DE19828252C2 - Batteriekasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriekasten mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, wie er bspw. aus der gattungs­ bildend zugrundegelegten DE 195 03 085 C2 als bekannt hervor­ geht.

Bei einem Batteriekasten gemäß der DE 195 03 085 C2 ist ein aus einer Vielzahl baugleicher Zellen bestehender Zellenblock in einem quaderförmigen Batteriekasten horizontal angeordnet und überbrückt im wesentlichen den Abstand zwischen dessen bei­ den Kastenstirnwänden. Um dabei über die gesamte Kanallänge von Zuströmkanal und Abströmkanal eine gleichförmige Strömung des Fluids bzw. einen in etwa gleichen Volumenfluss an Fluid in den sich zwischen den Zellen des Zellenblockes erstreckenden Durch­ strömkanälen sicherzustellen, sind die zur Bildung von Zuström­ kanal und Abströmkanal den einander gegenüberliegenden Längs­ seiten des Zellenblockes zugeordneten, zueinander parallelen Kanalwandteile zum Zellenblock in einer entsprechenden Schräge vorgesehen.

Durch diese Schräganordnung der beiden Kanalwandteile sind die beiderseits, insbesondere ober- und unterhalb des Zellenblockes vorhandenen Räume des Batteriekastens jeweils in zwei im We­ sentlichen gleich große Teilräume unterteilt, von denen der ei­ ne ein dem gemäß nicht nutzbares, das Kastengehäuse entspre­ chend vergrößerndes Kastenvolumen enthält.

Des weiteren erstrecken sich die zwischen den Zellen des Zel­ lenblockes vorhandenen und das kühlende bzw. temperierende Fluid führenden Durchströmkanäle senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids im Zuström- und im Abströmkanal. Dies bedingt an der Eintritts- und Austrittsseite der Durchströmkanäle einen Um­ lenkwinkel des Fluids von 90°. Hieraus resultiert bei der rela­ tiv großen Länge von Zuström- und Abströmkanal ein entsprechend großer Druckverlust, was sich wiederum auf die Kühlleistung des Fluids innerhalb des Zellenblockes nachteilig auswirkt. Zwar ließen sich diese Nachteile beheben, indem der lichte Quer­ schnitt bzw. die Höhe von Zuström- und von Abströmkanal ent­ sprechend vergrößert würde, jedoch wäre dies nur durch eine er­ hebliche Vergrößerung des Batteriekastens, insbesondere seiner Bauhöhe, zu erkaufen.

Ferner erschien es bisher nicht sinnvoll, Batteriekasten in Erstreckungsrichtung von Zuström- und von Abströmkanal in einer Länge von mehr als 400 mm herzustellen, weil in diesem Falle durch eine entsprechende Vergrößerung der Länge von Zuström- und von Abströmkanal zwangsläufig wiederum ein nicht mehr zu tolerierender Druckverlust bzw. eine entsprechend schlechtere Kühlleistung für die Zellentemperierung die Folge gewesen wäre.

Schließlich weist der Zuströmkanal und der Abströmkanal ein sich in Strömungsrichtung des Fluids entsprechend verengenden bzw. erweiternden Querschnitt auf. Dies wird bei dieser Konstruktion dadurch verwirklicht, dass die Zellen treppenartig aufrecht aneinandergereiht sind. Zu deren Kühlung wiederum sind zwischen die Zellen spezielle, einen Kühlkreislauf aufweisende Temperierelemente eingelagert. Ein derartiger Zellenblock ist u. a. aufgrund seiner treppenartig versetzten Zellen technisch entsprechend aufwendig herzustellen.

