DE102006047926A1

DE102006047926A1 - Batterievorrichtung mit wenigstens einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102006047926A1
Application number: DE200610047926
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuthner; Mario Roessler; Steffen Kunkel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-17
Also published as: WO2008043699A1

Abstract

Es wird eine Batterievorrichtung (2) mit wenigstens einer Batteriezelle (1), die einen Hohlraum (3) aufweist, der von einem äußeren Zellmantel (4) und einem inneren Zellmantel (5) begrenzt ist, beschrieben. Auf der dem Hohlraum (3) abgewandten Seite des inneren Zellmantels (5) ist ein Kanal (6) vorgesehen. Der Kanal (6) ist wenigstens bereichsweise von einem Fluid durchströmbar und es ist wenigstens im Bereich des Kanals (6) über den inneren Zellmantel (5) Wärme aus dem Hohlraum (3) an das Fluid abgebbar. Erfindungsgemäß sind dem inneren Zellmantel (5) im Bereich des Kanals (6) wenigstens abschnittsweise eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem inneren Zellmantel (5) und dem Fluid vergrößernde Mittel (7) zugeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung mit wenigstens einer Batteriezelle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Bestehende Batteriezellen, wie beispielsweise Li-Ionen-Zellen, sind mit einem aus einer Kupferfolie gebildeten Anodenmaterial sowie mit einem als Aluminiumfolie ausgebildeten Kathodenmaterial ausgeführt. Die beiden Metallfolien sind durch isolierende Separatorfolien getrennt. Sowohl die Metallfolien als auch die isolierenden Separatorfolien sind in montiertem Zustand gewickelt und in einem vorzugsweise als Becher ausgeführten äußeren Zellmantel, der gleichzeitig als Minuspol dient, angeordnet. Der Pluspol der Batteriezelle wird von einer der Stirnflächen einer Batteriezelle gebildet. Der Becher enthält neben der Elektroden-Separator-Wicklung Anschlusskontakte, einen Elektrolyten, ein Sicherheitsventil sowie eine sogenannte PTC (Positiv Temperature Coefficient) als thermische Sicherung. Neben einer zylindrischen Ausführung sind auch prismatisch aufgebaute Batteriezellen bekannt.
Aufgrund des endlichen Innenwiderstandes derartiger Batteriezellen wird im Betrieb Wärme frei, wobei die Verlustleistung bei angestrebten Strömen von 20 Ampere (A) und Innenwiderständen von 60 mOhm (mΩ) immerhin 54 Watt (W) beträgt, was jedoch unerwünscht ist.
Die Wärmeableitung erfolgt über die Oberfläche einer Batteriezelle, wobei sich die an die Umgebung abgegebene Wärme durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz beschreiben lässt. Für einen guten Wärmeübertrag beziehungsweise eine angestrebte Kühlung einer Batteriezelle ist eine ausreichende Wärmeaustauschfläche der Batteriezelle gegenüber der Umgebung sowie eine niedrige Umgebungstemperatur notwendig. Letztere wird insbesondere während einer Lade- Phase der Batteriezelle durch eine vorzugsweise erzwungene Luftkühlung erreicht, wobei der abgeführte Wärmestrom zu der Oberfläche der Batteriezelle direkt proportional ist.
Der bei den vorbeschriebenen Batteriezellen abgeführte Wärmestrom ist nachteilhafterweise derart gering, dass im Betrieb der bekannten Batteriezellen die Verlustleistung hohe Werte annimmt.
Aus der DE 103 58 582 A1 ist eine Batterie mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten Batteriezellen bekannt, die jeweils mit Mitteln zum Wärmetransport ausgebildet sind, um eine Wärmeabfuhr aus der Batterie gegenüber den vorbeschriebenen Batteriezellen zu verbessern. Jede Batteriezelle umfasst eine Puppe, die von einem Zellmantel umgeben ist und mit diesem in vorgebbarer Weise in Verbindung steht, wobei die Puppe und der Zellmantel Mittel zur Wärmeableitung bilden.
Die einen inneren Zellmantel einer Batteriezelle ausbildende Puppe wird mit einem sich in Längsrichtung einer Batteriezelle erstreckenden Kanal ausgeführt, welcher von einem Fluid, wie einem Gas oder einer Flüssigkeit durchströmbar ist. Im Betrieb einer Batteriezelle entstehende Wärme ist unter anderem im Bereich zwischen dem inneren Zellmantel beziehungsweise der Puppe und dem Fluid über die Wärmeaustauschfläche, welche der inneren Mantelfläche des inneren Zellmantels entspricht, austauschbar.
Offenbarung der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung mit wenigstens einer Batteriezelle, die einen Hohlraum aufweist, der von einem äußeren Zellmantel und einem inneren Zellmantel begrenzt ist, wobei auf der dem Hohlraum abgewandten Seite des inneren Zellmantels ein Kanal vorgesehen ist, der wenigstens bereichsweise von einem Fluid durchströmbar ist, ist wenigstens im Bereich des Kanals über den inneren Zellmantel Wärme aus dem Hohlraum an das Fluid abgebbar. Erfindungsgemäß sind dem inneren Zellmantel im Bereich des Kanals wenigstens abschnittsweise eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem inneren Zellmantel und dem Fluid vergrößernde Mittel, wie beispielsweise Stege, Kühlrippen oder dergleichen, zugeordnet.
