DE10003740C1 - Batterie - Google Patents

Batterie

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Wärmeabführeinrichtung, wobei eine Mehrzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet sind, wobei die Serienanordnung der Bateriezellen einen äußeren positiven Pol und einen äußeren negativen Pol aufweist, wobei an den Polen Zellverbinder angebracht sind und wobei Mittel zur Abfuhr von Verlustwärme der Serienanordnung vorgesehen sind, wobei zumindest ein Zellverbinder mit wärmeabführenden Mitteln verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
In Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und in Fahrzeugen mit Hochleistungsbatterien sind hohe Anforderungen an das Lastpro­ fil der verwendeten Batterien gesetzt. Es wird auf kleinem Raum eine hohe Verlustwärme produziert.
Aus der DE 195 04 687 C1 ist ein Batteriekasten für eine Hochleistungsbatterie bekannt, bei dem im Batteriekasten dicht­ gepackte Batteriezellen mittels einer Luftkühlung gekühlt werden. Die Batteriezellen sind elektrisch in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet. Freiräume zwischen den Batteriezellen werden als Umströmungskanal für ein Kühlmedium, z. B. Umgebungsluft, verwendet.
Bei den Hochleistungsbatterien auf Nickel-Metallhydridbasis oder Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch nur sehr geringe Tem­ peraturgradienten zulässig.
Eine optimale Luftführung erfordert zusätzliches freies Volumen zwischen den Batteriezellen, wodurch das gesamte Batterievolu­ men deutlich vergrößert wird. Bei hohen Umgebungstemperaturen versagt eine Frischluftkühlung, oder die Kühlluft muß aufwendig temperiert werden. Zudem liegt die maximal tolerierbare Tempe­ ratur der Batteriezellen in der Regel deutlich unter der in einem Fahrzeug maximal zu spezifizierenden Temperatur.
Aus der DE 44 43 015 A1 sind Hochtemperaturbatterieen bekannt, z. B. Natrium/Schwefel- oder Natrium/Metallchlorid-Batterien, bei denen mehrere Einzelzellen in einem wärmeisolierenden Ge­ häuse angeordnet sind und eine steuerbare Heizvorrichtung zum Kühlen bzw. Heizen der Einzelzellen vorgesehen ist.
Aus der DE 37 33 734 A1 ist ein Bleiakkumulator bekannt, bei dem statt eines üblichen Gitterrahmens im Elektrolyten ein U- förmiges, um das Gitter herumlaufendes und an diesem befestig­ tes Rohr vorgesehen ist, welches von Kühlflüssigkeit durchströmt ist und welches Wärme aus der Zelle abführt.
In der DE 44 08 960 C1 ist eine Traktionsbatterie offenbart, bei der eine Kühlschlange unter einem Zwischenboden, der den Elektrolytraum der Batterie abtrennt, angeordnet ist. Die Kühl­ schlange stellt einen batterieseitigen Abschnitt eines gesamten Kühlkreislaufes dar, in dem ein luftgekühlter Wärmetauscher sowie ein Kühlaggregat vorgesehen ist, welches auch für die Innenraumkühlung eines Fahrzeugs verwendet werden kann.
Bei in einem Fahrzeug zu verbauenden Komponenten spielt das Volumen der Komponenten oft eine entscheidende Rolle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte, klein­ volumige Batterie mit einer Wärmeabführeinrichtung anzugeben, die für Hochleistungsanwendungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhaft ist, daß auch eine ausschließliche Kühlung der Zellverbinder auch bei einer Vielzahl von miteinander in Serie geschalteten Batteriezellen eine ausreichende Kühlung gewähr­ leistet.
In einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Kühlung der Zellverbinder mit einer Wärmepumpe.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Küh­ lung der Zellverbinder mit thermoelektrischen Peltier- Elementen.
Besonders günstig ist eine Verbindung von Zellverbindern mit elektrisch isolierenden Kühlkörpern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher be­ schrieben, wobei die Figur zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In der Figur ist eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Batterien gezeigt, welche elektrisch parallel und in Serie geschaltet sind und die insgesamt eine Hochleistungsbatterie darstellen sollen, welche externe Pole A und B aufweist, an denen elektrische Leistung abgegriffen werden kann.
