CN108352586A - 具有冷却元件的电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于机动车的电池模块及其制造方法。电池模块包括具有至少一个电池的第一电池组(101；301；401A)和用于冷却第一电池组(301；401A)的冷却元件(104；304；404)，第一电池组具有第一冷却器连接面(122；322；422)，冷却元件具有朝向第一冷却器连接面(122；322；422)的第一冷却面(124；324；424)。电池模块的特征在于，在第一冷却器连接面(122；322；422)和第一冷却面(124；324；424)之间在形成第一冷却器连接面(122；322；422)与第一冷却面(124；324；424)的直接的材料锁合的连接的情况下设置第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)和/或第一导热层(102；317；318；417)。

Description

具有冷却元件的电池模块
技术领域
本发明涉及一种具有冷却元件的车辆能量存储器的电池模块及其制造方法。
背景技术
在电动车辆和混合动力车辆中安装电池模块。这些电池模块包括多个电池，所述电池通常被堆叠成电池堆叠并且通过框架夹紧并保持形状。框架包括用于固定在能量存储器壳体上的装置。
通常电池模块在所谓的导热板上设有底部冷却装置，以便散发热能，使得电池模块不超过定义的最大运行温度。在此，冷却可通过流过冷却元件的介质或流体进行。在冷却元件和电池模块的导热板之间尤其是使用形锁合或力锁合连接，其中，导热板例如粘合在电池模块上。
为了最小化冷却元件和导热板之间的隔热空气层并由此改善所述元件之间的热传递，用大的力将它们相互压紧。所需的力例如可通过弹簧导轨施加。该力在不平的冷却元件或导热板或电池模块(即在壳体和电池模块之间有距离时)或壳体(基于弹簧导轨)中对可散出的热功率影响尤其大。此外，弹簧导轨会经受老化，因此随着电池模块年限的增加压紧作用和因此可实现的热传递减小。
除了通过弹簧导轨施加大的压紧力之外，对生产时的清洁度要求也很高，以便使冷却元件和导热板之间的界面处的污染最小化。这对于避免气体夹杂物是特别必要的。
因此，在制造时、尤其是在放入、对中和压紧冷却元件和压紧元件时尤其需要刚性元件和附加步骤，其中，冷却元件特别敏感。这导致成本密集的制造和电池模块部件质量的增加。如果不大幅调整运行参数，则无法任意扩展总功率。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于，提供一种电池模块及其制造方法，其中，电池模块简单且低成本地制造并且应在其整个使用寿命中确保高的且可靠的正常散热。
所述任务通过根据权利要求1的电池模块和根据权利要求8的制造方法来解决。本发明的有利方案和扩展方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的、尤其是用于机动车能量存储器的电池模块包括具有至少一个电池的第一电池组和用于冷却第一电池组的冷却元件，第一电池组具有第一冷却器连接面，冷却元件具有朝向第一冷却器连接面的第一冷却面。在形成第一冷却器连接面与第一冷却面的直接的材料锁合的连接的情况下，在第一冷却器连接面和第一冷却面之间设置第一电压绝缘层和/或第一导热层。
在此，术语“材料锁合”表示上述层中的至少一个构成为粘附层或粘合层并且因此包括电池组、冷却元件和所述层的整个组件构成一个固定连接的单元，对于其固定连接不需要其它元件、如开头提到的弹簧导轨。术语“直接”可理解为在相应冷却器连接面和冷却面之间除了所述层之外不存在其它层。如果存在用于将电压绝缘层固定在冷却器连接面或冷却面上的粘合剂，则其——即使它作为完整的“层”存在——不被单独看作是另一个层，而是被看作电压绝缘层的集成部分。这同样适用于导热层上可能存在的粘合剂。术语“导热”可理解为相关层具有的热导率足够用于所要求的应用目的。这同样适用于术语“电压绝缘”针对电池模块和冷却元件之间的电压的绝缘能力。技术人员很清楚所需的绝缘能力和导热率的大小，因而无需进一步赘述。