Weitere Anordnungen von Zellen oder Zellenblöcken innerhalb eines Batteriekastens sind u. a. der DE 195 04 687 C1 und der DE 44 07 156 C1 entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Batterie­ kasten mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 eine Konstruktion anzugeben, die es ermöglicht, unter Gewährleistung der notwendigen Klimatisierung der Zellen des Zellenblockes den Bauraum des Batteriekastens zu verkleinern und/oder die Anzahl der Zellen des Zellenblockes wesentlich zu erhöhen, ohne auf Grund der damit zwangsläufig verbundenen Verlängerung des Zuström- und des Abströmkanals in diesen und in den zwischen den Zellen liegenden Durchströmkanälen einen größeren Druckver­ lust hinnehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird bei einem Batteriekasten erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die zueinander parallelen und dem Zellenblock gegenüberliegenden Kanalwandteile von Zuström- und von Abströmkanal erstrecken sich erfindungsgemäß parallel zur Strömungsrichtung des Fluids und bilden gleichzei­ tig die Kastenaußenwände. Somit ist der Zellenblock, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids, im Zuström- und im Ab­ strömkanal geneigt angeordnet. Dadurch ist der Umlenkwinkel des Fluids an der Einmündung der Durchströmkanäle auf Seiten des Zuströmkanals sowie an deren Ausmündung in den Abströmkanal < 90°. Durch diese strömungsgünstige Anordnung des Zellenblockes ergibt sich in strömungstechnischer Hinsicht der Vorteil eines entsprechend reduzierten Druckverlustes in den Kanälen bzw. ein dementsprechend niedrigerer Energiebedarf, der mittels leichte­ ren und kostengünstigeren Kühlaggregaten aufrecht zu erhalten ist. Hier bietet sich zugleich die Möglichkeit, den Öffnungs­ winkel von Zuström- und von Abströmkanal in Strömungsrichtung des Fluids sowie deren lichten Querschnitt entsprechend zu ver­ ringern.

Des weiteren erlaubt es die Erfindung, für eine Zellentemperie­ rung, deren Kühlleistung ungefähr gattungsgleicher Batteriekas­ ten entspricht, den gegenseitigen Zellenabstand des Zellenblo­ ckes kleiner wählen zu können, was eine kürzere Bauweise des Batteriekastens erlaubt.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass, wie bereits erwähnt, die dem Zellenblock gegenüberliegen­ den Kanalwandteile von Zuström- und von Abströmkanal zugleich Kastenaußenwände bilden können und somit im Batteriekasten selbst keine Toträume mehr vorhanden sind. Dadurch ist es mög­ lich, bei Batteriekasten, deren Zellenblock sowie deren Zuström- und deren Abströmkanal, wie es in der Regel bevorzugt wird, in einer gemeinsamen Vertikalebene liegen, die Kastenhöhe extrem niedrig zu halten.

Schließlich gestattet es der erfindungsgemäße Einbau eines oder mehrerer Zellenblöcke die Anzahl ihrer Zellen wesentlich zu er­ höhen, bspw. zu verdoppeln, sofern der sich dadurch zwangsläu­ fig vergrößernden Abmessung des Batteriekastens nichts im Wege steht.

Es ist möglich, in Batteriekasten in paralleler Anordnung zu­ einander zwei oder mehr Zellenblöcke vorzusehen, wobei man das Fluid zur Temperierung der Zellen aller Zellenblöcke über einen gemeinsamen Zuström- und einen gemeinsamen Abströmkanal führen kann. Dabei ist es denkbar, diese Kanäle samt Zellenblöcken in einer gemeinsamen Horizontalebene vorzusehen. Bevorzugt wird jedoch eine Anordnung, bei der der Zuströmkanal unterhalb und der Abströmkanal oberhalb der Zellenblöcke vorgesehen und die zueinander parallelen Kanalwandteile von Zuström- und von Ab­ strömkanal durch den Boden und den Deckel des Batteriegehäuses gebildet sind.

Die Zellen der Zellenblöcke weisen bevorzugt ein flach-quader­ förmiges Zellengehäuse auf, wobei benachbarte Zellen, mit den Breitseiten ihres Zellengehäuses jeweils einen Durchströmkanal definierend, einander deckungsgleich zugeordnet sind.

Dabei können sich die Zellen des Zellenblockes mit ihrer länge­ ren Gehäuseseite in Strömungsrichtung des Fluids oder quer dazu erstrecken.

Eine zu bevorzugende Konstruktion insbesondere solcher Batte­ riekasten, in denen wenigstens zwei Gruppen von zueinander pa­ rallelen Zellenblöcken untergebracht sind, sieht vor, die Zel­ lenblöcke gruppenweise in jeweils durch eine Schottwand vonein­ ander getrennten Gehäusekammern unterzubringen. In diesem Falle kann die Schottwand zugleich einen Kanalwandteil eines Zuström­ kanals für die eine Gruppe von Zellenblöcken und einen Kanal­ wandteil eines Abströmkanals für die andere Gruppe von Zellen­ blöcken bilden.

