DE102005031504A1

DE102005031504A1 - Prismatische Batterie aus mehreren Einzelzellen

Info

Publication number: DE102005031504A1
Application number: DE200510031504
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Wegner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20070018610A1; US7572549B2

Abstract

Eine prismatische Batterie besteht aus mehreren Einzelzellen, von welchen wenigstens zwei zu einem prismatischen Modul zusammengefasst sind. Jeweils wenigstens zwei der Module sind wiederum zu der Batterie gestapelt und zwischen zwei Endplatten miteinander verspannt. Die prismatische Batterie weist ferner wenigstens einen Kühlkörper auf, welcher mit wenigstens einem der Module in wärmeleitendem Kontakt steht. Erfindungsgemäß weist dieser Kühlkörper wenigstens eine Kühlrippe auf, welche parallel zur Kraftrichtung der Verspannung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine prismatische Batterie bestehend aus mehreren Einzelzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batterien, insbesondere so genannte Hochleistungsbatterien auf der Basis von Nickelmetallhydrid oder Lithium, wie sie in heutigen Anwendungen zum Antrieb von Fahrzeugen, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, häufig Anwendung finden, bestehen typischerweise aus gestapelten prismatischen Modulen. Mehrere solcher Module sind dann jeweils zu der Batterie zusammengefasst. Die einzelnen Module enthalten die elektrochemischen Zellen der Batterie, wobei typischerweise mehrere derartige Zellen in einem Modul angeordnet sind.
Ferner weisen die Module typischerweise an ihren schmalen, sich gegenüber liegenden Seiten je einen elektrischen Anschluss auf. Der Stapel aus den einzelnen Modulen, welcher die Batterie bildet, wird dann zumeist über mechanische Endplatten und Zuganker zu der Batterie verspannt. Die Endplatten und Zuganker dienen neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken. Derartige Hochleistungsbatterien benötigen außerdem eine Kühlung, um die benötigte Betriebstemperatur in der Batterie sicherzustellen.

So ist beispielsweise aus der EP 1 117 138 A1 eine derartige Batterie mit prismatischen Modulen bekannt, bei welcher zwischen den einzelnen Modulen entsprechende Abstandshalter, beispielsweise in der Art von Wellblechen oder dergleichen, eingelegt werden. Dadurch entstehen zwischen den einzelnen Modulen Kanäle, welche zum Zwecke der Kühlung mit einem Kühlmedium, insbesondere mit Luft, durchströmt werden können.

Bei dieser Kühlung durch Konvektion werden wegen der größeren Kontaktfläche mit dem Kühlmedium die äußeren Bereiche der einzelnen in den Modulen liegenden elektrochemischen Zellen stärker gekühlt als deren inneren zentralen Bereiche. Somit kommt es zu einer stärkeren Abkühlung der an den Modulaußenflächen gelegenen Elektroden im Vergleich zu denen, welche weiter im Inneren des Moduls liegen. Zusätzlich wirkt die im Bereich der äußeren Zellen angeordnete elektrische Ableitung, welche typischerweise ebenfalls Wärme leitet, so, dass es zu einer stärkeren Kühlung der äußeren Zelle des Moduls kommt. Zuletzt werden noch die einzelnen Module einer derartigen Batterie unterschiedlich stark gekühlt, da auch hier die im Bereich der Endplatten angeordneten Module aufgrund der kühleren Endplatten in ihrer unmittelbaren Umgebung eine stärkere Kühlung erfahren als die in der Mitte des Stapels angeordneten Module.

Die ungleichmäßige Kühlung der einzelnen elektrochemischen Zellen in dem Modul führt dann zu ungleichmäßigen Zellspannungen im Betrieb des Moduls und zu einer deutlich schnelleren Alterung der wärmeren Zellen in der Mitte des Moduls. Diese Alterung äußert sich in einer Zunahme des Innenwiderstands und einer damit verbundenen Kapazitätsabnahme der einzelnen Zelle. Da die einzelnen elektrochemischen Zellen jedoch typischerweise in Reihe geschaltet sind, ist die nutzbare Gesamtkapazität der Batterie nicht größer als die Kapazität der elektrochemischen Zelle mit der kleinsten Kapazität. Die Anwendung der Batterie, beispielsweise in einem Fahrzeug, kann daher bereits durch einen alterungsbedingten Kapazitätsverlust einer einzigen Zelle stark eingeschränkt werden. Um dem bestmöglich entgegenzuwirken sind sehr aufwändige und insbesondere große Kühleinrichtungen notwendig, welche insbesondere im beengten verfügbaren Raum in Kraftfahrzeugen schwer unterzubringen sind.

