Dichtungssegment mehrere Durchtrittsöffnungen aufweist. - First, a point X of the opening projection outline is determined which is further or the same distance from the segment projection outline than all other points of the opening projection outline (see X in FIG. 4A). If necessary, all points of several opening projection contours must be taken into account if a sealing segment has several through openings.
- Dann wird der Abstand dieses Punktes X vom Segmentprojektionsumriss ge- messen (siehe Doppelpfeil in Figur 4B). Then the distance of this point X from the segment projection outline is measured (see double arrow in FIG. 4B).
- Innerhalb des Segmentprojektionsumrisses wird eine Linie eingezeichnet, die diesen Abstand zum Segmentprojektionsumriss einhält. Eine solche Linie lässt sich z.B. mit einem Zirkel und einer Vielzahl von Kreisen skizzieren, deren Mittel- punkte sich auf dem Segmentprojektionsumriss befinden und deren Radius dem in Fig. 4B gezeigten Abstand entspricht (siehe Figuren 4C, 4D). Der nach links weisende Pfeil deutet auf eine nach links weisende Spitze der Linie hin, die in Fi- gur 4 D gut zu erkennen ist. - A line is drawn within the segment projection outline that maintains this distance from the segment projection outline. Such a line can e.g. sketch with a compass and a multitude of circles, the centers of which are on the segment projection outline and the radius of which corresponds to the distance shown in FIG. 4B (see FIGS. 4C, 4D). The arrow pointing to the left indicates a tip of the line pointing to the left, which can be clearly seen in FIG. 4D.
- Anschließend wird das Verhältnis der zwischen dieser Linie und dem Segment- projektionsumriss eingeschlossene Fläche zur Segmentprojektionsfläche be- stimmt. Wenn das Verhältnis beider Flächen höchstens 0,75 beträgt, liegt ein er- findungsgemäßes Dichtungssegment vor. Aus Figur 4D ist leicht zu erkennen, dass das Verhältnis im dort gezeigten Fall unter 0,75 liegt. - The ratio of the area enclosed between this line and the segment projection outline to the segment projection area is then determined. If the ratio of the two areas is at most 0.75, there is a sealing segment according to the invention. It can easily be seen from FIG. 4D that the ratio in the case shown there is below 0.75.
In den Orthogonalprojektionen, die in Figuren 2, 3A, 3B und 3C gezeigt sind, über- schreitet die Länge des Segmentprojektionsumrisses 2P den Umfang eines Quadrates, dessen Fläche der Segmentprojektionsfläche APS entspricht, nur geringfügig. Die Seg- mentprojektionsfläche APS hat in Figur 2 die Form eines Rechtecks, wobei das Verhält- nis Länge zu Breite dieses Rechtecks 2:3 beträgt. Bei einem Rechteck mit Verhältnis Länge zu Breite von 2:3 ist der Rand nur um etwa 2 % länger, als bei einem Quadrat mit derselben Fläche. In Figur 3B hat die Segmentprojektionsfläche APS die Form zweier aneinander angrenzender, unterschiedlich großer Rechtecke, je mit Verhältnis Länge zu Breite von 5:6, wobei die Fläche des einen Rechtecks 15 mal der Fläche des anderen Rechtecks entspricht. Der Segmentprojektionsumrisses 2P ist hier um etwa 28 % länger, als bei einem Quadrat mit derselben Fläche In the orthogonal projections shown in FIGS. 2, 3A, 3B and 3C, the length of the segment projection outline 2 P exceeds the circumference of a square, whose area corresponds to the segment projection area AP S , only slightly. The segment projection area A PS has the shape of a rectangle in FIG. 2, the ratio of the length to the width of this rectangle being 2: 3. For a rectangle with a length to width ratio of 2: 3, the edge is only about 2% longer than for a square with the same area. In FIG. 3B, the segment projection area A PS has the shape of two adjoining rectangles of different sizes, each with a length to width ratio of 5: 6, the area of one rectangle being 15 times the area of the other rectangle. The segment projection outline 2 P is here about 28% longer than for a square with the same area