Jede Blockgruppe wird somit über jeweils einen dieser zugeord­ neten Zuström- und einen Abströmkanal temperiert, wodurch opti­ male Strömungsverhältnisse für das Fluid gewährleistet sind. Dabei können die in Strömungsrichtung geneigten Zellenblöcke in den Gehäusekammern zueinander parallel oder, bezogen auf die Schottwand, symmetrisch angeordnet sein.

In der Zeichnung sind, stark schematisiert und vereinfacht, mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikallängsschnitt durch einen den relevanten Stand der Technik darstellenden Batteriekasten,

Fig. 2 einen Vertikallängsschnitt durch ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel eines nach der Erfindung konzipierten Batteriekastens,

Fig. 3 einen Vertikallängsschnitt von Konstruktionsvarianten des Batteriekastens gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen weiteren Vertikallängsschnitt von Konstruktions­ varianten des Batteriekastens gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, zur Veranschaulichung einer weiteren, möglichen gegenseitigen Zuordnung von Zellen eines Zellenblockes.

Der in Fig. 1 gezeigte Batteriekasten stellt einen bekannten Vorläufer des erfindungsgemäßen Batteriekastens gemäß Fig. 2 dar.

In dessen quaderförmigem Gehäuse 10 liegen in einer gemeinsamen Horizontalebene a-a bspw. zwei sich zueinander parallel erstre­ ckende, längliche Zellenblöcke 12, die, senkrecht zur Zeichen­ ebene betrachtet, hintereinander liegen.

Die Zellenblöcke 12 setzen sich jeweils aus einer Vielzahl von einzelnen, als elektrochemische Speicher ausgebildeten, bau­ gleichen Zellen 14 zusammen.

Die Zellen 14 weisen jeweils ein flach-quaderförmiges Zellenge­ häuse 16 auf, mit dem sie einander in seitlichem Abstand paral­ lel und kantenbündig bzw. deckungsgleich zugeordnet sind. Da­ durch befinden sich zwischen einander gegenüberliegenden Gehäu­ sebreitseiten 18, 20 von einander benachbarten Zellen 14 je­ weils wenigstens ein senkrecht zur Strömungsrichtung geschlos­ sener Durchströmkanal 22. Die Zellen 14 erstrecken sich bspw. mit ihren längeren Gehäuseschmalseiten senkrecht zur Zeichen­ ebene, wobei sich an der einen Gehäusestirnwand 24 die Zellen­ pole 26 befinden. Die Zellen 14 jedes Zellenblockes 12 sind ü­ ber Zellenverbinder 28 elektrisch miteinander verbunden.

Die Zellenblöcke 12 erstrecken sich längs der Quermitte des Kastengehäuses 10, so dass sich ober- und unterhalb derselben zwei gleich dimensionierte Gehäuseräume 30 und 32 befinden, in denen jeweils ein Kanal angeordnet ist, die sich längs der Zel­ lenblöcke 12 erstrecken und zur Zellentemperierung fluidisch mit deren Durchströmkanälen 22 verbunden sind. Der sich unter­ halb der Zellenblöcke 12 befindende Kanal bildet einen Fluid- Zuströmkanal 34, während der oberhalb derselben vorgesehene Ka­ nal als Fluid-Abströmkanal 36 dient.

Das die Zellen 14 temperierende Fluid, insbesondere Luft, wird von der Gehäuseaußenseite in den Zuströmkanal 34 geleitet und strömt von dort über die die Zellenblöcke 12 zur Strömungsrich­ tung senkrecht durchsetzenden Durchströmkanäle 22 in den Ab­ strömkanal 36, über den es wieder aus dem Kastengehäuse 10 ge­ leitet wird. Dabei erfolgt, wie bei 37 angedeutet ist, eine Strömungsumlenkung um 90°, was mit entsprechendem Druckverlust verbunden ist.

Damit in der Zeiteinheit jeder Durchströmkanal 22 im wesentli­ chen den gleichen Volumendurchsatz an Fluid aufweist, ist der lichte Querschnitt des Zuströmkanals 34 in Strömungsrichtung des Fluids verengt und, analog hierzu, der lichte Querschnitt des Abströmkanals 36 in Strömungsrichtung des Fluids entspre­ chend erweitert.