Ferner weist die Verwendung von Luft als Kühlmedium, beispielsweise in der oben genannten EP-Schrift den Nachteil auf, dass entsprechend großvolumige Luftkanäle, Luftfilter und Ventilatoren notwendig sind, um die zur Kühlung benötigte Luftmenge zu fördern. Des weiteren ist es problematisch, eine Luftkühlung zu realisieren, da die Eingangstemperatur der verwendeten Luft für eine effektive Kühlung nicht allzu hoch liegen darf. Bei der Anwendung in einem Fahrzeug heißt dies insbesondere, dass die Kühlung der Batterie von den Bedingungen der Kühlluft abhängig ist. Herrscht beispielsweise eine extrem hohe Umgebungstemperatur, so kann die Batterie nicht dermaßen effizient gekühlt werden, wie bei deutlich niedrigeren Umgebungstemperaturen.

Eine Alternative zur erläuterten Kühlung ist durch die US 5,756,227 beschrieben. Hier wird anstelle der Kühlung über Konvektion zur primären Wärmeableitung eine Kühlung über Konduktion praktiziert. Dafür werden zwischen die einzelnen Module Kühlrippen integriert. Diese Kühlrippen enden in einem gemeinsamen Grundelement, welches dann wiederum durch Konvektion gekühlt wird. Diese Konvektion kann beispielsweise durch Luft oder durch entsprechende Kühlleitungen mit flüssigem Kühlmedium realisiert werden.

Problematisch bei dem Aufbau gemäß der genannten US-Schrift ist dabei, dass durch die starren Kühlrippen eine gleichmäßige mechanische Verspannung des Stapels aus den Modulen nicht mehr möglich ist. Bei einem Gasdruckaufbau in den einzelnen Zellen kommt es deshalb zu entsprechenden Auswölbungen an der äußeren Gehäusewand der Module. Somit bilden sich zwischen dem Modul und der Kühlrippe aufgrund der Verformung des Moduls durch den in ihm ansteigenden Druck Luftspalte aus, die zu einem wärmetechnischen Kontaktverlust des Moduls mit den Kühlrippen führen. Auch so kann also keine gleichmäßige Kühlung sichergestellt werden. Somit ergeben sich auch hier die oben bereits erläuterten Nachteile einer schlechten und insbesondere ungleichmäßigen Kühlung der einzelnen Zellen der Module.

Um die genannte Problematik zu umgehen, schlägt die EP 1 278 263 A2 einen entsprechenden Aufbau einer prismatischen Batterie vor, bei welchem metallische Kühlrippen in das Material der Module integriert sind.

Der oben genannte Aufbau kann die genannten sich durch Kontaktverlust der Zellen zu den Kühlrippen ergebenden Probleme zumindest ansatzweise umgehen. Er weist jedoch den Nachteil auf, dass zum Erreichen einer ausreichend hohen Stabilität eines derartigen Materialaufbaus mit integrierter Metallplatte entsprechend hohe Materialdicken notwendig sind. Diese hohen Materialdicken, welche typischerweise aus Kunststoffmaterial bestehen, welches die Ummantelung der Metallplatten bildet, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie die Wärme entsprechend schlecht leiten.

Ferner ist im Falle der integrierten Metallplatten gemäß der genannten EP-Schrift die thermische Ankopplung der Metallplatten an die gekühlte Bodenplatte extrem schwierig. Die Lage der Wärme ableitenden Kontakte der integrierten Metallplatten auf der Bodenplatte wird sich beim Betrieb der Batterie entsprechend dem Gasdruck in den einzelnen Modulen sowie der Elastizität der Zuganker, die die einzelnen Module über die Endplatten zu dem Stapel verspannen, ändern. Die Wärme ableitenden Kontakte der integrierten Metallplatten müssen deshalb auf der gekühlten Bodenplatte gleiten können. Allein diese Aufgabe, welche aufgrund der unvermeidbaren druckbedingten Ausdehnungen in dem Batteriestapel notwendig ist, lässt erkennen, dass es kaum möglich sein wird, für sämtliche Betriebsphasen eine saubere und unterbrechungsfreie Konduktion der Wärme von den integrierten Metallplatten auf die Bodenplatte zu ermöglichen.