In Figur 2 liegt der Öffnungsprojektionsumriss 4P im Segmentprojektionsumriss 2P so, dass sich ein Quadrat P2, dessen Fläche ein Sechstel von APS beträgt, innerhalbdes Segmentprojektionsumrisses 2P so ausrichten lässt, dass der Öffnungsprojektions- umriss 4P vollständig innerhalb des Quadrats P2 liegt. Genauso lässt sich auch ein Quadrat P3 ausrichten dessen Fläche ein Fünftel von APS beträgt und ein Quadrat P-i, dessen Fläche ein Achtel von APS beträgt. Die in Figuren 3A und 3B gezeigten Ortho- gonalprojektionen erfüllen diese Bedingungen nicht, wie an den dort dargestellten Quadraten zu erkennen ist. An der ersten Hauptfläche 11 und/oder der zweiten Hauptfläche 12 kann ein Aufhän- gungselement angeordnet sein. In den Beispielen, die in den Figuren gezeigt sind, ist kein Aufhängungselement gezeigt. Das Aufhängungselement kann aus der Hauptfläche hervortreten. DasA ufhängungselement dient der Aufhängung einer Batteriezelle an der Hauptfläche. Beispielsweise kann jede Art von aus der Hauptfläche 11 oder 12 hervor- tretendem Material als Aufhängungselement dienen, mit dem ein Verrutschen von einer Batteriezelle erschwert wird, die an der Hauptfläche angeordnet ist. DasA ufhängungs- element kann z.B. Schaumstoff, Graphit und/oder ein Metall, wie z.B. Stahl oder Alumi- nium, umfassen. Ein Verrutschen von einer an einer Hauptfläche angeordneten Bat- teriezelle wird durch das Aufhängungselement erschwert. Im in Figur 1A gezeigten Dichtungssegment 1 verlaufen ein erster 21 und ein dritter Ab- schnitt 23 des Dichtungssegmentrandes 2 parallel zueinander. In Figure 2, the opening projection outline 4 P is located in the segment projection outline 2 P so located that a square P 2 whose area is one-sixth of A PS, within the segment projection outline 2 can align P so that the opening projection outline 4 P completely within the square P 2 lies. A square P 3 can also be aligned in the same way, the area of which is one fifth of A PS and a square Pi, the area of which is one eighth of A PS . The orthogonal projections shown in FIGS. 3A and 3B do not meet these conditions, as can be seen from the squares shown there. A suspension element can be arranged on the first main surface 11 and / or the second main surface 12. In the examples shown in the figures, no suspension element is shown. The suspension element can protrude from the main surface. The suspension element is used to suspend a battery cell on the main surface. For example, any type of material protruding from the main surface 11 or 12 can serve as a suspension element with which slipping is made more difficult by a battery cell which is arranged on the main surface. The suspension element can comprise, for example, foam, graphite and / or a metal, such as steel or aluminum. The suspension element makes it more difficult for a battery cell arranged on a main surface to slip. In the sealing segment 1 shown in FIG. 1A, a first 21 and a third section 23 of the sealing segment edge 2 run parallel to one another.
Ein Bereich des Dichtungssegmentrands 2, der den ersten 21 und den dritten Abschnitt 23 des Dichtungssegments 2 verbindet, umfasst einen zweiten Abschnitt 22 des Dich- tungssegmentrands 2, der orthogonal zum ersten 21 und dritten Abschnitt 23 verläuft. Ein weiterer Bereich des Dichtungssegmentrands 2, der den ersten 21 und den dritten Abschnitt 23 Dichtungssegmentrands 2 verbindet, umfasst einen vierten Abschnitt 24 des Dichtungssegmentrands 2, der parallel zum zweiten Abschnitt 22 des Dichtungs- segmentrands 2 verläuft. Vier Geraden, die mit dem ersten, mit dem zweiten, mit dem dritten und mit dem vierten Abschnitt des Dichtungssegmentrands 2 zusammenfallen, definieren ein Rechteck. In Figur 1A gehen die geraden Abschnitte 21 , 22, 23, 24 in- einander über, der Dichtungssegmentrands 2 fällt also mit diesem Rechteck zusam- men. A region of the sealing segment edge 2, which connects the first 21 and the third section 23 of the sealing segment 2, comprises a second section 22 of the sealing segment edge 2, which runs orthogonally to the first 21 and third section 23. Another area of the sealing segment edge 2, which connects the first 21 and the third section 23 of sealing segment edge 2, comprises a fourth section 24 of the sealing segment edge 2, which runs parallel to the second section 22 of the sealing segment edge 2. Four straight lines, which coincide with the first, with the second, with the third and with the fourth section of the sealing segment edge 2, define a rectangle. In FIG. 1A, the straight sections 21, 22, 23, 24 merge into one another, so the sealing segment edge 2 coincides with this rectangle.
