AT9001U1

AT9001U1 - Hochleistungsbatterie mit kühlung

Info

Publication number: AT9001U1
Application number: AT0007706U
Authority: AT
Inventors: Martin Dipl Ing Michelitsch
Original assignee: Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-03-15
Also published as: WO2007087665A2; DE112007000264A5; WO2007087665A3

Abstract

Eine Hochleistungsbatterie, deren elektrochemische Zellen (10, 11, ...) in einer regelmäßigen Anordnung parallel mit Zwischenraum (35) aufgestellte Zylinder sind, soll möglichst wirksam und gleichmäßig gekühlt werden. Dazu ist eine Hülle (15) vorgesehen, die aus einem Schlauch (16) besteht, der um eine Anzahl Zellen (10, 11, ...) der Batterie gewickelt ist, wobei der Schlauch (16) mit jeder Windung (20, 21, 22, ..) eine Zelle nach der anderen zumindest teilweise umschlingt. Beispielsweise umschlingt der die Hülle bildende Schlauch (16) eine Zelle (10) in einem Halbkreis (31) aussen und eine benachbarte Zelle (11) in einem Halbkreis (32) innen.

Description

2 AT 009 001 U1

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsbatterie, deren elektrochemische Zellen in einer regelmäßigen Anordnung parallelachsig mit Zwischenraum aufgestellte Zylinder sind, deren Mantel zumindest teilweise von einer doppelwandigen Hülle umgeben sind, in der ein Kühlmedium strömt. Derartige Batterien haben bei relativ niederem Gewicht eine große Kapazität und kön-5 nen Strom erheblicher Stromstärke und hoher Spannung liefern. Deshalb werden sie in Kraftfahrzeugen mit elektromotorischem oder hybridem Antrieb verwendet.

Der Nachteil aller derartiger Batterien (es gibt verschiedene Systeme) ist ihre hohe Wärmeentwicklung im Betrieb, sodass sie intensiv gekühlt werden müssen, um ihre Temperatur in einem io definierten Bereich zu halten. Zu hohe Temperatur beeinträchtigt ihre Lebensdauer.

Aus der EP 869 571 B1 ist eine gattungsgemäße Batterie bekannt. Dort sind die in Zweierreihen angeordneten Zellen zu einem Modul zusammengefasst, an dessen Aussenseiten beiderseits eine Halbschale angebracht ist. Beide Halbschalen bilden zusammen eine Hülle für den 15 ganzen Modul. Sie sind so geformt, dass sie den Aussenflächen der Zellen folgen und haben jeweils zwei Wände mit inneren Leitrippen, zwischen denen ein Kühlmittel strömt. Diese Halbschalen sind in der Herstellung teure Bauteile. Sie lassen die innere Zone zwischen den Zellen ungekühlt und ihr wärmeleitendes Anliegen an den Zellen ist zweifelhaft, zumindest aber nicht sichergestellt. Ausserdem besteht die Gefahr, dass sich an einzelnen Stellen Dampfblasen 20 sammeln; an solchen Stellen ist der Wärmeübergang erheblich schlechter und oft auch die Strömung des Kühlmittels behindert. So können die einzelnen Zellen nicht rundum und über ihre ganze Höhe auf der optimalen Temperatur gehalten werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hülle zu schaffen, die einen intensiveren, zuverlässi-25 gen und gleichmäßigen Wärmeübergang erlaubt und erheblich billiger in Fertigung und Montage ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Hülle aus einem Schlauch besteht, der, unten beginnend und oben endend um eine Anzahl Zellen der Batterie gewickelt ist, wobei der 30 Schlauch mit jeder Windung eine Zelle nach der anderen zumindest teilweise umschlingt. Ein Schlauch ist biegsam und kann so satt anliegend abwechselnd an der Aussenseite und im Inneren des Moduls um die einzelnen Zellen herum gelegt werden, wobei der Schlauch durch die sowieso vorhandenen Abstände zwischen den Zellen hindurchgeführt wird. So sind die Zellen auch an ihrer Inneren Seite gekühlt. Damit ist eine bessere Temperaturverteilung über 35 den Umfang der Zellen und ein guter Wärmeübergang sichergestellt. Dazu sind die einzelnen Windungen ohne Zwischenraum angelegt. Ein Schlauch ist ein billiges und in unbegrenzter Länge zur Verfügung stehendes Bauelement, sodass mit einem und demselben Schlauchquerschnitt verschiedene Batterien umhüllt werden können. Ausserdem ist ein Schlauch leicht und ohne Passungsprobleme montierbar. 40