Als weiterer Nachteil ist sicherlich auch anzusehen, dass der Aufbau der Module aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlich großen Wärmeausdehnungskoeffizienten als kritisch anzusehen ist. Derartige Module durchlaufen über ihre Lebensdauer zusätzlich sehr oft auch hochdynamische Temperaturschwankungen in der Größenordnung von 20 K bis zu 100 K. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der integrierten Metallplatten gegenüber dem typischerweise aus Kunststoff bestehenden Material der Module kommt es sehr leicht zu einem Ablösen des Kunststoffs von den integrierten Metallplatten. Dadurch entstehen auch bei diesem Aufbau Luftspalte, welche sowohl die Wärmeleitfähigkeit massiv beeinträchtigen als auch die wegen der Druckschwankungen wichtige mechanische Stabilität von derartigen Modulen deutlich verringern.

Es ist nun Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine prismatischen Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Art weiterzubilden, dass die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können und ein einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau für eine Batterie ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Kernidee zielt auf die Konstruktion eines Kühlkörpers für einen Stapel aus prismatischen Modulen, welche in Richtung des Stapels mittels Endplatten und Zuganker mechanisch zu einer Batterie verspannt sind. Die Kühlrippen des erfindungsgemäßen Kühlkörpers laufen dabei parallel zur Zugrichtung dieser Verspannung. Der Wärmefluss aus den einzelnen elektrochemischen Zellen hin zu den Kühlrippen des Kühlkörpers erfolgt so vorwiegend senkrecht zur Zugrichtung der Verspannung. Somit beeinflusst eine Ausdehnung der einzelnen Module aufgrund von in ihnen entstehenden Drücke den Kontakt zwischen den einzelnen Module und den Kühlrippen nicht, da diese längs der primären Ausdehnungsrichtung der Module angeordnet sind. Ferner kann es dadurch auch zu einer gleitenden Bewegung des Modulstapels in Richtung der Endplatten infolge der Gasdruckänderung in den Modulen kommen, ohne dass der Kontakt zu den Kühlrippen und die Kühlleistung hiervon beeinträchtigt wird.

Dies erlaubt es, die erfindungsgemäße Batterie besonders einfach, kompakt und effizient gekühlt auszubilden, so dass diese sich beispielsweise für den bevorzugten Anwendungszweck als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug besonders gut eignet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sieht es außerdem vor, dass jedes der prismatischen Module, insbesondere zwischen den Einzelzellen angeordnete, in Kraftrichtung der Verspannung verlaufende, schlitzförmige Ausdehnungen aufweist, in welchen bei montierter Batterie die Kühlrippen angeordnet sind.

