DE102006059989A1

DE102006059989A1 - Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie sowie Verfahren zur Herstellung der Anordnung

Info

Publication number: DE102006059989A1
Application number: DE200610059989
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Wegner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Wegner Bernd Dr De
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie, wobei die Einzelzellen zur Batterie zusammenmontiert sind, wobei die Einzelzellen von zylindrischer Bauart sind, wobei die Einzelzellen so zu der Batterie zusammenmontiert sind, dass die Rotationsachsen der Einzelzellen parallel zueinander orientiert sind, wobei die Einzelzellen nebeneinander in dichtester Packung angeordnet sind, wobei zu den Einzelzellen eine Grundplatte vorhanden ist, wobei die Einzelzellen senkrecht auf der Grundplatte stehen, wobei die Einzelzellen in thermischem Kontakt mit der Grundplatte stehen, wobei die thermische Kontaktierung der Einzelzellen zu der Grundplatte über Kühlelemente erfolgt, die in den Zwickeln der dichtesten Packung der Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Kühlelemente eine trigonale symmetrische Außenkontur aufweisen und die Einzelzellen auf den zylindrischen Außenseiten thermisch kontaktieren und wobei die Grundplatte mittels eines strömenden Kühlmediums gekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung.
Es ist bereits eine derartige Anordnung bekannt, bei der prismatische Einzelzellen nebeneinander angeordnet sind. Zwischen diesen prismatischen Einzelzellen ist jeweils ein Kühlelement angeordnet, durch das die entstehenden Wärme der prismatischen Einzelzellen in der Fläche abgeführt werden soll. Diese prismatischen Einzelzellen sind auf einer Grundplatte angebracht, die in thermischen Kontakt zu den Kühlelementen steht. Zur besseren Wärmeabfuhr wird diese Grundplatte von einem Kühlmedium durchströmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wärmeabfuhr von Einzelzellen mit zylindrischer Gehauseform zu verbessern.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 durch eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie gelöst, wobei die Einzelzellen zur Batterie zusammen montiert sind, wobei die Einzelzellen der Batterie Zellen mit zylindrischer Gehäuseform sind, wobei die Einzelzellen so zu der Batterie zusammenmontiert sind, dass die Rotationsachsen der zylindrischen Einzelzellen parallel zueinander orientiert sind, wobei die Einzelzellen nebeneinander in dichtester Packung angeordnet sind, wobei zu den Einzelzellen eine Grundplatte vorhanden ist, wobei die Einzelzellen senkrecht auf der Grundplatte stehen, wobei die Einzelzellen in thermischem Kontakt mit der Grundplatte stehen, wobei die thermische Kontaktierung der Einzelzellen zu der Grundplatte über Kühlelemente erfolgt, die in den Zwickeln der dichtesten Packung der Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Außenkontur der Kühlelemente eine trigonale Symmetrie aufweist und die Einzelzellen auf den zylindrischen Außenseiten thermisch kontaktieren und wobei die Grundplatte mittels eines strömenden Kühlmediums gekühlt wird.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass sich eine derartige Batterie dicht und kompakt zusammenfügen lässt. Insbesondere können die Einzelzellen und die Kühlelemente dicht aneinander gepresst werden, so dass ein guter mechanischer Kontakt entsteht. Dieser mechanische Kontakt fördert gleichzeitig den Wärmeaustausch, so dass durch die beschriebene Anordnung eine gute Wärmeabfuhr realisierbar ist. Dadurch ergibt sich eine kompakte Anordnung dieser Einzelzellen. Der Raumbedarf insgesamt lässt sich dadurch vorteilhaft minimieren. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass die Einzelzellen effizient mechanisch verspannt werden können, so dass Spaltbildungen zwischen Kühlrippe und Zelle in Folge von einer Wärmedehnung der Einzelzellen im Betrieb der Batterie weitgehend vermieden werden können. Bein nicht unter permanenter Druckspannung gehaltenen Verbindungen führen diese Wärmedehnungen zu Problemen bei dem Kontakt der Einzelzellen mit den zugeordneten Kühlelementen. Durch das kontruktive Vermeiden von Spaltbildungen durch Wärmedehnungen im Betrieb der Batterie kann vorteilhaft wiederum die Wärmeabfuhr verbessert werden.
Durch die Anordnung der Einzelzellen entsteht eine kompakte Bauform der Batterie. Durch die Anordnung der Kühlelemente in den verbleibenden Zwischenräumen wird vorteilhaft die Wärmeabfuhr effizient realisiert.