So können auch jeweils eine Anzahl Zellen einen Zellenmodul mit einer eigenen Hülle bilden, wobei die Enden der die Hülle bildenden Schläuche mit jeweils einer gemeinsamen Verteiler-leiste strömungsverbunden sind (Anspruch 2). Dadurch ist auch in einer aus mehreren Moduln bestehenden Batterie eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit erreichbar. 45

Zur Vereinfachung der Montage ist es vorteilhaft, wenn die Zellen zwischen einer Bodenplatte und einer Deckplatte angeordnet sind, welche mittels Zugelementen zusammengehalten sind (Anspruch 3). So können die Zellen auf der Bodenplatte aufgestellt, gut zugänglich von oben umhüllt und dann mit der Deckplatte fixiert werden. 50

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Querschnitt des die Hülle bildende Schlauches aus zwei geraden parallelen Schenkeln und zwei sie verbindenden Kreisringsegmenten mit kleinem Radius (Anspruch 4). Er ist gewissermaßen ein nicht ganz flachgedrückter Schlauch. So ist die Wärmeübergangsfläche besonders groß. Vorzugsweise ist der Schlauch 55 ein extrudiertes Kunststoffprofil (Anspruch 5). 3 AT 009 001 U1

Bei Auswahl eines geeigneten Kunststoffes ist der Schlauch in Längsrichtung dehnbar (Anspruch 6). Dadurch kann beim Zusammenbau besonders arbeitsökonomisch eine gleichmäßige Anlage'des Schlauches an den Zellen erreicht werden, indem der Schlauch zuerst locker um die Zellen gelegt wird und dann einige Zellen (oder eine ganze Reihe von Zellen) verschoben 5 werden, wobei der Schlauch gespannt wird.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Anordnungsmuster der Zellen möglich. Wenn in Draufsicht die Achsen der Zellen in den Eckpunkten von Rhomben liegen (Anspruch 7), kann auf einer Grundfläche ein Maximum an Zellen untergebracht werden. Im günstigsten Fall be-io steht ein Rhombus aus zwei gleichschenkeligen oder gar gleichseitigen Dreiecken, sodass sich ein bienenwabenartiges Muster ergibt. In einer Variante sind die Rhomben Quadrate (Anspruch 8). Ein Quadrat ist ja ein rechtwinkeliger Rhombus.

Nach dem einen oder anderen Muster sind die Zellen vorzugsweise in Zweier - Reihen ange-15 ordnet (Anspruch 9). So sind die Zellen beider Reihen gleichermaßen vom Äusseren der Batterie her umhüllbar. Es gibt keine schwerer zugänglichen Zellen zwischen den beiden Reihen. So umschlingt vorzugsweise der die Hülle bildende Schlauch eine Zelle in einem Halbkreis aussen und eine benachbarte Zelle in einem Halbkreis innen (Anspruch 10). 20 An den Enden einer Zweier - Reihe oder alternativ umschlingt der die Hülle bildende Schlauch zwei benachbarte Zellen aussen (Anspruch 11). Das führt zu einer Vielfalt von Möglichkeiten, den Schlauch um die Zellen zu wickeln. Die aufeinanderfolgenden Windungen können verschieden geführt sein. Wenn übereinander liegende Windungen des die Hülle bildenden Schlauches in Draufsicht längs verschiedener Bahnen um die Zellen geführt sind (Anspruch 25 12), können alle Zellen beiderseits umschlungen und so gekühlt sein. Dann ist zwischen den entsprechenden Windungsteilen zwar ein kleiner Abstand, der aber durch die Wärmeleitung in den Aussenwänden jeder Zelle leicht überbrückt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen 30 dar:

Fig. 1: Eine axonometrische Ansicht des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 2: eine Ansicht nach II in Fig. 1,

Fig. 3: eine Ansicht nach III in Fig. 1, 35 Fig. 4: eine schematische Ergänzung zu Fig. 3.