Die Anordnung ist als Draufsicht auf die Stirnflächen von 36 (6 × 6) Batteriezellen, deren stirnseitige Pole P1-P36 in der Bildebene zu erkennen sind. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige der Pole mit Bezugszeichen bezeichnet. An die zu den Polen P1-P36 gehörigen Batteriezellen Z1'-Z36' sind jeweils weitere Batteriezellen Z1"-Z36" elektrisch in Serie angeschlossen, weitere Batteriezellen können daran in Serie geschaltet sein, wie in der Figur angedeutet ist. An jedem Batteriepol P1-P36 kann eine Spannung abgegriffen werden, die je ein Batterieblock Z1-Z36 liefert; jeder Batterieblock Z1-Z36 besteht aus einer Serienschaltung von mehreren Batteriezellen Z1, Z1'. . .-Z36, Z36'. . ..
Die Pole P von je drei Batterieblöcken Z sind mit Zellverbindern V verbunden, d. h. Batterieblöcke Z1, Z2, Z3 sind mit Zellverbinder V1, Batterieblöcke Z4, Z5, Z6 mit Zellverbinder V2 etc. verbunden. Je nach Polung der Batterieblöcke Z sind diese über die Zellverbinder V elektrisch in Serie oder parallel zueinander geschaltet. Die einzelnen Zellverbinder V1-V12 sind noch mit weiteren Zellverbindern S1- S11, im weiteren Strombrücken genannt, untereinander verbunden. An der Rückseite der in der Figur gezeigten Anordnung ist eine entsprechende Verschaltung der entgegengesetzten Pole der Batterieblöcke mit entsprechenden weiteren Zellverbindern V und Strombrücken S vorgesehen, aber nicht dargestellt.
Es wurde festgestellt, daß eine ausschließliche Kühlung der Batterie durch die Zellverbinder V ausreichend ist, obwohl in einer derartigen Anordnung Zellen in dichtester Packung verbaut werden. Gemäß der Erfindung kann ausgenutzt werden, daß die Wärme, welche in der Anordnung erzeugt wird, denselben Weg wie der elektrische Strom in der Anordnung nimmt. Vorteilhaft kann ausgenutzt werden, daß der elektrische Widerstand im Strompfad über die Zellverbinder V und S möglichst minimiert wird. Damit wird gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit der metallischen Zellverbinder V, S gesteigert. Auch bei vergleichsweise großen Kühlleistungen bildet sich entlang einer Achse eines Batterieblocks ein Temperaturgradient von wenigen °C aus, der noch toleriert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die Wärme von den Zellverbindern V1- V12 und/oder den Strombrücken S1-S11 durch wärmeableitende Mittel abgeführt.
Dazu sind in einer bevorzugten Ausführung die Zellverbinder V und/oder Strombrücken S mit einer ebenen, elektrisch isolierenden Kühlplatte mit guter thermischer Leitfähigkeit verbunden. Vorzugsweise ist die Platte aus Aluminiumnitrid gebildet. Es kann auch eine gegen die Zellverbinder elektrisch isolierte Metallplatte verwendet werden. Es können auch andere Materialien verwendet werden, wie sie etwa in der Elektronik für entsprechende Kühlkörper für elektrische Hochleistungsbauelemente verwendet werden. Besonders günstig sind Metallpaltten, die die ein Zwei-Phasensystem beinhalten, insbesondere sogen. Heat Pipes. Diese sind zeichnen sich durch besonders effektive Kühleigenschaften aus.
In einer günstigen Ausgestaltung ist die Platte so groß, daß alle Zellverbinder V, S abgedeckt sind. Die Platte liegt möglichst flächig an den Zellverbindern V und/oder S an, so daß der Wärmeübergang von der Batterie zu der Platte möglichst ungestört ist.
Zweckmäßigerweise sind die Zellverbinder V, S möglichst großflächig ausgeführt.
Zweckmäßig ist, die Anordnung der Zellverbinder V, S so auszubilden, daß sie eine möglichst ebene Fläche bilden. Es ist auch möglich, die Platte mit entsprechenden Aushebungen herzustellen, die eine möglichst paßgenaue Montage der Platte auf die Zellverbinder ermöglicht.