In den Zwickeln zwischen je drei parallel angeordneten Einzelzellen in dichtester Packung sind Kühlelemente angeordnet. Diese stehen in thermischem Kontakt zur Grundplatte. Auf Grund der Anordnung der Einzelzellen mit zylindrischer Gehäuseform in dichtester Packung ergibt sich die Form der Kühlelemente derart, dass diese in einem Schnitt senkrecht zu den Achsen der Einzelzellen eine Außenkontur mit trigonaler Symmetrie aufweisen. Die Flächen, die die Einzelzellen kontaktieren sind der Krümmung der zylindrischen Zellen angepasst und daher zur Mittellinie der Fläche in deren Längsrichtung hin gekrümmt.
Vorteilhaft lässt mit dieser Anordnung ein kompaktes und im vollen Flächenquerschnitt ausgefülltes Paket von Einzelzellen und Kühlelementen beschreiben. Die Kühlelemente können beispielsweise aus Aluminium bestehen. Indem das Paket vollständig gefüllt ist, lässt sich dieses Paket auch einfach verspannen.
Die Kühlelemente können miteinander verbunden sein oder auch einfach nebeneinander gestellt sein, wobei die Kühlelemente mit den Einzelzellen zunächst radial verspannt werden und dadurch zusammen gehalten werden. Danach wird das fertige Zellenpack mit der Kühlplatte axial verbunden.
Bei der Anordnung nach Anspruch 2 sind vorteilhaft die Einzelzellen auf beiden Seiten der Grundplatte montiert.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass bei der durch das strömende Kühlmedium gekühlten Grundplatte die Fläche zur Wärmeübertragung besser genutzt wird. Gegenüber dem Stand der Technik, bei der die Einzelzellen lediglich auf einer Seite der Grundplatte angeordnet sind, zeigt sich, dass es bei dieser Ausführungsform nicht notwendig ist, die Grundplatte auf der einen Seite thermisch zu isolieren, um die zur Verfügung stehende Kühlenergie zum Abtransport der Wärme der Batterie zur Verfügung zu haben. Vielmehr wird bei der vorliegenden Erfindung die volle Fläche der Grundplatte zur Wärmeübertragung von der Batterie genutzt.
Bei der Anordnung nach Anspruch 3 erfolgt die Kontaktierung der Pole von der Einzelzelle aus gesehen an der der Grundplatte gegenüber liegenden Seite.
Vorteilhaft ergibt sich dadurch die Möglichkeit einer einfachen Kontaktierung. Diese kann von einer Einzelzelle mit jeweils einzelnen Verbindungselementen zur nächsten Einzelzelle erfolgen. Durch die definierte Anordnung der Einzelzellen in dem Paket ist es ebenso möglich, eine Kontaktierungsplatte vorzusehen. Mit einer solchen Platte lässt sich die Kontaktierung mit reduziertem Zeitaufwand vornehmen.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 steht die Grundplatte in thermischen Kontakt zu wenigstens einer Kühlleitung, die von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Kühlung der Grundplatte und damit die Wärmeabfuhr verbessert wird. Dabei können aus dem Stand der Technik bereits bekannte Maßnahmen realisiert werden wie beispielsweise die Verbreiterung des Querschnitts für das strömende Kühlmedium im Bereich der in der Mitte angeordneten Einzelzellen oder die Verwendung von Leitflügeln und Strömungswiderständen.
Die Kühlleitung weist minestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf auf.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 weist die Grundplatte einen zumindest zweiteiligen Aufbau auf, wobei die beiden Teile nach Art eines Bodenteils mit einem Deckelteil abdichtend miteinander verbindbar sind, wobei zwischen Bodenteil und Deckelteil ein durchgehender flächiger Hohlraum entsteht, der von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Vorteilhaft ist es bei dieser Ausgestaltung nicht notwendig, die Grundplatte in thermischen Kontakt mit einer Kühlleitung zu bringen, weil das Innere der Grundplatte direkt von dem Kühlmittel durchströmt wird.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird die Anordnung der Einzelzellen mit den Kühlelementen mittels Spannbändern miteinander verspannt.
Vorteilhaft ergibt sich durch das Verspannen eine kompakte Bauform, bei der auch Spaltbildungen in Folge von Wärmeausdehnungen in Betrieb weitgehend vermieden werden können. Dadurch wird der thermische Kontakt zu den Kühlelementen und damit auch die Wärmeabfuhr im Betrieb der Batterie sichergestellt.