Zu diesem Zweck ist der den Zellenblöcken 12 gegenüberliegende Kanalwandteil 38 bzw. 40 von Zuströmkanal 34 und Abströmkanal 36 durch eine sich in dem jeweiligen Gehäuseraum 30 bzw. 32 di­ agonal erstreckende Platte gebildet, die innerhalb des Kasten­ gehäuses 10 einander parallel zugeordnet sind und aus deren An­ ordnung unterhalb bzw. oberhalb der Kanäle 34 und 36 Toträume 30' bzw. 32' sowie die in der Beschreibungseinleitung erläuter­ ten Nachteile resultieren.

Im Folgenden wird nun an Hand der Fig. 2 die erfindungsgemäß abgewandelte Bauform eines solchen Batteriekastens beschrieben, wobei gleiche Bauteile beider Konstruktionen mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Bei dieser Konstruktion sind die den Zellenblöcken 12 gegenüberliegenden, zueinander parallelen Kanalwandteile von Zuström- und von Abströmkanal 34, 36 durch jeweils eine Kastenaußenwand, vorzugsweise dem Kastenboden 42 und der oberen Kastenwand 44 gebildet, wobei letztere vorzugs­ weise durch einen Kastendeckel gebildet ist. Dies bedingt, im Hinblick auf den sich in Strömungsrichtung des Fluids verengen­ den bzw. erweiternden lichten Querschnitt von Zuströmkanal 34 und Abströmkanal 36, eine entsprechend geneigte Anordnung der Zellenblöcke 12 und damit der Durchströmkanäle 22 in Strömungs­ richtung (Strömungslinien 46) des Fluids, mit der Folge, dass der Umlenkwinkel des Fluides an der Ein- und Austrittsseite der Durchströmkanäle (bei 37) < 90° ist.

Vorzugsweise begrenzen dabei die Gehäusestirnwände 48 und 50 zusammen mit der benachbarten Breitseite 18 bzw. 20 der beiden endseitigen Zellen 14 der Zellenblöcke 12 gleichfalls jeweils einen Durchströmkanal 22.

Wie ein Vergleich der Batteriekasten gemäß Fig. 1 und 2 zeigt, kann durch die Schräganordnung der Zellenblöcke 12 neben einem erheblich verminderten Druckverlust in den Durchströmkanälen 22 u. a. sowohl die Bauhöhe als auch der Bauraum des Batteriekas­ tens und dadurch der Materialaufwand beträchtlich verringert werden, was wiederum eine Reduzierung des Kastengewichtes er­ möglicht.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Batteriekasten sind bspw. zwei Gruppen von Zellenblöcken 12 im Batteriegehäuse 52 in zuein­ ander paralleler Schräganordnung übereinander vorgesehen, wobei die Schräganordnung sowie die Ausbildung und gegenseitige Zu­ ordnung der Zellen 14 der Zellenblöcke 12 derjenigen der Zel­ lenblöcke 12 im Batteriekasten der Fig. 2 entspricht.

Eine zwischen den beiden Gruppen von Zellenblöcken 12 vorgese­ hene und zu den unteren und oberen Gehäusewänden 54, 56 paral­ lel angeordnete Schottwand 58 bildet hierbei zugleich den den unteren Zellenblöcken 12 in Hochrichtung gesehen gegenüberlie­ genden Kanalwandteil des Abströmkanals 36 sowie den entspre­ chenden Kanalwandteil des Zuströmkanals 34 der oberen Zellen­ blöcke 12.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Konstruktionsvariante des Batterie­ kastens gemäß Fig. 3, bei der die beiden Gruppen von Zellen­ blöcken 12, bezogen auf die Schottwand 58, symmetrisch angeord­ net sind.

Fig. 5 zeigt einen weiteren, möglichen Aufbau eines Zellenblo­ ckes 12 zur Verwendung in Batteriekasten gemäß den Fig. 2 bis 4.

Die Ausbildung der einzelnen Zellen 14 entspricht hierbei der­ jenigen der Fig. 2 bis 4; sie sind deshalb, ebenso wie das Zellengehäuse, mit den in Fig. 2 verwendeten Bezugszahlen be­ zeichnet.