In Fig. 1 ist von der erfindungsgemäßen Hochleistungsbatterie nur ein summarisch mit 1 be-zeichneter Modul dargestellt. Er ist mit den nicht dargestellten weiteren Modulen über zwei obere Leisten 2 und zwei untere Leisten 3 verbunden, vorzugsweise verschraubt. Eine Deck-40 platte 5 ist mit den oberen Leisten 2 verschraubt (Schraubenlöcher 6), eine Bodenplatte 4 mit den unteren Leisten 2. Zwischen Bodenplatte 4 und Deckplatte 5 ist eine Anzahl Zellen 10, 11, 12 etc aufgestellt und zwischen Bodenplatte 4 und Deckplatte 5 gehalten. Dazu sind zwischen Bodenplatte 4 und Deckplatte 5 Zuganker 7 vorgesehen, von denen nur die Stirnfläche sichtbar ist. 45

Die Zellen eines Moduls 1 sind in zwei Reihen angeordnet, in der im Bild vorderen Reihe ist eine Zelle mit 10 und die nächste in der Reihe mit 11 bezeichnet. Von der im Bild hinteren Reihe ist nur eine Zelle 12 mit einem Bezugszeichen versehen. Entlang einer unteren Leiste 3 ist eine Verteilerleiste 13 vorgesehen, durch die Kühlmittel dem Modul 1 und weiteren nicht so dargestellten Modulen zugeführt wird. An einer der oberen Leisten 2 ist eine Sammelleiste 14 angebracht, durch welche das Kühlmittel wieder abgeführt wird, beispielsweise zu einem nicht dargestellten Wärmetauscher.

Die Zellen 10, 11, 12 der Hochleistungsbatterie können von der verschiedensten Art oder Wir-55 kungsweise sein, sind daher auch nicht näher beschrieben. Jedenfalls benötigen sie eine 4 AT 009 001 U1 Kühlung, um auf ihrer optimalen Arbeitstemperatur gehalten zu werden. Dazu sind sie von einer insgesamt mit 15 bezeichneten Hülle zumindest teilweise umgeben. Dieser wird unten von der Verteilerleiste 13 Kühlflüssigkeit zugeführt und oben von der Hülle 15 über die Sammelleiste 14 abgeführt. 5

In Fig. 2 ist die Hülle 15 von einem Schlauch 16 gebildet, der teils innen, teils außen um die Zellen herumgeführt ist. Der Querschnitt des Schlauches ist nicht der eines Kreisringes, sondern er ist abgeplattet, vorzugsweise ein extrudiertes Kunststoffprofil. Der Querschnitt wird von zwei langen parallelen Schenkeln 17, 17' gebildet, wovon der innere Schenkel 17 eben an der io jeweiligen Zelle (hier 12) anliegt und die beiden parallelen Schenkel 17, 17' beiderseits durch ein Kreisringsegment 18 kleinen Radius' verbunden sind. Dieser Schlauch 16 ist in einer Anzahl von Windungen angebracht. In Fig. 2 ist eine erste Windung mit 20, eine zweite mit 21 und eine dritte mit 22 bezeichnet. Vorzugsweise liegt eine Windung in einer horizontalen Ebene; der aufsteigende Übergang von einer Windung (20) zur nächsten (21) erfolgt in einer Zone 23, die 15 an keiner der Zellen anliegt.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte geometrische Anordnung der Zellen 10, 11, 12,.. in Draufsicht mit abgenommener Deckplatte 5. Das entspricht auch dem Montagestadium, in dem der Schlauch 16 um die auf der Grundplatte 4 stehenden Zellen herum montiert wird. Die Mittelpunkte 25 der zo Zellen bilden einen strichliert eingezeichneten Rhombus 26. Anstelle des Rhombus könnten die Mittelpunkte 25 auch die Ecken eines Quadrates bilden. Jedenfalls sind die Zellen regelmäßig nach einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet, hier in Zweierreihen, wobei zwischen den Zellen einer Reihe ein Abstand 35 eingehalten ist. Das Ende 30 des Schlauches 16 ist mit der Verteilerleiste 13 verbunden. Von diesem Ende 30 ausgehend liegt der Schlauch 25 zunächst aussen an der Zelle 10 an (31) und umschlingt in der Folge die benachbarte Zelle 11 innen (32), und so weiter bei den folgenden Zellen. So wird eine erste Windung 20 gebildet und ohne Zwischenraum in Höhenrichtung weitere genauso verlaufende Windungen, bis das mit der Sammelleiste 14 in Verbindung stehende obere Ende 50 erreicht ist. 30 Für den Verlauf der einzelnen Windungen gibt es je nach dem Grundmuster der Anordnung der Zellen verschiedene Möglichkeiten. Der Verlauf kann auch von Windung zu Windung ein anderer sein, sodass eine Zelle von einer Windung entlang einem Halbkreis und von der nächst höheren Windung entlang einem diesem gegenüber liegenden Halbkreis gekühlt wird. Auf diese Weise kann auch eine rund um die Zelle gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden. 35