Bei der Ausgestaltung der Anordnung nach Anspruch 7 sind die äußeren Kühlelemente derart miteinander verbunden, dass die Einzelzellen mit den Kühlelementen auch ohne Verwendung eines zusätzlichen Spannbandes unter Druckvorspannung sicher verspannt werden.
Vorteilhaft weisen bei dieser Ausgestaltung die außen liegenden Kühlelemente elastische Verbindungsstücke als integralen Bestandteil dieser Kühlelemente auf. Durch eine Verbindung der äußeren Kühlelemente miteinander erfolgt in diesem Fall die mechanische Verspannung des Paketes.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 bestehen die Kühlelemente aus Metall und sind an den Kontaktflächen gegen die Einzelzellen elektrisch isoliert.
Das Metall kann beispielsweise Aluminium oder Magnesium sein. Diese Metalle weisen gute Wärmeleitungseigenschaften, sind in der Produktion vergleichsweise einfach handhabbar und sind leicht, so dass sich das Gesamtgewicht der Batterie in Grenzen hält.
Die elektrische Isolierung gegen die Einzelzellen kann realisiert sein, indem die Gehäuse der Einzelzellen elektrisch potentialfrei sein.
Kommen beispielsweise Li-Ion-Zellen als Einzelzellen zum Einsatz, ist dies in der Regel nicht der Fall. In diesem Fall müssen die Kontaktflächen mit einem elektrisch isolierenden Material versehen werden.
Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 9 kann dazu zwischen den Kühlelementen und den Einzelzellen Glimmerfolie angeordnet werden.
Eine handelsübliche thermisch gut leitende Glimmerfolie hat beispielsweise eine Dicke von 0,14 mm. Diese Glimmerfolie kann doppellagig um die Einzelzelle herum geschlagen werden.
Bei dieser Art der Isolierung erweist es sich als vorteilhaft, dass die Glimmerfolie nicht brennbar ist, so dass auch im Brandfall die thermische Isolierung erhalten bleibt. Außerdem ist die Glimmerfolie vergleichsweise preiswert, weist eine gute Isolierung auf und ist langzeitbeständig.
Alternativ kann die elektrische Isolierung bei einer Anordnung nach Anspruch 10 realisiert sein, indem die Kühlelemente aus einem metallischen Grundkörper bestehen, der von einem Kunststoff umgeben ist.
Der metallische Grundkörper kann beispielsweise wieder aus Aluminium oder Magnesium bestehen.
Der metallische Grundkörper kann bei dieser Ausgestaltung hergestellt werden, indem die metallischen Grundkörper der einzelnen Kühlelemente durch Stäbe gebildet werden, die beispielsweise durch Reibschweißen mit entsprechenden Löchern bzw. Bohrungen der Grundplatte thermisch und auch mechanisch verbunden werden. Die Grundplatte kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Die metallischen Grundkörper der Kühlelemente können ebenfalls aus Aluminium bestehen. Bei der Verbindung mittels Reibschweißen ist es auch denkbar, dass die metallischen Grundkörper der einzelnen Kühlelemente aus Kupfer bestehen.
Alternativ zu den metallischen Stäben können die Grundkörper auch als Heat-Pipes ausgebildet sein. Bei preiswerten automatisch gefertigten Heat-Pipes zeigt sich, dass diese an den Stabenden nicht gut kühlen. Deshalb eignet sich diese Ausführungform für Einzelzellen, die beidseits der Grundplatte montiert sind. In diesem Fall kann die Grundplatte mit passgenauen Durchgangslöchern versehen werden. Die stabförmigen Heat-Pipe-Stäbe werden durch diese Löcher durchgesteckt und mittig mit der Grundplatte verbunden. Dazu eignet sich beispielsweise das thermische Aufschrumpfen. Dabei werden die Heat-Pipes vor der Montage stark gekühlt und die Grundplatte erhitzt. Bei der Montage der Einzelzellen auf beiden Seiten der Grundplatte zeigt sich hierbei, dass die Anzahl der Bauteile halbiert ist. Bei Verwendung der Heat-Pipes zeigt sich eine gut Kühlung, da der thermische Gradient längs des Kühlelementes nach diesem Kühlprinzip minimal ist. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit einer Gewichtsreduzierung, weil die Heat-Pipe ein Hohlkörper ist.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 11 sind die Kühlelemente Platten miteinander verbunden, die sich von der Kante eines Kühlelementes zur benachbarten Kante eines anderen Kühlelementes erstrecken, wobei diese Platten zumindest ein Mineral enthalten. Derartige Platten können beispielsweise Glimmerplatten sein.