Die erfindungsgemäße Batterievorrichtung ist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Batterien durch eine verbesserte Wärmeabfuhr und damit durch einen geringeren Innenwiderstand gekennzeichnet. Zusätzlich wird die Hochstromfähigkeit einer Batteriezelle, insbesondere bei einer Dauerbelastung, bei gleichen äußeren Abmessungen wie einer Standardzelle verbessert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterievorrichtung sind die Elektroden aus Folien gebildet, wobei eine der Elektroden mit ihrem einen Ende mit dem inneren Zellmantel und die andere Elektrode mit ihrem einen Ende mit dem äußeren Zellmantel, vorzugsweise durch Verschweißung fest verbunden ist, wobei durch die feste Verbindung der Folien mit dem inneren beziehungsweise mit dem äußeren Zellmantel auf einfache Art und Weise ein verbesserter Wärmeübergang und somit ein verbesserter Wärmeaustausch mit der Umgebung beziehungsweise mit einem durch den Kanal strömenden und/oder einen den äußeren Zellmantel umströmenden Fluid erhöht ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung sowie der Zeichnung entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht einer Batterievorrichtung;
2 eine stark vereinfachte schematische Draufsicht der Batterievorrichtung gemäß 1; und
3 einen inneren Zellmantel der Batterievorrichtung gemäß 1 mit angeschweißter Elektrodenfolie in Alleinstellung.
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer zylindrisch ausgeführten Batteriezelle 1 einer mehrere Batteriezellen aufweisenden Batterievorrichtung 2 dargestellt. Die Batteriezelle 1 weist einen Hohlraum 3 auf, der von einem äußeren Zellmantel 4 und einem inneren Zellmantel 5 begrenzt ist.
Auf der dem Hohlraum 3 abgewandten Seite des inneren Zellmantels 5 ist ein Kanal 6 vorgesehen, der von einem Fluid durchströmbar ist und wenigstens im Bereich des Kanals 6 über den inneren Zellmantel 5 Wärme aus dem Hohlraum 3 an das durch den Kanal 6 strömende Fluid abgibt.
Zur Erhöhung einer Wärmeaustauschfläche zwischen dem inneren Zellmantel 5 und dem Fluid ist der innere Zellmantel 5 im Bereich des Kanals 6 vorliegend mit Stegen bzw. Kühlrippen 7 ausgeführt, welche mit dem inneren Zellmantel 5 verschweißt und über den inneren Umfang des inneren Zellmantels 5 gleichmäßig verteilt angeordnet sind sowie mit einer definierten Steghöhe in der in der 1 und in der 2 dargestellten Art und Weise in den Kanal 6 vorkragen.
Wird der Kanal 6 der Batteriezelle 1 gemäß 1 statt einem gasförmigen Fluid von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, ist die erzwungene Kühlung der Batteriezelle 1 im Bereich des Kanals verbessert, wobei insbesondere bei zylindrisch ausgeführten Batteriezellen das flüssige Kühlmedium auf einfache Art und Weise durch entsprechende Schlauchanschlüsse durch den Kanal führbar ist.
Der äußere Zellmantel 4 stellt vorliegend den Minuspol der Batteriezelle dar und ist mit einer in 3 dargestellten Anodenfolie 8 fest verbunden. Der Pluspol der Batteriezelle 1 wird von einem eine Stirnfläche der Batteriefläche darstellenden Deckel 9 und dem inneren Zellmantel 5 gebildet. Der innere Zellmantel 5, der vorliegend als Hohlzylinder ausgeführt ist, dient bei der Herstellung der Batteriezelle als Wickelkörper für die Anodenfolie 8, für eine mit dem inneren Zellmantel 5 verschweißte Kathodenfolie 10 und jeweils zwischen der Kathodenfolie 10 und der Anodenfolie 8 angeordneten Separatorfolien 11 und 12.
Da der innere Zellmantel 5 mit der Kathodenfolie 10 verbunden ist und über seine gesamte Länge als Stromableiter fungiert, ist die Kathodenfolie 10 über die gesamte Länge des inneren Zellmantels 5 mit diesem verschweißbar. Damit wird auf einfache Art und Weise die Stromverteilung über die gesamte Elektrodenfläche positiv beeinflusst und ein Innenwiderstand der Batteriezelle 1 reduziert.
Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Batteriezelle auch mit einer prismatischen Form ausführbar, wobei der von dem inneren Zellmantel gebildete Kanal dann mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt wird. Eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem inneren Zellmantel, der mit die Wärmeaustauschfläche vergrößernden Mitteln ausgeführt ist, und dem durch den Kanal geführten Fluid ist im Vergleich zu einer zylindrischen Ausführung des inneren Zellmantels verbessert, wobei der innere Zellmantel auch bei einer derartigen Ausführungsform als Ableiter für die Kathode der Batteriezelle und zusätzlich als Wickelkörper für die Elektroden- und Separatorfolien vorgesehen werden kann.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Batterievorrichtung nach der Erfindung ist der innere Zellmantel aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoff gebildet, der nicht mit dem Pluspol verbunden ist.
Bei einer wiederum alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung ist der Kanal durch eine besondere Ausführung des äußeren Zellmantels in diesem ausgeformt, wobei der äußere Zellmantel nach wie vor gleichzeitig das Batteriegehäuse und den Minuspol der Batterievorrichtung beziehungsweise der Batteriezelle darstellt.