Figur 5 zeigt eine Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit 31 , die eine Pouchzelle 40 um- fasst. Die Pouchzelle steht mit der Hauptfläche 11 in physischem Kontakt. Im hier ge- zeigten Beispiel weist die Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit 31 einen Rahmen 50 auf, der so an der Hauptfläche 11 anliegt, mit der die Pouchzelle 40 in Kontakt steht, dass ein durch Pouchzelle 40, Dichtungssegment 1 und Rahmen 50 begrenzter Kanal K ausgebildet ist, in den ein Fluid durch die Durchtrittsöffnung 3 einströmen kann. Die Pouchzelle weist eine dem Betrachter zugewandte Oberfläche 41 und elektrisch iso- lierte Stromleitelemente 43 auf. Mit einer zur Oberfläche 41 im Wesentlichen parallel verlaufenden Oberfläche, die hier nicht zu sehen ist, liegt die Pouchzelle 40 an der Hauptfläche 11 des Dichtungssegments 1 an. Die Durchtrittsöffnung 3 befindet sich in der hier gezeigten Ansicht links. Der Rahmen 50 hat ein rechteckiges Profil mit vier um- laufenden Oberflächen 51 , 53, 54. Eine der vier umlaufenden Oberflächen liegt an der Hauptfläche 11 des Dichtungselements 1 an. Die Oberfläche 53 ist nach innen zur Pouchzelle 40 hin orientiert und von der Pouchzelle 40 beabstandet. Die Oberfläche 54 schließt den Rahmen nach außen ab. An der Oberfläche 51 kann ein weiteres Dich- tungselement anliegen, z.B. eine Hauptfläche 112 eines weiteren erfindungsgemäßen Dichtungselements 101 , wie in der nachfolgend beschriebene Figur 6. Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungssegment-Batterie- zell-Einheit 31. Sie umfasst ein weiteres erfindungsgemäßes Dichtungssegment 101 , von dem nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Das Dichtungssegment 101 weist ebenfalls nur eine Durchtrittsöffnung 103 auf. Eine Hauptfläche 112 des zweiten Dichtungsseg- ments 101 liegt so am Rahmen 50 an, dass das Fluid, das durch die Durchtrittsöffnung 3 desei nen Dichtungssegments 1 in den Kanal K einströmen kann, durch die Durch- trittsöffnung 103 des zweiten Dichtungssegments 101 aus dem Kanal K entweichen kann. FIG. 5 shows a sealing segment battery cell unit 31 which comprises a pouch cell 40. The pouch cell is in physical contact with the main surface 11. In the example shown here, the sealing segment battery cell unit 31 has a frame 50 which bears against the main surface 11 with which the pouch cell 40 is in contact such that a channel K delimited by the pouch cell 40, sealing segment 1 and frame 50 is formed, into which a fluid can flow through the passage opening 3. The pouch cell has a surface 41 facing the viewer and electrically insulated current-conducting elements 43. With a surface running essentially parallel to the surface 41, which cannot be seen here, the pouch cell 40 bears against the main surface 11 of the sealing segment 1. The passage opening 3 is located on the left in the view shown here. The frame 50 has a rectangular profile with four circumferential surfaces 51, 53, 54. One of the four circumferential surfaces lies against the main surface 11 of the sealing element 1. The surface 53 is oriented inwards towards the pouch cell 40 and is spaced apart from the pouch cell 40. The surface 54 closes the frame from the outside. A further sealing element can rest on the surface 51, for example a main surface 112 of a further sealing element 101 according to the invention, as shown in FIG. 6 described below. FIG. 6 shows a section through a sealing segment battery cell unit 31 according to the invention further sealing segment 101 according to the invention, of which only a section is shown. The sealing segment 101 likewise has only one passage opening 103. A main surface 112 of the second sealing segment 101 bears against the frame 50 in such a way that the fluid which can flow into the channel K through the opening 3 of its sealing segment 1 flows out of the channel K through the opening 103 of the second sealing segment 101 can escape.