通过材料锁合的和直接的连接，根据本发明的电池模块一方面可低成本地制造，因为一方面仅需要简单的方法步骤并且不需要附加的部件、如弹簧导轨，并且另一方面如此形成的连接是持久的、即在电池模块的整个寿命期间上。因此，根据本发明，通过材料锁合的和直接的连接同时实现电池模块在冷却元件上的机械连接和热连接。
根据本发明的电池模块的优点在于，不需要导热板和弹簧导轨。一方面减少了所需元件的数量，从而可更低成本地制造电池模块。另一方面降低了电池模块的质量。
此外，没有弹簧元件对电池单元模块施加压力，因此不需要安装元件的高刚性。
此外，冷却单元集成在电池模块中，使得热能能够直接散出。
根据一种有利的实施方式，第一电压绝缘层构成为粘附层或粘合层。因此其不需要单独设置粘合剂。
有利的是，第一导热层构成为粘附层或粘合层，因为也不需要单独施加粘合剂。
根据另一种有利的实施方式，第一电压绝缘层具有高压绝缘膜或仅由高压绝缘膜构成，这简化了制造，因为这种膜易于加工。
有利的是，第一导热层具有导热浇注材料和/或导热粘合剂或甚至完全由其构成。由此可简化制造并因此降低成本，并且此外，当第一导热层不完全平坦或具有粗糙度时，可很好地补偿冷却面和冷却器连接面之间的公差并且最大化有效的热传递面。
就层结构的良好连接而言有利的是，在第一冷却器连接面和第一冷却面之间设置另外的导热层。
根据本发明，可通过设置第二电池组来制造双电池模块，第二电池组相对于第一电池组大致镜像地设置，其中，冷却元件的中心平面是对称平面。在该双电池模块中，导热路径被优化，因为可借助一个唯一的冷却元件冷却两个电池组。
通过制造根据权利要求8的根据本发明的电池模块可降低制造成本，因为各个步骤无需大的技术耗费即可实施并且需要少的部件。尤其是不需要持久保留在电池模块上的弹簧元件，其将导致附加成本，而是只需要实施一次压紧或压合整个组件的步骤来实现持久的稳定性。
根据一种有利的实施方式，在一个冷却元件上在其两个主面的每一个主面上——或多或少镜像对称地——设置电池组，由此可制造双电池模块。
当在制造根据本发明的电池模块时，以合适的方式分别以定义的图案、尤其是曲折或波浪形或之字形图案的形式或以多个——必要时平行的——条纹的形式、优选以突出的条带的形式施加导热材料时，通过随后压紧图案可产生薄层，该薄层一方面良好地附着并且另一方面在避免或消除气体夹杂物的同时也良好地导热。如果导热材料构造成可非常好地电绝缘，则可省却单独的电压绝缘层。
在此，以导热材料的形式施加定义图案用于后续导热材料的分布。因此需要均匀地施加该材料，使得产生尽可能平的面，以补偿电池组的公差。另外，由此可允许夹杂在电池组表面和导热材料层之间以及导热材料层和高压绝缘层之间的空气逸出。这导致材料锁合的、即不仅机械连接而且热连接并导致公差补偿以及导致最大化电池组和冷却元件之间有效的连接面和过渡面。
尤其是简单的公差补偿和冷却板的坚固设计可防止在制造电池模块时的损坏。通过省却压紧元件、如弹簧导轨可实现成本降低和重量减轻。
附图说明
图1示出根据本发明的电池模块的第一实施方式的侧视图；
图2示出根据例如本发明的电池模块的冷却装置的第一实施方式的、在压紧之前作为条带被施加到高压绝缘膜上的导热材料的俯视图；
图3A至图3J示出根据本发明电池模块的第一实施方式的侧向横截面；
图4A至图4D示出根据本发明的电池模块的第二实施方式的侧向横截面。
具体实施方式
参考附图说明本发明电池模块的优选实施方式。
图1示出根据本发明的电池模块的第一实施方式的侧视图，其中，具有电池堆叠的电池组101与构成为冷却板104的冷却元件在它们表面中的一个表面上通过作为导热层的导热浇注材料层102和作为电压绝缘层的高压绝缘层105连接。在此，导热浇注材料层102粘合在电池组101的下表面上，该下表面构成第一冷却器连接面122，而高压绝缘层105粘合在冷却板104的用作冷却面124的上表面上。因此，在电池组101和冷却板104之间通过直接粘合实现材料锁合的连接。
可选地，冷却板104可设有构造在其中的流体通道。在此，冷却板104可在一个边缘区域中设有流体连接法兰103，该流体连接法兰构造用于为冷却板104供应和/或排走流体。作为替代方案，可使用扁平管或具有焊接或粘接的板的多端口作为冷却元件104。