Fig. 4 zeigt ein Beispiel, wobei a) die unterste Windung, b) die darüber liegende zeigt, und so weiter. Die unterste Windung 20 verläuft so wie in Fig. 3 dargestellt, vom Anschlussstück 30 bis zu ihrem Ende 40, wo sie in die zweite Windung 21 (Fig. 4b) übergeht, welche die Zellen der vorderen Reihe an der Seite kühlt, die von der ersten Windung nicht erreicht wurde. Bei 41 geht 40 die zweite Windung 21 in die dritte Windung 22 (Fig. 4c) über, wo die Zellen der hinteren Reihe von der zuvor nicht gekühlten Seite gekühlt werden. Bei 42 beginnt die vierte Windung (Fig. 4d) welche der ersten Windung (Fig. 4a) gleicht. Schließlich verlässt das Kühlmedium durch das Verbindungsstück 50 die Hülle 15. 45 Wenn der die Hülle bildende Schlauch in der einen oder anderen Weise angebracht wurde, wird die Deckplatte 5 aufgesetzt und werden die Zuganker 7 angezogen. Zur Vereinfachung beziehungsweise Mechanisierung des Anbringens der Hülle liegt es im Rahmen der Erfindung, den Schlauch 16 im erforderlichen Maße dehnbar auszuführen. So können die Zellen zunächst im größerem Abstand aufgestellt und erst nach dem Einbringen des Schlauches in ihre endgültige so Position gerückt werden. Dabei erst legt sich der Schlauch in der gewünschten Weise an die einzelnen Zellen an, wobei er sich in seiner Länge ausdehnt.

Von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann im Rahmen der Erfindung abgewichen werden. So müssen die Zellen nicht stehen, sie können auch liegend angeordnet sein. Dass die 55 aus einem oder mehreren Modulen zusammengesetzte Batterie in einem entsprechenden

Claims

5 AT 009 001 U1 Gehäuse uritergebracht ist, wurde nicht eigens beschrieben, liegt aber in der Natur einer Batterie. s Ansprüche: 1. Hochleistungsbatterie, deren elektrochemische Zellen (10, 11, ...) in einer regelmäßigen Anordnung parallel mit Zwischenraum (35) aufgestellte Zylinder sind, die zumindest teilweise von einer doppelwandigen Hülle umgeben sind, in der ein Kühlmedium strömt, io dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (15) aus einem Schlauch (16) besteht, der um ei ne Anzahl Zellen (10, 11, ...) der Batterie gewickelt ist, wobei der Schlauch (16) mit jeder Windung (20, 21, 22,..) eine Zelle nach der anderen zumindest teilweise umschlingt.
2. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Anzahl 15 Zellen (10, 11, ...) einen Zellenmodul (1) mit einer eigenen Hülle bilden, wobei die Enden (30, 50) der die Hülle bildenden Schläuche (16) mit jeweils einer gemeinsamen Verteilerleiste (13) strömungsverbunden sind.
3. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (10, 11, 20 ..:) zwischen einer Bodenplatte (4) und einer Deckplatte (5) angeordnet sind, welche mittels Zugelementen (7) zusammengehalten sind.
4. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des die Hülle bildenden Schlauches (16) aus zwei geraden parallelen Schenkeln (17, 17') 25 und zwei sie verbindenden Kreisringsegmenten (18) mit kleinem Radius besteht.
5. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch (16) ein extrudiertes Kunststoffprofil ist.
6. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch (16) in seiner Länge dehnbar ist.
7. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Draufsicht die Achsen (25) der Zellen in den Eckpunkten von Rhomben (26) liegen. 35
8. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rhomben (26) Quadrate sind.
9. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (10, 11, 40 12,..) in Zweier - Reihen angeordnet sind.
10. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Hülle bildende Schlauch (16) eine Zelle (10) in einem Halbkreis (31) aussen und eine benachbarte Zelle (11) in einem Halbkreis (32) innen umschlingt. 45
11. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Hülle bildende Schlauch (16) zwei benachbarte Zellen (10, 12) aussen umschlingt.
12. Hochleistungsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander so liegende Windungen (20, 21, 22,..) des die Hülle (15) bildenden Schlauches (16) in Drauf sicht längs verschiedener Bahnen um die Zellen geführt sind. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 55