Dies hat Vorteile dahingehend, dass keine Kunststoffverbindung an dieser Stelle hergestellt werden muss, an der die Wandstärke gering ist. Andernfalls wäre die Packungsdichte aus fertigungstechnischen Gründen beschränkt. Die Glimmerplatten haben weiterhin wiederum den Vorteil der Feuerbeständigkeit, so dass sich mit dieser Ausgestaltung ebenfalls Vorteile im Brandfall ergeben.
Anspruch 12 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei stabförmige metallische Stäbe als Teile von Kühlelementen zumindest thermisch mit einer metallischen Grundplatte verbunden werden, wobei die metallischen Teile vor der Montage der Zellen mit einem Spritzgießverfahren mit Kunststoff umhüllt werden.
Dabei müssen die Plätze für die spätere Montage der Einzelzellen freigehalten werden. Es entsteht also ein „Igel" aus den metallischen Grundkörpern der Kühlelemente, die anschließend mit Kunststoff umspritzt werden. Die Form muss dabei so ausgestaltet sein, dass eine anschließende Montage der Einzelzellen möglich ist.
Anspruch 13 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Kunststoffummantelung der metallischen Teile vorgefertigt wird, indem mit einer flachen vorgefertigten Kunststoffabdeckung über der Kühlplatte und paßgenaue vorgefertigte Hülsen aus Kunststoff über den metallischen Kühlrippen alle Metallteile der Kühlvorrichtung elektrisch isolierend abgedeckt werden. Hülsen und Kühlplattenabdeckung können auch vor der Montage als ein Teil hergestellt und (Quasi wie ein Handschuh) in einem Arbeitsschritt über den vorgefertigten Kühlkörper geschoben werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 13 handelt es sich um ein Spritzgießerfahren. Auch hier wird wiederum zuerst ein „Igel" hergestellt aus den metallischen Grundkörpern der Kühlelemente.
Weiterhin werden separat die Kunststoffummantelungen dieser metallischen Grundkörper in einem Spritzgießverfahren hergstellt. Vorteilhaft werden diese einzelnen Hülsen so miteinander verschweißt, dass diese in einem Arbeitsgang als einziges Teil über den „Igel" der metallischen Grundkörper der Kühlelemente geschoben werden. Dieses Verschweißen kann mittels einer Abdeckung erfolgen, die gleichzeitig eine Abdeckung der Grundplatte bewirkt und damit auch diese elektrisch gegen die Einzelzellen isoliert.
Anschließend wird beispielhaft der Ablauf zur Herstellung der Batterie insgesamt erläutert.
Wird der „Igel" vorgefertigt, müssen die Durchmesser der Einzelzellen kleiner sein als die Öffnungen in dem „Igel". Dies ist durch die Toleranzen bedingt. Um dennoch eine gute Wärmeleitung zu erzielen, müssen die Einzelzellen mit den sie umgebenden Kühlelementen zusammen gepresst werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Spannbandes um das Zellenpaket herum.
Bei der Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 werden zunächst schichtförmig die Einzelzellen sowie die zwischen den Einzelzellen befindlichen Kühlelemente zueinander angeordnet, wobei anschließend dieses Paket mit der Grundplatte verbunden wird.
Dieses Verfahren eignet sich bei Kühlelementen, die nicht durch die Grundplatte hindurchgeführt oder formschlüssig mit dieser verbunden werden. Der Kühligel wird gleichzeitig mit den Zellen montiert, indem abwechselnd Lagen aus Einzelzellen und Kühlelementen übereinander gelegt werden. Der fertige Stapel wird anschließend mit einem umlaufenden Spannband radial verspannt. Anschließend werden die Kühlelemente beispielsweise durch spannende Dehnschrauben axial mit der Grundplatte verankert. Die planen Stirnseiten der Kühlelemente werden damit mechanisch kraftschlüssig auf die Grundplatte gepresst. Die Toleranz der Bohrung in den Kühlelementen muss so gewählt werden, dass ein geometrischer Versatz der Dehnschrauben aus dem Zentrum des trigonalen Zwickels entsprechend den Toleranzen der Einzelzellen und der Kühlelemente möglich ist.
Vorteilhaft wird die radiale und die axiale Verspannung des Stapels gleichzeitig durchgeführt, um einen Toleranzausgleich in beide Richtungen zu ermöglichen.
Durch diese beschriebene Vorgehensweise entsteht eine axial kraftschlüssige Verbindung.
Beispielsweise durch Kleben, Schweißen, Reibschweißen, Löten oder thermisches Schrumpfen lässt sich eine axial formschlüssige Verbindung der Kühlelemente mit der Grundplatte erzielen. Das Kleben ist hierbei allerdings nur bedingt langzeitbeständig. Eine formschlüssige Verbindung ist ebenfalls möglich durch entsprechende Aussparungen in der Grundplatte.