为了构造根据第一实施方式的电池模块，实施下述方法步骤。
首先，清洁和/或激活冷却板104的表面，其中，例如可在乙醇中冲洗和/或进行等离子体处理。
然后，将自粘的高压绝缘层105粘贴到该清洁过的表面上。清洁尤其是用于清除表面上可能导致气泡形成的所有外来分子。此外可激活表面，以提高高压绝缘层105的附着。
接着，将导热浇注材料层102施加到高压绝缘层105上。在此，导热浇注材料层102优选以定义图案的形式被施加。在图2中以俯视图示出之字形图案。作为替代方案也可选择施加其它图案。图案施加用于在随后放置电池组101时实现导热浇注材料层102作为薄层在高压绝缘层105上尽可能均匀的分布。施加定义图案因此导致导热浇注材料层102在高压绝缘层105上形成材料锁合的机械连接和热连接、补偿电池组101和冷却板104之间的公差以及最大化有效的连接面或过渡面。
为了能够将电池组101受控地放置到导热浇注材料层102上，在冷却板104的窄侧边缘区域中相对置地这样设置长形孔210和定心孔211，使得电池组101壳体上的相应定心元件(未示出)能够插入到长形孔210和定心孔211中。由此对中地压紧电池组和冷却元件。
图3A至图3J示出根据本发明电池模块的第一实施方式及其变型的侧向横截面，其中，从上向下描述相应结构。
图3A示出下述顺序：电池组301、尚未时效硬化的、即仍有粘性且粘合在电池组301下表面上的粘性的导热浇注材料层317以及粘合在冷却板304的上表面上且电绝缘的下自粘的高压绝缘层313。不仅粘性的导热浇注材料层317而且下侧自粘的高压绝缘层313设置为热能传导元件。
图3B示出下述顺序：电池组301、粘合在电池组301的下表面上且电绝缘的上侧自粘的高压绝缘层314和粘性的导热浇注材料层317，粘性的导热浇注材料层粘合在冷却板304的上表面上。
图3C示出下述顺序：电池组301、粘合在电池组301的第一冷却器连接面322以及冷却板304的第一冷却面324上粘性的导热浇注材料层317和冷却板304。为了更清楚起见，在图3A、图3B和图3D至图3J中未特意示出冷却器连接面322和冷却面324。尤其是在实现完全无气泡的组装，使得电池组301、粘性的导热浇注材料层317和冷却板304之间不存在气泡时，粘性的导热浇注材料层317也可具有电绝缘作用，从而无需使用高压绝缘层。
图3D示出下述顺序：电池组301、双面自粘的高压绝缘层315和冷却板304。在此，自粘的高压绝缘层315既用于将电池组301粘合在冷却板304上也用于电绝缘。
图3E示出下述顺序：电池组301、粘性的导热浇注材料层317、非自粘的高压绝缘层316、粘性的导热浇注材料层317和冷却板304。粘性的导热浇注材料层317分别确保电池组301和非自粘的高压绝缘层316之间以及非自粘的高压绝缘层316和冷却板304之间的粘合，而非自粘的高压绝缘层316确保电绝缘。
图3F示出下述顺序：电池组301、时效硬化、即无粘性的导热浇注材料层318、双面自粘的高压绝缘层316、另一时效硬化的导热浇注材料层318和冷却板304。双面自粘的高压绝缘层316既确保粘合又确保电绝缘。
可选地，省却一个时效硬化的导热浇注材料层318，如在图3G和图3H中所示。
图3I示出下述顺序：电池组301、时效硬化的导热浇注材料层318、粘性的导热浇注材料层317和冷却板304。与图3C中所示结构相同，为此必须实现完全无气泡的组装，使得在电池组301、导热浇注材料层317和318以及冷却板304之间不存在气泡。只有如此导热浇注材料层317和318才能起电绝缘作用。
图3J示出下述顺序：电池组301、粘性的导热浇注材料层317、时效硬化的导热浇注材料层318和冷却板304。在此，导热浇注材料层317和318也只有在尽可能不夹杂气泡时才能起电绝缘作用。
图4A至图4D示出根据本发明电池模块的第二实施方式及其变型的侧向剖面图，在此从上向下描述相应结构。