Die flach-quaderförmigen Zellen 14 der Zellenblöcke 12 erstre­ cken sich in diesem Falle mit ihrer längeren Seite ihres Zel­ lengehäuses 16 schräg zur Strömungsrichtung des Fluids im Zuström- sowie im Abströmkanal 34 bzw. 36.

Dabei sind die Zellenblöcke 12 bspw. durch drei Zellengruppen 62 aufgebaut, die ihrerseits durch Einzelzellen 14 gebildet sind, deren gegenseitige Zuordnung und elektrische Verbindung so getroffen sein kann, wie sie bspw. in DE 195 04 687 C1, Fig. 1 und 2, offenbart ist.

Claims (5)

1. Batteriekasten mit einer Vielzahl von baugleichen, elektro­ chemischen Speichern, die polseitig elektrisch miteinander ver­ bundene, jeweils ein flach-quaderförmiges Gehäuse (16) aufwei­ sende und mit ihren Gehäusebreitseiten zueinander benachbarte Zellen (14) bilden, aus denen wenigstens ein im Batteriekasten (10) festgelegter, länglicher Zellenblock (12) zusammengesetzt ist, der zwischen einem Zuströmkanal (34) und einem Abströmka­ nal (38) angeordnet ist und der jeweils einen Kanalwandteil dieser sich in Längsrichtung des Zellenblockes (12) erstrecken­ den Kanäle (34, 36) bildet und bei dem zwischen einander be­ nachbarten Zellen (14) jeweils mindestens ein, wenigstens quer zur Strömungsrichtung geschlossener Durchströmkanal (22) vorge­ sehen ist, über den der Zuström- und der Abströmkanal (34 bzw. 36) fluidisch miteinander verbunden sind, wobei die dem Zellen­ block (12) gegenüberliegenden Kanalwandteile von Zuström- und von Abströmkanal (34, 36), Kastenaußenwände (42, 44) bildende, zueinander parallel sind und sich der Zuströmkanal (34) in Strömungsrichtung eines diesen, die Durchströmkanäle (22) sowie den Abströmkanal (36) durchströmenden Fluids verengt und sich der Abströmkanal (36) in Strömungsrichtung des Fluids erwei­ tert, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zellen (14) des Zellenblockes (12) in Strömungs­ richtung des im Zuströmkanal (34) und im Abströmkanal (36) geführten Fluids geneigt angeordnet sind,
dass die umströmten Seitenflächen der Zellen eines Zellen­ blockes quer zur strömungsseitigen Erstreckung der Kanal­ wandteile ausgerichtet sind,
dass die umströmten Seitenflächen der Zellen eines Zellen­ blockes fluchtend zueinander, d. h. kantenbündig angeordnet sind und
dass die Kanalwandteile ein rechtwinkelfreies Parallelogramm ausbilden.

2. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (14) des Zellenblockes (12) einander deckungs­ gleich zugeordnet sind und dass die jedem Stirnende des Zellen­ blockes (12) benachbarten Wände (48, 50) des Batteriekastens zur jeweils benachbarten, endseitigen Zelle (14) des Zellenblo­ ckes (12), mit dieser zusammen mindestens einen Durchströmkanal (22) definierend, parallel sind.

3. Batteriekasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriekastens wenigstens zwei Zellenblöcke (12) oder wenigstens zwei Gruppen von zueinander parallelen Zellenblöcken (12) angeordnet sind, die jeweils in durch eine Schottwand (58) voneinander getrennten Gehäusekammern unterge­ bracht sind, welche Schottwand (58) zugleich einen Kanalwand­ teil zur Bildung eines Zuströmkanals (34) für einen der Zellen­ blöcke (12) oder für eine Gruppe von Zellenblöcken (12) und ei­ nen Kanalwandteil zur Bildung eines Abströmkanals (36) für den anderen Zellenblock (12) oder für die andere Gruppe von Zellen­ blöcken (12) bildet.

4. Batteriekasten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenblöcke (12) in beiden Gehäusekammern zueinander parallel angeordnet sind.

5. Batteriekasten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in beiden Gehäusekammern vorgesehenen Zellenblöcke (12), bezogen auf die Schottwand (58), symmetrisch angeordnet sind.