Die Pouchzelle 40 ist im hier gezeigten Beispiel so zwischen den Dichtungssegmenten 1 und 101 angeordnet und die Dichtungssegmente 1 , 101 schließen so an den Rahmen an, dass zwischen der Oberfläche 53, der Pouchzelle 40 und den Dichtungssegmenten 1 , 101 ein mit der Durchtrittsöffnung 1 kommunizierender Kanal K ausgebildet ist. Der Kanal kommuniziert auch mit der Durchtrittsöffnung 103 des zweiten Dichtungs- segments 101. In Figur 6 ist der Verlauf des Kanals gut zu erkennen, da vom Dich- tungssegment 101 nur ein Ausschnitt mit der Durchtrittsöffnung 103 und einem Teil der Hauptfläche 111 dargestellt ist. In the example shown here, the pouch cell 40 is arranged between the sealing segments 1 and 101 and the sealing segments 1, 101 adjoin the frame in such a way that between the surface 53, the pouch cell 40 and the sealing segments 1, 101 a communicating with the passage opening 1 Channel K is formed. The channel also communicates with the passage opening 103 of the second sealing segment 101. The course of the channel can be seen clearly in FIG.
Die beiden Durchtrittsöffnungen 3, 103 sind in Figur 6 so angeordnet, dass sie über zwei im Wesentlichen gleich lange Abschnitte des Kühlkanals kommunizieren. Die bei- den Abschnitte des Kühlkanals verlaufen im hier gezeigten Beispiel auf gegenüberlie- genden Seiten der Pouchzelle 40. Der eine Abschnitt des Kühlkanals ist in Figur 6 gut zu sehen. Er führt auf einer von den Stromleitelementen 43 abgewandten Seite um die Pouchzelle herum. Der andere Abschnitt des Kühlkanals führt durch einen Bereich, der in Figur 6 abgeschnitten ist. Er führt an den Stromleitelementen 43 entlang, die in Figur 5 dargestellt sind. In Figur 6 ist zu erkennen, dass ein Kühlfluid, das durch die Durchtrittsöffnung 3 des ersten Dichtungssegments 1 in den Kühlkanal eingeströmt werden kann, im Kühlkanal eine Strecke von weit mehr als einem Zwanzigstel der Länge des Segmentprojektions- umrisses 2P zurücklegen muss, bevor es durch die Durchtrittsöffnung 103 des zweiten Dichtungssegments 101 aus dem Kühlkanal dieser Dichtungssegment-Batteriezell-Ein- heit 31 ausströmen kann. The two through openings 3, 103 are arranged in FIG. 6 in such a way that they communicate over two sections of the cooling channel which are of essentially the same length. In the example shown here, the two sections of the cooling channel run on opposite sides of the pouch cell 40. One section of the cooling channel can be seen clearly in FIG. 6. It leads around the pouch cell on a side facing away from the current conducting elements 43. The other section of the cooling channel leads through an area which is cut off in FIG. 6. It leads along the current-conducting elements 43, which are shown in FIG. 5. It can be seen in FIG. 6 that a cooling fluid which can flow into the cooling duct through the passage opening 3 of the first sealing segment 1 must travel a distance of far more than a twentieth of the length of the segment projection outline 2 P in the cooling duct before it can flow out of the cooling channel of this sealing segment battery cell unit 31 through the passage opening 103 of the second sealing segment 101.