图4A示出一种电池模块，其包括电池组401A、粘性的导热浇注材料层417、下侧自粘的高压绝缘层413、冷却板404、上侧自粘的高压绝缘层414、另一粘性的导热浇注材料层417和电池组401B。因此，关于冷却板404存在镜像结构。因此，两个电池组401A、401B可通过一个冷却板404冷却，由此实现减小的安装空间和优化的导热路径。各个部件之间的粘合通过粘性的导热浇注材料层417进行，而绝缘作用由自粘的高压绝缘层413和414实现。
图4B示出与图4A相比改进的部件顺序：电池组401A、上侧自粘的高压绝缘层414、粘性的导热浇注材料层417、冷却板404、另一粘性的导热浇注材料层417、下侧自粘的高压绝缘层413和电池组401B。
在图4C中省却由图4A和图4B已知的自粘的高压绝缘层413和414。这尤其是仅在实现完全无气泡的组装，使得分别在电池组401A和401B之间、在上侧粘合在电池组401A的第一冷却器连接面422上并且在下侧粘合在冷却板404的第一冷却面424上的粘性的导热浇注材料层417和另一在上侧粘合在冷却板404的第二冷却面425上以及在下侧粘合在电池组401B的第二冷却器连接面428上的粘性的导热浇注材料层417和冷却板404之间不存在气泡时才变得可能。粘性的导热浇注材料层417因此具有电绝缘作用，从而无需使用高压绝缘层。仍然为了更清楚起见，在图4A、图4B和图4D中未特意示出冷却器连接面422和428以及冷却面424和425。
图4D示出一种电池模块，其包括电池组401A、双面自粘的高压绝缘层415、冷却板404、另一双面自粘的高压绝缘层415和电池组401B。在此，双面自粘的高压绝缘层415分别确保电池组401A和401B与冷却板404之间的粘合。
可以理解的是，在本发明中一方面已结合方法步骤描述的特征与另一方面已结合相应装置描述的特征之间存在关系。因此，即使没有明确提及，所描述的方法特征也被看作是本发明所包括的装置特征，并且反之亦然。
应指出，参照所示实施方式所描述的本发明特征、如层和面(及其类型和构造以及各部件相对于彼此的布置或相应方法步骤的顺序)也可存在于其它实施方式或变型中，除非另有说明或出于技术原因本身禁止，此外，各种实施方式的组合描述的所有特征并非都必须实现在一种相关实施方式中。
附图标记列表
101 电池组
102 导热浇注材料
103 流体连接法兰
104 冷却板
105 高压绝缘层
122 冷却器连接面
124 冷却面
202 有图案的导热浇注材料
203 流体连接法兰
204 冷却板
205 高压绝缘层
210 长形孔
211 定心孔
301 电池组
304 冷却板
313 下侧自粘的高压绝缘层
314 上侧自粘的高压绝缘层
315 双面自粘的高压绝缘层
316 非自粘的高压绝缘层
317 粘性的导热浇注材料层
318 时效硬化的导热浇注材料层
322 冷却器连接面
324 冷却面
401A、401B 电池组
404 冷却板
413 下侧自粘的高压绝缘层
414 上侧自粘的高压绝缘层
415 双面自粘的高压绝缘层
417 粘性的导热浇注材料层
422 第一冷却器连接面
424 第一冷却面
425 第二冷却面
428 第二冷却器连接面

Claims (10)

1.电池模块、尤其是用于机动车的电池模块，所述电池模块包括具有至少一个电池的第一电池组(101；301；401A)和用于冷却第一电池组(301；401A)的冷却元件(104；304；404)，所述第一电池组具有第一冷却器连接面(122；322；422)，所述冷却元件具有朝向第一冷却器连接面(122；322；422)的第一冷却面(124；324；424)，其特征在于，在形成第一冷却器连接面(122；322；422)与第一冷却面(124；324；424)的直接的材料锁合的连接的情况下，在所述第一冷却器连接面(122；322；422)和第一冷却面(124；324；424)之间设置第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)和/或第一导热层(102；317；318；417)。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)构成为粘附层或粘合层。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，所述第一导热层(102；317；318；417)构成为粘附层或粘合层。