Die Platte kann auf der der Batterieanordnung abgewandten Außenseite eben gestaltet sein, kann aber auch mit Kühlrippen versehen sein, um die Oberfläche zur verbesserten Wärmeabfuhr zu vergrößern. Es ist auch möglich, die Kühlplatte aktiv mit einem Kühlfluid zu beaufschlagen, z. B. etwa mit Luft anzublasen. Die Platte kann auch hohl ausgeführt sein, so daß ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium durchgeleitet werden kann, welches die Wärme abführt.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung kann die Kühlplatte als Bestandteil eines Kühlgeräts vorgesehen sein und z. B. als Verdampfer von Kühlmittel in einer Klimaanlage verwendet werden. Dazu kann vorteilhaft ein batterieeigenes Expansionsventil vorgesehen sein, welches die benötigte Kühlleistung des Verdampfers reguliert.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung kann die Kühlplatte mit einem separaten Kühlmedium, etwa einer Kühlsole, beaufschlagt werden, welches über einen Wärmetauscher an einen Verdampfer in einem Kühlmittelkreislauf einer Klimaanlage gekoppelt ist. Diese Ausgestaltungen sind besonders vorteilhaft in einem Fahrzeug mit Klimaanlage einzusetzen.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung können auch statt einer einzigen großen Platte eine oder mehrere kleinere Platten mit den Zellverbindern verbunden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Wärmeabfuhr über Wärmepumpen und/oder besonders bevorzugt über thermoelektrische Kühler wie Peltier-Elemente, die mit den Zellverbindern V und/oder S verbunden sind. Dabei können alle Zellverbinder V, S oder nur einige davon mit diesen wärmeabführenden Mitteln verbunden sein.
Die wärmeableitenden Mittel können auch miteinander gekoppelt werden oder auch einzeln verwendet werden. So kann eine Kühlplatte eingesetzt werden, die mit Peltier-Elementen gekühlt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die thermische Kopplung zwischen Zellverbinder V, S und einer Kühlplatte durch Peltier-Elemente hergestellt werden, welche im Bedarfsfall bestromt werden. Unbestromt ist die thermische Ankopplung gering und wenig Wärme wird abgeführt, bestromt werden diejenigen Zellverbinder aktiv gekühlt, welche mit den bestromten Peltier-Elementen verbunden sind. Die Kühlplatte sorgt aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit für eine günstige homogene Temperaturverteilung in ihrem Volumen.
In einer weiteren günstigen Ausführung ist es auch möglich, weniger Pelterielemente zu verwenden, als Zellverbinder V, S in der Anordnung vorhanden sind. Vorteilhafterweise sind die Zellverbinder mit einer ebenen Kühlplatte zum Temperaturausgleich verbunden, welche auf der den Zellverbindern V, S abgewandten Außenseite mit einer Anzahl von Peltier-Elementen gekühlt wird, die geringer ist als die Zahl der Zellverbinder V, S.

Claims (11)

1. Batterie mit einer Wärmeabführeinrichtung, wobei eine Mehr­ zahl von Batteriezellen (Z') miteinander verschaltet sind, wobei die Serienanordnung (Z) der Batteriezellen (Z') einen an zumindest einer Stirnseite der Batterie angeordneten äußeren positiven Pol (A) und einen äußeren negativen Pol (B) aufweist, wobei an der zumindest einen Stirnseite angeordneten Batterie­ polen (P) Zellverbinder (V, S) angebracht sind und wobei Mittel zur Abfuhr von Verlustwärme der Serienanordnung (Z) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der zumindest einen Stirnseite zumindest bereichsweise eine ebene Kühlplatte vorgesehen ist, die im wesentlichen flä­ chig mit Zellverbindern (V, S) zumindest mittelbar in thermischem Kontakt ist.
2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte zumindest gegen die Zellver­ binder (V, S) elektrisch isoliert ist.
3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte mittels thermoelektrischen Peltier-Elementen mit den Zellverbindern (V, S) thermisch in Kontakt ist.
4. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte an der von den Zellverbindern (V, S) abgewandten Außenseite mittels Wärmepumpen kühlbar ist.
5. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte an der von den Zellverbindern (V, S) abgewandten Außenseite mittels thermoelektrischen Pel­ tier-Elementen kühlbar ist.
6. Batterie nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß weniger Peltier-Elemente vorgesehen sind als Zellverbinder (V, S) an der zumindest einen Stirnseite vorhanden sind.
7. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte hohl ausgeführt und durch ein Kühlmedium kühlbar ist.
8. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte Aushebungen aufweist, die zur möglichst paßgenauen Montage der zumindest einen Kühlplatte auf die Zellverbinder (V, S) vorgesehen ist.
9. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellverbinder (V, S) an der Stirnseite eine möglichst ebene Fläche bilden.
10. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte aus Aluminiumnitrid oder Me­ tall gebildet ist.
11. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kühlplatte Bestandteil einer Einrichtung zur Verdampfung eines Kühlmittels einer Klimaanlage ist.
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