Damit werden die einzelnen Zellen des Moduls unabhängig von ihrer Position in dem Modul und die einzelnen Module unabhängig von ihrer Position im Modulstapel durch den Kühlkörper gleichmäßig und effizient gekühlt. Insbesondere bei einer Anordnung der Schlitze zwischen den Einzelzellen und einem Einbringen der Kühlrippen in die Schlitze wird es möglich, dass die in jeder elektrochemischen Zelle vorhandenen Elektrodenstapel längs der sehr gut leitenden metallischen Elektrodenfolien über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels gleichmäßig gekühlt werden, da kein Wärmefluss in Richtung des Stapels erforderlich ist, sondern die Ableitung der Wärme senkrecht zu den einzelnen Folien der Elektroden an die Kühlrippen erfolgen kann. Bei einem derartigen Aufbau sind sowohl die einzelnen elektrochemischen Zellen in den Modulen als auch die Module selbst durch die Kühlrippen in horizontaler Richtung quer zur Verspannung des Stapels bereits fixiert und können durch den Kühlkörper beispielsweise von ihrer Unterseite aus oder beim Einsatz von mehreren Kühlkörpern, welche von oben und von unten in die Module eingreifen, von beiden Seiten aus gegen mechanische Beschädigungen geschützt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel, welches anhand der Zeichnung näher erläutert wird.
Dabei zeigen:
1 ein einzelnes prismatisches Modul einer Batterie;
2 ein einzelnes prismatisches Modul einer Batterie gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt;
3 ein einzelnes prismatisches Modul einer Batterie gemäß der Erfindung im Querschnitt;
4 einen Teil des erfindungsgemäßen Moduls ohne die elektrochemischen Zellen im Querschnitt;
5 einen Teil des erfindungsgemäßen Kühlkörpers im Querschnitt;
6 eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls im Querschnitt;
7 eine alternative Ausgestaltung des Kühlkörpers gemäß der Erfindung;
8 eine erfindungsgemäße Batterie in einer beispielhaften Ausführung in Explosionsdarstellung; und
9 die erfindungsgemäße Batterie gemäß 8 in zusammengebauten Zustand.
In 1 ist ein einzelnes Modul 1 einer in ihrer Gesamtheit später dargestellten Batterie 2 zu erkennen. Dieses Modul 1 besteht typischerweise aus mehreren einzelnen elektrochemischen Zellen 3, welche in der hier gewählten Darstellung im Inneren des Moduls 1 im Verborgenen liegen. Ferner weist das Modul 1 zwei elektrische Anschlüsse 4 auf, von denen hier einer zu erkennen ist.
In 2 ist ein solches Modul 1 in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung erkennbar.
Neben den beiden elektrischen Anschlüssen 4 sind hier auch die einzelnen elektrochemischen Zellen 3 im Inneren des Moduls 1 zu erkennen. Die einzelnen elektrochemischen Zellen 3 bestehen dabei jeweils aus abwechselnd übereinander gestapelten Elektroden, welche typischerweise als Metallplättchen oder Metallfolien ausgebildet sind, und dazwischen angeordneter aktiver Masse und Elektrolyt. Einige einzelne dieser als Elektroden dienenden Folien sind in 2 schematisch zu erkennen und tragen das Bezugszeichen 5.
Das hier dargestellte Modul 1 weist sechs derartige elektrochemische Zellen 3 auf. Die einzelnen Zellen 3 sind durch Stege 6 voneinander getrennt. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Zellen 3 untereinander erfolgt mittels Kontaktelementen, welche über diese Stege 6 hinweg die einzelnen Zellen 3 miteinander verbinden. Prinzipiell wäre auch jeder andere Aufbau des Moduls 1 denkbar, beispielsweise ein Aufbau, bei welchem von beiden Seiten derartige Stege zwischen die Einzelzellen hineinragen und bei welchen die Kontaktierung durch zwischen den beiden Stegen dann verbleibenden Öffnungen erfolgen könnte. Ein derartiger Aufbau könnte den Vorteil bieten, dass das Gehäuse des Moduls 1 aus zwei identisch aufgebauten Teilen gefertigt werden könnte, welche dann einfach aufeinander gestapelt werden. Außerdem kann dadurch die Länge des immer auch Widerstands-behafteten Strompfades durch das Modul, entsprechend verringert werden. Somit sinkt der Modulwiderstand und die dortige Wärmeentwicklung.
In 3 ist dasselbe Modul 1 nun in einer Ausführung gemäß der Erfindung zu erkennen. Das Modul 1 zeigt im wesentlichen denselben Aufbau, wie er oben in 2 bereits beschrieben wurde. Zusätzlich zu dem dort beschriebenen Aufbau weisen die Stege 6 des Moduls 1 Ausnehmungen 7 auf. Diese Ausnehmungen 7 in den Stegen 6 laufen als eine Art Schlitze jeweils quer zur Ausdehnungsrichtung der Elektroden 5 durch das Modul 1. In den hier dargestellten Ausführungsformen des Moduls 1 sind diese Ausnehmungen 7 durch Kühlrippen 8 eines Kühlkörpers 9 gefüllt. Die mit dem zentralen Kühlkörper 9 verbunden Kühlrippen 8 ragen also in die Ausnehmungen 7 der Stege 6 hinein. Dadurch können sie die Wärme durch die Stege 6 hindurch von den Seitenkanten der Einzelzellen 3 und damit unmittelbar von allen ihren Elektroden 5 ableiten. Der Kühlkörper 9 kann dann in einer hier exemplarisch angedeuteten Öffnung 10 als Kühlkanal von einem beispielsweise flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt werden, so dass die über die Kühlrippen 8 aus den Einzelzellen 3 abgeführte Wärme durch den Kühlkörper abgeleitet werden kann.