Bei dieser Vorgehensweise wird zunächst der „Kühligel" komplett mit elektrischer Isolierung hergestellt, der Öffnungen aufweist, die entsprechend den Toleranzen größer sind als die Einzelzellen. Diese werden in diese Öffnungen gesteckt. Der Stapel wird dann mit einem Spannband so verfomrt, dass die Zellen fest mit den Kühlrippen verpresst sind. Dadurch ergibt sich eine leichte Formänderung der Kühlelemente bis diese an den Einzelzellen anliegen.
Diese Formänderung erfordert die Verwendung genügend elastischer oder duktiler Werkstoffe für die Kühlelemente. Dies ist beispielsweise durch die Verwendung von Kühlrippen aus Kupfer oder Aluminium gegeben. Außerdem kann ein Teil der notwendigen Formänderung durch eine leichte Durchbiegung der Kühlelemente im unteren Bereich in der Nähe der Grundplatte erreicht werden. Zwischen den Einzelzellen und der Grundplatte ist ein bestimmter Abstand von einigen Millimetern Länge erforderlich, um die elektrische Isolierung zur Grundplatte sicherzustellen und einen Raum zur Aufnahme von Gasen zu schaffen, die im Schadensfall aus dem Boden der Zelle entweichen können. Dies gilt insbesondere für die gebräuchlichen Li-Ionen-Zellen.
In einem Beispiel von 7 Zellen mit einem Durchmesser von jeweils 41 mm mit einer Toleranz von +–0,2 mm in hexagonaler Anordnung ergibt sich ein „Igel" mit 12 Kühlelementen mit einem Durchmesser der Metallstäbe von 5 mm. Die Lageabweichung der Kühlelemente auf der Grundplatte soll 0,05 mm sein. Der Abstand der Einzelzellen zur Grundplatte soll 5 mm betragen. Daraus ergibt sich eine maximale Verformung an den äußeren Kühlelementen in Höhe der Böden der Einzelzellen: 0,2 mm/2 (innere Einzelzelle im Pack) + 0,2 mm/2 (äußere Einzelzelle im Pack) + 0,05 mm (Kühlelement) = 0,25 mm. Daraus resultiert, dass das Kühlelement durch die Verspannung so verformt wird, dass die Mitte des Kühlelementes sich maximal über eine Höhe von 5 mm um 0,25 mm in der Horizontalen verschiebt.
Eine derartige Verformung kann auch unter Produktionsbedingungen leicht durchgeführt werden, weil die Steifigkeit der Einzelzellen um ein Vielfaches höher ist als die der Kühlelemente. Auch kann die notwendige Verformung noch verringert werden, wenn als Kunststoff für die Kühlelementeummantelung ein Werkstoff mit höhe Elastizität verwendet wird, wie beispielsweise gut Wärme leitender Silikonkautschuk.
Im Zusammenhang mit Anspruch 11 wurde bereits eine Anordnung angesprochen, bei der die einzelnen Kühlelemente an deren Kanten mittels Glimmerplatten miteinander verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird vorteilhaft erreicht, dass der Abstand zwischen den Einzelzellen minimiert werden kann.
Da bei der Spritzgießtechnik von Kunststoffen eine bestimmten Mindestdicke nicht unterschritten werden darf, um eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen den Einzelzellen auch unter Hochspannung sicher zu stellen, werden an den Stellen, an denen sich die Einzelzellen am nächsten sind (in heaxagonaler Anordnung um eine innen liegenden Einzelzelle herum), dünne und sehr gut isolierende Platten auf Glimmerbases (beispielsweise MICA) mit rechteckigem Zuschnitt in den Konststoffkörper eingesetzt. Bei den Kühlelementen, die in den Zwickeln positioniert sind, bedeutet dies, dass diese Glimmerplatten von den Kanten ausgehend dieses Kühlelement mit der entsprechenden Kante eines anderen Kühlelementes verbinden. Es erweist sich als vorteilhaft, dass diese Glimmerplatten feuerbeständig sind, so dass auch im Schadensfall bei einem Batteriebrand eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Einzelzellen erhalten bleibt. Im montierten Zustand ist dann eine innen angeordnete Einzelzelle des Batteriepacks über die gesamte Höhe des zylindrischen Gehäuses von sechs rechteckigen Glimmerplatten umgeben. In den sechs Zwischenräumen an den Stoßkanten der Glimmerplatten berühren ebenfalls über die gesamte Höhe des zylindrischen Körpers insgesamt sechs Kunststoffkörper der Kühlelemente das Zellengehäuse.