Claims

Batterievorrichtung (2) mit wenigstens einer Batteriezelle (1), die einen Hohlraum (3) aufweist, der von einem äußeren Zellmantel (4) und einem inneren Zellmantel (5) begrenzt ist, wobei auf der dem Hohlraum (3) abgewandten Seite des inneren Zellmantels (5) ein Kanal (6) vorgesehen ist, der wenigstens bereichsweise von einem Fluid durchströmbar ist und in dessen Bereich über den inneren Zellmantel (5) Wärme aus dem Hohlraum (3) an das Fluid abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem inneren Zellmantel (5) im Bereich des Kanals (6) wenigstens abschnittsweise eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem inneren Zellmantel (5) und dem Fluid vergrößernde Mittel (7) zugeordnet sind.
Batterievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8, 10) aus Folien gebildet sind, wobei eine der Elektroden (10) mit ihrem einen Ende mit dem inneren Zellmantel (5) leitend verbunden ist und die andere Elektrode (8) mit ihrem einen Ende mit dem äußeren Zellmantel (4) fest verbunden ist.
Batterievorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode (10) mit dem inneren Zellmantel (5) und die andere Elektrode (8) mit dem äußeren Zellmantel (4) verschweißt ist.
Batterievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) als mit dem inneren Zellmantel (5) fest verbundene Stege ausgebildet sind.