Dieser Aufbau ist in den nachfolgenden Darstellungen von 4 und 5 nochmals in auseinander gebautem Zustand deutlicher zu erkennen. In 4 ist nochmals der Querschnitt durch das Modul 1 zu erkennen, wobei hier lediglich das Gehäuse des Moduls 1 ohne die elektrochemischen Zellen 3, die elektrische Kontaktierung sowie die elektrischen Anschlüsse 4 dargestellt ist. Deutlich ist hier zu erkennen, dass in jedem der Stege 6 eine Ausnehmung 7 angeordnet ist, in welche später in zusammengebautem Zustand der Batterie 2 die Kühlrippen 8 des in 5 dargestellten Abschnitts des Kühlkörpers 9 eingreifen.
Der Kühlkörper 9 selbst, in welchem in 5 nur ein Abschnitt dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem Grundelement 11 mit der darin befindlichen Öffnung 10 zur Kühlung des Kühlkörpers 9. An diesem Grundelement 11 sind dann die einzelnen Kühlrippen 8 angebracht. Die Kühlrippen 8 erstrecken sich in ihrer größten Ausdehnung quer zur größten Ausdehnungsrichtung der Module 1 und werden in die Ausnehmungen 7 der Module 1 eingeschoben. Damit die Module 1 in bevorzugter Art und weise über gießtechnische Herstellungsverfahren hergestellt werden können und die Aufnahme der Kühlrippen 8 bei der Montage der Batterie 2 einfach erfolgen kann, sind sowohl die Kühlrippen 8 als auch die Ausnehmungen 7 sich in wenigstens einer Richtung verjüngend ausgebildet. Insbesondere ist die bevorzugte Richtung, in der sich die Kühlrippen 8 verjüngen, so ausgebildet, dass sich diese, ausgehend von dem Grundelement 11, in Richtung der diesem Grundelement 11 abgewandten Seite hin verjüngen. Bei einer korrespondierenden Ausgestaltung der Ausnehmungen 7 können die einzelnen Module 1 so einfach auf die Kühlrippen 8 des Kühlkörpers 9 aufgeschoben werden. Sie werden damit ohne weiteres Zutun bereits durch ihre Schwerkraft gegen den Kühlkörper 9 gepresst. Dadurch kann eine großflächige und sichere Kontaktierung zwischen den Wandungen der Ausnehmung 7 und den Kühlrippen 8 realisiert werden.
In 6 ist eine alternative Ausgestaltung des Gehäuses des Moduls 1 erkennbar. Anstelle der mit den Ausnehmungen 7 versehenen Stege 6, welche bei den bisherigen Ausführungen immer einstückig mit dem Gehäuse des Moduls 1 aus einem Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, hergestellt worden sind, sind die Wandungen der Ausnehmungen 7 sowie die ebenfalls mit einer der Kühlrippen 8 in Kontakt stehenden Seitenflächen 12 des Moduls 1 jeweils aus einem keramischen Material ausgebildet. Diese keramischen Inserts 13 können dabei bei der Herstellung des Gehäuses des Moduls 1 so in die entsprechenden Spritzformen eingelegt werden, dass sich ein formschlüssiger Kontakt zwischen den keramischen Inserts 13 und dem Rest des Gehäuses ergibt. Die keramischen Inserts 13 werden dabei nicht vollflächig sondern bevorzugt n ur im Randbereich von dem Material des Restgehäuses ummantelt. Die keramischen Inserts 13 stellen bei einem derartig aufgebauten Gehäuse des Moduls 1 dann den Kontakt zwischen den zwischen sie eingebrachten Kühlrippen 8 und den – hier nicht dargestellten – elektrochemischen Zellen 3 sicher. Da Keramik bei elektrisch isolierenden Eigenschaften eine um den Faktor 80 bis 100 höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein entsprechender Kunststoff, kann mit einem derartigen Aufbau des Moduls 1 eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr aus den elektrochemischen Zellen 3 des Moduls 1 an die Kühlrippen 8 und damit den Kühlkörper 9 erreicht werden.
7 zeigt nun eine typische Ausgestaltung eines Kühlkörpers 9, welche in dem hier dargestellten Beispiel von unten in die Module 1 bzw. die Ausnehmungen 7 in den Modulen 1 ragt. Wie bereits erwähnt, könnte in einem entsprechenden Aufbau der Module 1 auch das Anbringen mehrerer derartiger Kühlkörper 9, beispielsweise einen von oben und einen von unten, denkbar sein.
Der hier dargestellte Kühlkörper 9 weist neben den bereits beschriebenen Kühlrippen 8 eine besondere Ausgestaltung seines Grundelements 11 auf. Das Grundelement 11 ist so ausgebildet, dass es im Bereich der zentral angeordneten Zellen 3 der Module 1 eine höhere Dicke aufweist. Durch diese in Richtung der größten Ausdehnung der Module 1 verlaufende Änderung der Dicke können unterschiedliche Wärmemengen, welche an den einzelnen elektrochemischen Zellen 3 des Moduls anfallen, entsprechend abgeführt werden. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel verdickt sich das Grundelement 11 des Kühlkörpers 9 dabei in der Mitte. Wie bereits eingangs erwähnt, erfahren die mittleren Zellen 3 des jeweiligen Moduls 1 typischerweise eine schlechtere Kühlung als die im Randbereich des Moduls 1 liegenden Zellen 3. Dies ist unter anderem auf die fehlenden Wärme produzierenden Nachbarn und auf die Wärmeableitung durch die elektrischen Anschlüsse zurückzuführen. In dem Bereich des Grundelements 11, in dem dieses eine größere Dicke aufweist, wird nun jedoch mehr Wärme abgeleitet als in den entsprechenden Bereichen geringerer Dicke. Damit kann durch eine Variation der Dicke des Grundelements 11 eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr aus dem Bereich der einzelnen Zellen 3 der Module 1 gewährleistet werden.