Als Beispiel für den Raumgewinn ergibt sich bei einer Anordnung mit 10 Einzelzellen mit einem Druchmesser von 41 mm in einer Reihe der Batterie ein Abstand bei einer reinen Kunststoffisolierung von 2 mm. Die Gesamtlänge der Anordnung beträgt 10·41 mm + 8·2 mm = 426 mm (100%). Werden die Kunststoffisolierungen wie beschrieben durch Glimmerplatten mit einer Stärke von 0,3 mm ersetzt, die an den Zellengehäusen anliegen, ergibt sich eine Gesamtlänge der Anordnung von 10·41 mm + 8·0,3 mm = 412,4 mm (96,8%).
Die Glimmerplatten können bei der Herstellung der trigonalen Kunststoffhülsen der Kühlelemente gleichzeitig mit diesen durch teilweises Umspritzen verbunden werden und gleichzeitig oder anschließend zusammen mit den Hülsen auf den metallischen „Igel" montiert werden.
Es ist auch möglich, die separat hergestellten Kunststoffhülsen so zu gestalten, dass sie in der trigonal drehsymmetrischen Querschnittsfläche abgestumpfte Ecken enthalten, die mit Schlitzen versehen sind, in die später die rechteckigen Glimmerplatten eingeschoben werden können.
Damit ergibt sich eine fertige Wabenstruktur, in die anschließend die Einzelzellen eingesetzt werden können. Vorteilhaft ist hierbei, dass bei der späteren radialen Verspannung des Zellenpacks die mineralischen Glimmerplatten im wesentlichen auf Druck belastet werden und nicht auf Zug. Trotzdem ist im Fall der formschlüssigen Befestigung der Glimmerplatten in Nuten auf ausreichende Toleranzen zu achten und nach Möglichkeit für den Kunststoff ein Werkstoff mit gummiartiger Elastizität zu wählen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen:
1 ein Beispiel für die aus Einzelzellen mit Kühlelementen sowie einer Grundplatte zusammengesetzte Batterie,
2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach 1,
3 eine separate Darstellung der Anordnung der Kühlelemente,
4 ein Beispiel für die Ausgestaltung einer Grundplatte mit einem Kühlrohr,
5 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung einer Grundplatte mit einem Kühlrohr,
6 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung einer Grundplatte mit einem Kühlrohr,
7 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung einer Grundplatte mit einem Kühlrohr,
8 ein Beispiel für eine mehrteilige Grundplatte, deren Inneres von einem Kühlmedium durchströmt wird,
9 eine Verspannung der Einzelzellen
10 ein erstes Beispiel einer stromführenden Kontaktierung der Einzelzellen mit Zellenverbindern,
11 ein weiteres Beispiel einer zusätzlichen schwachstromführenden Kontaktierung mit einer Platine,
12 eine Prinzipdarstellung der Batterie mit Gehäuse und Anschlüssen für die Kühlung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die aus Einzellen 1 mit Kühlelementen 2 sowie einer Grundplatte 3 zusammen gesetzten Batterie in einer perspektivischen Ansicht.
Es ist zu sehen, dass sich zwischen den Einzelzellen 1 Kühlelemente 2 befinden. Diese Kühlelemente 2 können beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dadurch wird das Gewicht der Batterie nicht wesentlich erhöht. Gleichzeitig weisen die Kühlelemente aus diesem Material eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Kühlelemente 2 stehen in thermischem Kontakt mit der Grundplatte 3.
Die Einzelzellen 1 sind derart angeordnet, dass in der Anordnung der Einzelzellen 1 sieben dieser Einzelzellen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7) in einem Schnitt quer zu deren Längsrichtung die Eckpunkte eines gleichmäßigen Sechsecks definieren (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6), wobei eine der Einzelzellen (1.7) in der Mitte dieses Sechsecks angeordnet ist.
Weiterhin ist zu sehen, dass an beiden Seiten der Grundplatte 3 eine Anordnung der Einzelzellen 1 mit entsprechenden Kühlelementen 2 angebracht ist.
Dadurch wird die Wärmeübergangsfläche der Grundplatte 3 optimal genutzt zur Kühlung der Einzelzellen 1 der Batterie.
2 zeigt die Anordnung der 1 in einer Draufsicht. Die Anordnung der Einzelzellen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 sowie 1.7 ist nochmals verdeutlicht.