4.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，所述第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)具有高压绝缘膜。
5.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，所述第一导热层(102；317；318；417)具有导热浇注材料和/或导热粘合剂。
6.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，在形成第一冷却器连接面(122；322；422)与第一冷却面(124；324；424)的直接的材料锁合连接的情况下，在第一冷却器连接面(122；322；422)和第一冷却面(124；324；424)之间设置另外的导热层(102；317；318；417)。
7.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块包括具有至少一个电池的第二电池组(401B)，该第二电池组具有第二冷却器连接面(428)，并且冷却元件(404)具有第二冷却面(425)，在形成第二冷却器连接面(428)与第二冷却面(425)的直接的材料锁合的连接的情况下，在第二冷却器连接面(428)和第二冷却面(425)之间设置第二电压绝缘层(413；414；415)和/或第二导热层(417)。
8.用于制造电池模块、尤其是根据权利要求1至7之一所述的电池模块的方法，包括下述步骤：
a)提供在其上侧具有第一冷却面(124；324；424)的冷却元件(104；304；404)；
b)将第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)固定在第一冷却面(124；324；424)上；
c)将导热材料(102；317；318；417)施加到第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)上；
d)将具有第一冷却器连接面(122；322；422)的第一电池组(101；301；401A)放置到第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)上，其中，第一冷却器连接面(122；322；422)朝向第一冷却面(124；324；424)；并且
e)在基本上垂直于第一冷却面(124；324；424)的方向上压紧冷却元件(104；304；404)、第一电压绝缘层(105；313；314；315；316；413；414；415)、导热材料(102；317；318；417)和第一电池组(101；301；401A)，以形成第一冷却器连接面(122；322；422)与第一冷却面(124；324；424)的直接的材料锁合的连接。
9.根据权利要求8所述的方法，包括下述另外的步骤：
f)提供在其上侧具有第二冷却器连接面(428)的第二电池组(401A)；
g)将导热材料(417)施加到第二冷却器连接面(428)上；
h)将第二电压绝缘层(413；414；415)固定到第二冷却面(425)上，所述第二冷却面设置在冷却元件(404)的背离第一冷却面(424)的一侧上；并且
i)将第二电池组(401A)以其第二冷却器连接面(428)和第二导热材料(417)设置在冷却元件(404)上，使得第二冷却器连接面(428)朝向第二冷却面(425)；
在步骤e)中压紧在步骤i)中形成的组件，以形成第二冷却器连接面(428)与第二冷却面(425)的附加的直接的材料锁合的连接。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，以定义的图案、尤其是曲折或之字形图案的形式或以多个条纹的形式施加所述导热材料(417)。
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