Ferner ist in 7 eine Rohrleitung 14 als Kühlkanal zu erkennen, welche die in den vorhergehenden Figuren dargestellte Öffnung 10 im Bereich des Grundelements 11 des Kühlkörpers 9 ersetzt. An diese Leitung 14 kann beispielsweise der Kreislauf eines flüssigen Kühlmediums oder eines Kühlmediums auf der Basis einer Zwei-Phasen-Mischung angeschlossen werden, welcher den Kühlkörpers 9 und letztendlich die Batterie 2 aktiv kühlt.
Beim bevorzugten Einsatz einer derartigen Batterie 2 in einem Kraftfahrzeug kann der Anschluss der Leitung 14 zur aktiven Kühlung des Kühlkörpers 9 beispielsweise auch an eine Fahrzeugklimaanlage erfolgen. Der Kühlkörper 9 bzw. die mit ihm in Verbindung stehende Leitung 14 wird dann von dem dekomprimierten Kühlmittel der Klimaanlage durchströmt. Dadurch kann, unabhängig von der Umgebungstemperatur und dem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, bei laufender Klimaanlage immer eine ausreichende Kühlung der Batterie 2 mittels des Kühlkörpers 9 erzielt werden. Aufgrund des sich nach außen verjüngenden Grundelements 11 und der zentral in dessen dickstem Bereich angeordneten aktiven Kühlung über die Leitung 14 kann außerdem eine sehr gleichmäßige Kühlung der gesamten Batterie über den Kühlkörper 9 mit seinen Kühlrippen 8 sichergestellt werden.
In 8 ist nun der Aufbau einer gesamten Batterie 2 in einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Die Batterie 2 besteht hier aus einer Vielzahl von Modulen 1, welche zu einem Stapel zusammengefügt sind. Die einzelnen Module weisen dabei die bereits angesprochenen Ausnehmungen 7 auf, welche in 8 sehr schlecht zu erkennen sind. Die Module werden als Stapel zusammengesetzt und auf die Kühlrippen 8 des Kühlkörpers 9 aufgesetzt. Die einzelnen Kühlrippen 8 des Kühlkörpers 9 verlaufen somit quer zur Hauptausdehnungsrichtung der einzelnen Module 1 durch die Ausnehmungen 7 in den Modulen 1.
Um die ansonsten beim Aufbau einer derartigen Batterie üblichen Zuganker einzusparen, können die Kühlrippen 8 bzw. der Kühlkörper 9 gleichzeitig zu mechanischen Stabilisierung der Batterie genutzt werden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden dazu in die Enden der Kühlrippen 8 Schlitze 15 eingebracht. Die einzelnen Module 1 werden als Stapel auf die Kühlrippen 8 aufgesetzt und miteinander verspannt. Dann werden diese durch in die Schlitze 15 eingeführte Endplatten 16 auf Spannung zueinander gehalten. Die Kühlrippen 8 und/oder das Grundelement 11 des Kühlkörpers 9 dienen dabei dann als Zuganker, durch welche der Stapel an Modulen 1 miteinander verspannt gehalten wird.
Um eine übermäßige Kühlung der beiden den beiden Endplatten 16 zugewandten Module 1 zu verhindern und eine ausschließliche Kühlung über die Kühlrippen 8 sicherzustellen, werden zwischen die Endplatten 16 und die Module 1 wärmedämmende Platten 17 eingebracht. Somit wird eine gleichmäßige Kühlung aller Module 1 durch die Kühlrippen 8 sichergestellt.
Neben der hier dargestellten Ausgestaltung zur Verspannung der Module 1 über die in den Schlitzen 15 befestigten Endplatten 16 sind auch andere Varianten der Befestigung der Endplatten 16 an den dann als Zuganker genutzten Kühlrippen 8 und/oder Grundelement 11 denkbar. Dies könnten beispielsweise weitere formschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen, Spannbänder, Schrauben und Ähnliches sein. Im Prinzip wären all die Mittel denkbar, welche sicherstellen, dass die Endplatten durch die Kühlrippen 8 und/oder das Grundelement 11 gegen den Stapel aus den Modulen 1 verspannt sind.
Außerdem ist in 8 die demontierte Leitung 14 zu erkennen, welche beim hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel der Batterie 2 als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug an die Klimaanlage des Fahrzeugs anschlossen ist und zu Kühlung von deren vom dekomprimierten Kühlmittel durchströmt wird.
In 9 ist abschließend derselbe Aufbau nochmals in zusammengebautem Zustand zu erkennen. Durch die beschriebene Ausgestaltung der Batterie ist dabei eine gleichmäßige und effiziente Kühlung derselben über alle Module 1 und alle elektrochemischen Zellen 3 hinweg möglich. Dabei ist der mechanische Aufbau ausgesprochen klein und kompakt. Der Kühlkörper 9 kann insgesamt als mechanische Aufnahme und/oder Teil des Gehäuses der Batterie 2 ausgebildet sein. In der Darstellung gemäß 9 ist beispielsweise erkennbar, dass der Kühlkörper 9 den unteren Teil des Batteriegehäuses bildet, welcher dann über entsprechende Aufnahmelaschen 18 z.B. in einer Halterung oder an einer Fahrzeugkarosserie verschraubt werden kann.