Außerdem ist zu sehen, dass eine in der Mitte des Pakets der Einzelzellen 1 befindliche Einzelzelle 1.8 von sechs Kühlelementen 2 umgeben ist, die in einem Schnitt quer zu deren Längsrichtung die Form eines gleichmäßigen Dreiecks aufweisen. Die Seiten dieses gleichmäßigen Dreiecks sind bei einer Blickrichtung von außen auf die jeweilige Seite konkav gekrümmt, wobei der Krümmungsradius der konkaven Krümmung dem Radius der zylinderförmigen Einzelzellen entspricht.
Die Kühlelemente 2 sind dabei weiterhin so dimensioniert, dass sechs dieser Kühlelemente 2 die Einzelzelle 1.8 vollständig umschließen.
Die Kühlelemente 2 stehen in thermischem Kontakt mit der Grundplatte 3. Dadurch kann vorteilhaft die Wärme der Einzelzellen effizient abgeführt werden.
3 zeigt nochmals in einer Darstellung ohne die Einzelzellen 1 sowie die Grundplatte 3 die Anordnung der Kühlelemente 2 in einer perspektivischen Ansicht. In der Darstellung der 3 sind lediglich die Kühlelemente mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet, die eine Einzelzelle in deren montiertem Zustand vollständig umschließen. Die anderen Kühlelemente sind nicht mit einer Bezugsziffer versehen.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Grundplatte 3 mit einem Kühlrohr 4 versehen ist. Dieses Kühlrohr 4 kann beispielsweise einen Durchmesser von 6 mm aufweisen und mit R744 (CO2) als Kühlmittel durchströmt werden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ausführungsform einer Grundplatte 3 mit einem zugeordneten Kühlrohr 4. Dieses Kühlrohr 4 der Darstellung der 5 kann einen Durchmesser von 14 mm aufweisen und mit dem Kühlmittel R134a durchströmt werden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Grundplatte 3 mit einem zugeordneten Kühlrohr 4. Dieses sechsfach parallel durchströmte Kühlrohr kann beispielsweise einen Querschnitt 7 mm aufweisen. Bei der Ausgestaltung nach 6 kann wiederum das Kühlmittel R134a verwendet werden. Weiterhin ist in der Darstellung der 6 noch eine Zuleitung 5 sowie eine Rückleitung 6 für das Kühlmittel zu sehen. Es ist zu sehen, dass die Zuleitung 5 sowie die Rückleitung 6 im montierten Zustand parallel zu den Einzelzellen 1 der Batterie angeordnet sind.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung für die Grundplatte 3 mit einem Kühlrohr 4. Hier ist das Kühlrohr 4 auf der Grundplatte 3 als Doppelrohr ausgebildet. Das Kühlrohr 4 kann einen Querschnitt von 6 mm aufweisen. Es ist wiederum die Zuleitung 5 sowie die Rückleitung 6 zu sehen.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Grundplatte 3. Hier ist die Grundplatte 3 aus einem Bodenteil 3.1 sowie einem Deckelteil 3.2 hergestellt. Das Bodenteil 3.1 sowie das Deckelteil 3.2 sind so geformt, dass diese abdichtend zusammen gefügt werden können, wobei sich im Inneren der Grundplatte 3 eine durchgehende Durchströmung mit einem Kühlmedium ergibt. Das Bodenteil 3.1 sowie das Deckelteil 3.2 können beispielsweise ausgefräst oder als Gussteile hergestellt sein.
Es sind ebenfalls die Positionen für die Einzelzellen sowie die Kühlelemente zu erkennen.
9 zeigt eine Anordnung von Einzelzellen 1, Kühlelementen 2 sowie einer Grundplatte 3, die mit Spannbändern 7 und 8 zusammen gehalten werden. Weiterhin sind noch Füllelemente 9 und 10 zu sehen, die mit eingebracht werden, damit die Spannbänder 7 und 8 ausreichend Druck auf die Anordnung der Einzelzellen 1 mit den Kühlelementen 2 ausüben können. Die Füllelemente 9 und 10 sind in diesem Beispiel als Rohre ausgebildet, die eine spätere Montage des Zellenpacks mit dem Batteriegehäuse über Dehnschrauben, Gewindestangen oder Bolzen ermöglichen.
10 zeigt eine erste Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung, bei der die Kontakte der Einzelzellen mit Zellverbindern 11, 12 von einer Einzelzelle zur nächsten durchkontaktiert werden.
11 zeigt eine weitere Möglichkeit, bei der zur Kontaktierung der Einzelzellen Zellverbinderplatinen vorhanden sind.