Der in Figur 7 gezeigte Teil einer Traktionsbatterie weist mehrere Dichtungssegment- Batteriezell-Einheiten 31 , 131 , 231 , 331 , 431 auf. Die Dichtungssegmente 101 , 201 , 301 , 401 stehen je mit einer Hauptfläche mit einer Pouchzelle und mit der anderen Hauptfläche mit einer anderen Pouchzelle in Kontakt. Die Pouchzellen stehen je mit ei- ner Oberfläche mit einer Hauptfläche eines Dichtungssegments und mit der anderen Oberfläche mit einer Hauptfläche eines anderen Dichtungssegments in Kontakt. The part of a traction battery shown in FIG. 7 has a plurality of sealing segment battery cell units 31, 131, 231, 331, 431. The sealing segments 101, 201, 301, 401 are each in contact with one main surface with a pouch cell and with the other main surface with another pouch cell. The pouch cells are each in contact with one surface with a main surface of a sealing segment and with the other surface with a main surface of another sealing segment.
Die Dicke der Dichtungssegmente beträgt in der nicht maßstabsgerechten Figur 7 < 5 mm. The thickness of the sealing segments is 7 <5 mm in the figure that is not to scale.
Wie in Figuren 6 und 7 zu erkennen ist, überlappen die Durchtrittsöffnungen in Dich- tungssegmenten, die in Stapelrichtung aufeinanderfolgen nicht. In Figur 7 sind dieAs can be seen in FIGS. 6 and 7, the passage openings overlap in sealing segments which do not follow one another in the stacking direction. In Figure 7, the
Durchtrittsöffnungen 3, 203, 403 auf einer dem Betrachter zugewandten Seite der Bat- terie angeordnet, während die Durchtrittsöffnungen 103, 303, 503 auf einer vom Be- trachter abgewandten Seite der Batterie angeordnet sind. Bezugszeichenliste Through openings 3, 203, 403 are arranged on a side of the battery facing the viewer, while the through openings 103, 303, 503 are arranged on a side of the battery facing away from the viewer. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Wärmeleitende Dichtungssegmente 1 , 101 , 201 , 301 , 401 , 501Thermally conductive sealing segments 1, 101, 201, 301, 401, 501
Dichtungssegmentrand und Segmentprojektionsumriss 2 und 2p Sealing segment edge and segment projection outline 2 and 2p
Durchtrittsöffnung 3, 103, 203, 303, 403, 503 Öffnungsrand und Öffnungsprojektionsumriss 4 und 4P Erste Hauptfläche 11, 111, 511 Passage opening 3, 103, 203, 303, 403, 503 opening edge and opening projection outline 4 and 4 P First main surface 11, 111, 511
Zweite Hauptfläche 12, 112 Second main surface 12, 112
Erster Abschnitt des Dichtungssegmentrands 21 First section of the sealing segment edge 21
Zweiter Abschnitt des Dichtungssegmentrands 22 Second section of the sealing segment edge 22
Dritter Abschnitt des Dichtungssegmentrands 23 Third section of the sealing segment edge 23
Vierter Abschnitt des Dichtungssegmentrands 24 Fourth section of the sealing segment edge 24
Dichtungssegment-Batteriezell-Einheit 31, 131, 231, 331, 431 Pouchzelle 40 Sealing segment battery cell unit 31, 131, 231, 331, 431 pouch cell 40
Oberfläche der Pouchzelle 41 Surface of the pouch cell 41
Stromleitelemente 43 Current conducting elements 43
Rahmen 50 Frame 50
Oberflächen des Rahmens 51, 53, 54 Surfaces of the frame 51, 53, 54
Öffnungsprojektionsfläche APF APF opening projection surface
Segmentprojektionsfläche Aps Segment projection area Aps
Segmentprojektionsflächenschwerpunkt SP Segment projection center of gravity SP
Polygone Pi, P2, P3 Polygons Pi, P 2 , P 3
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