Claims

Prismatische Batterie bestehend aus mehreren Einzelzellen, von welchen jeweils wenigstens zwei zu einem prismatischen Modul zusammengefasst sind, und wobei wenigstens zwei der Module zu der Batterie gestapelt und zwischen zwei Endplatten miteinander verspannt sind, mit wenigstens einem mit den Modulen in wärmeleitendem Kontakt befindlichen Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) wenigstes eine Kühlrippe (8) aufweist, welche parallel zur Kraftrichtung der Verspannung ausgebildet ist.
Prismatische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) ein flächiges Grundelement (11) aufweist.
Prismatische Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (8) sich in Richtung ihrer dem Grundelement (11) abgewandten Seite hin verjüngen.
Prismatische Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) im Bereich des Grundelements (11) Kühlkanäle (10, 14) aufweist.
Prismatische Batterie nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (11) des Kühlkörpers (9) eine sich quer zur Kraftrichtung der Verspannung verändernde Dicke aufweist.
Prismatische Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (11) des Kühlkörpers (9) quer zur Kraftrichtung der Verspannung mittig dicker ausgebildet ist als an den entsprechenden Rändern.
Prismatische Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der prismatischen Module (1), insbesondere zwischen den Einzelzellen (3) angeordnete, in Kraftrichtung der Verspannung verlaufende schlitzförmige Ausnehmungen (7) aufweist, in welchen bei montierter Batterie (2) die Kühlrippen (8) angeordnet sind.
Prismatische Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) sich in einer Richtung senkrecht zu der Kraftrichtung der Verspannung hin verjüngen.
Prismatische Batterie nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) im Bereich ihrer Wandungen zumindest teilweise aus keramischem Material (13) ausgebildet sind.
Prismatische Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (8) mit den Endplatten (16) in der Art verbindbar sind, dass die Endplatten (16) eine aufeinander zu gerichtete Kraft erfahren.
Prismatische Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) aktiv kühlbar ist.
Prismatische Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Kühlkörper (9) vorhanden sind.
Verwendung einer prismatischen Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Hybrid-Antrieb.
Verwendung einer prismatischen Batterie nach einem der Ansprüche 4 bis 12, in einem Fahrzeug mit Klimaanlage wobei die Kühlkanäle (10, 14) in dem Grundelement (11) des Kühlkörpers (9) von dem Arbeitsmedium der Klimaanlage durchströmt sind.