Sowohl bei der Ausgestaltung nach 10 als auch bei der Ausgestaltung nach 11 erfolgt die Kontaktierung der Einzelzellen 1 auf der der Grundplatte 3 gegenüber liegenden Seite.
In der Darstellung der 11 ist noch zu sehen, dass zwei weitere Platinen 14 und 15 vorhanden sind, die der Überwachung der Einzelzellen 1 dienen. Diese Platinen werden vorteilhaft in die Batterie integriert.
12 zeigt eine thermisch und elektrisch isolierte Batterie mit einem Metallgehäuse 17 und einem Gehäusedeckel 16. Aus dem Gehäusedeckel 16 sind die Anschlüsse der Zuleitung 5 und der Rückleitung 6 für das Kühlmedium zu sehen.

Claims

Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen (1) bestehenden Batterie, wobei die Einzelzellen (1) zur Batterie zusammen montiert sind, wobei die Einzelzellen (1) eine zylindrische Gehäuseform haben, wobei die Einzelzellen (1) so zu der Batterie zusammenmontiert sind, dass die Rotationsachsen der Einzelzellen (1) parallel zueinander orientiert sind, wobei die Einzelzellen (1) nebeneinander in dichtester Packung angeordnet sind, wobei zu den Einzelzellen (1) eine Grundplatte (3) vorhanden ist, wobei die Einzelzellen (1) senkrecht auf der Grundplatte (3) stehen, wobei die Einzelzellen (1, 2) in thermischem Kontakt mit der Grundplatte (3) stehen, wobei die thermische Kontaktierung der Einzelzellen (1) zu der Grundplatte (3) über Kühlelemente (2) erfolgt, die in den Zwickeln der dichtesten Packung der Einzelzellen (1) angeordnet sind, wobei die Außenkontur der Kühlelemente (2) eine trigonale Symmetrie aufweist und die Einzelzellen (1) auf den zylindrischen Außenseiten thermisch kontaktieren und wobei die Grundplatte (3) mittels eines strömenden Kühlmediums gekühlt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) beidseitig der Grundplatte (3) montiert sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Einzelle (1) aus gesehen die Kontaktierung der Pole der Einzelzellen (1) an der der Grundplatte (3) gegenüber liegenden Seite erfolgt.
Anordnung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) in thermischen Kontakt zu wenigstens einer Kühlleitung (4) steht, die von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Anordnung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) einen zumindest zweiteiligen Aufbau (3.1, 3.2) aufweist, wobei die beiden Teile nach Art eines Bodenteils (3.1) mit einem Deckelteil (3.2) abdichtend miteinander verbindbar sind, wobei zwischen Bodenteil (3.1) und Deckelteil (3.2) ein durchgehender flächiger Hohlraum entsteht, der von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Anordnung nach einem der vorher gehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Einzelzellen (1) mit den Kühlelementen (2) mittels Spannbändern (7, 8) miteinander verspannt sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Kühlelemente (2) derart miteinander verbunden sind, dass die Einzelzellen (1) mit den Kühlelementen (2) unter Druckspannung vorgespannt werden.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (2) aus Metall bestehen und an den Kontaktflächen gegen die Einzelzellen (1) elektrisch isoliert sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlelementen (2) und den Einzelzellen (1) eine Folie angeordnet wird, die mineralische Bestandteile enthält.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (2) aus einem metallischen Grundkörper bestehen, der von einem Kunststoff umgeben ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (2) über Platten miteinander verbunden sind, die sich von der Kante eines Kühlelementes (2) zur benachbarten Kante eines anderen Kühlelementes (2) erstrecken, wobei diese Platten zumindest ein Mineral enthalten.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass stabförmige metallische Stäbe als Teile von Kühlelementen (2) zumindest thermisch mit einer metallischen Grundplatte (3) verbunden werden, wobei die metallischen Teile vor der Montage der Einzelzellen (1) mit einem Spritzgießverfahren mit Kunststoff umhüllt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststoffummantelung der metallischen Teile vorgefertigt wird, indem aus Kunststoff bestehende Hülsen der metallischen Grundkörper der Kühlelemente (2) über eine Kunststoffabdeckung der metallischen Grundplatte (3) miteinander verbunden werden, wobei diese Kunststoffummantelung in einem Arbeitsschritt über die metallischen Teile geschoben wird.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst schichtförmig die Einzelzellen (1) sowie die zwischen den Einzelzellen (1) befindlichen Kühlelemente (2) zueinander angeordnet werden, wobei anschließend dieses Paket mit der Grundplatte (3) verbunden wird.