DE102006059989A1 - Arrangement for cooling battery, has multiple individual cells, which are assembled together for battery and individual cells have cylindrical housing form - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung.The The invention relates to an arrangement for cooling one of a plurality of individual cells existing battery and a method of manufacturing the device.
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.It already such an arrangement is known in the prismatic Single cells are arranged side by side. Between these prismatic single cells each is a cooling element arranged by the resulting heat of the prismatic single cells in the area dissipated shall be. These prismatic single cells are on a base plate attached, which is in thermal contact with the cooling elements. For better heat dissipation This base plate is flowed through by a cooling medium.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wärmeabfuhr von Einzelzellen mit zylindrischer Gehauseform zu verbessern.Of the The present invention is based on the object of heat removal of single cells with cylindrical Gehauseform to improve.
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.These The object is according to the present invention according to claim 1 by an arrangement for cooling solved a battery consisting of several single cells, wherein the single cells are mounted together to the battery, wherein the Single cells of the battery cells with cylindrical housing shape are, with the individual cells assembled so to the battery are that the axes of rotation of the cylindrical single cells parallel oriented to each other, wherein the individual cells next to each other are arranged in the tightest packing, wherein the individual cells a base plate is present, wherein the single cells are vertical stand on the base plate, with the single cells in thermal Contact with the base plate, with the thermal contact the single cell is made to the base plate via cooling elements, which in the gussets of the densest packing of the individual cells are arranged, where the outer contour the cooling elements has a trigonal symmetry and the single cells on the cylindrical outsides thermally contact and wherein the base plate by means of a flowing cooling medium chilled becomes.
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.there it proves to be advantageous that such a battery join tight and compact leaves. In particular, you can the single cells and the cooling elements pressed tightly together, leaving a good mechanical Contact arises. This mechanical contact simultaneously promotes heat exchange, so that by the described arrangement a good heat dissipation is feasible. This results in a compact arrangement of this Single cells. Overall, the space requirement can be advantageous minimize. Furthermore, it proves to be advantageous that the Single cells can be efficiently clamped mechanically, so that gap formation between the fin and cell in consequence of thermal expansion the individual cells are largely avoided during operation of the battery can. Leg not under permanent compression held connections to lead these thermal expansions to problems in the contact of the individual cells with the associated Cooling elements. By the constructive avoidance of gap formation due to thermal expansion during operation of the battery can advantageously turn the heat dissipation be improved.
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.By the arrangement of the individual cells creates a compact design of Battery. By the arrangement of the cooling elements in the remaining spaces is Advantageously, the heat dissipation efficient realized.
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.In the gussets between each three parallel individual cells in the tightest packing are cooling elements arranged. These are in thermal contact with the base plate. Due to the arrangement of the individual cells with a cylindrical housing shape in closest packing results in the shape of the cooling elements such that these in a section perpendicular to the axes of the individual cells an outer contour having trigonal symmetry. The areas that make up the single cells Contact the curvature adapted to the cylindrical cells and therefore to the midline of the area in the longitudinal direction curved down.
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.Advantageous lets along this arrangement a compact and filled in the full area cross-section package of single cells and cooling elements describe. The cooling elements can consist for example of aluminum. By filling the package completely, let yourself also simply tense this package.
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.The cooling elements can be connected or simply juxtaposed be, with the cooling elements with the single cells first be radially clamped and thereby held together. After that the finished cell pack is axially connected to the cooling plate.
Bei der Anordnung nach Anspruch 2 sind vorteilhaft die Einzelzellen auf beiden Seiten der Grundplatte montiert.at The arrangement according to claim 2 are advantageous, the individual cells mounted on both sides of the base plate.
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.As a result, it is advantageously achieved that the area for heat transfer is better utilized in the base plate cooled by the flowing cooling medium. Compared to the prior art, in which the individual cells are arranged only on one side of the base plate, it turns out that in this embodiment it is not necessary to thermally isolate the base plate on the one side to the available cooling energy for To have the heat dissipated from the battery. Rather, in the present invention, the full area of the base plate is used for heat transfer from the battery.
Bei der Anordnung nach Anspruch 3 erfolgt die Kontaktierung der Pole von der Einzelzelle aus gesehen an der der Grundplatte gegenüber liegenden Seite.at the arrangement according to claim 3, the contacting of the poles takes place seen from the single cell on the base plate opposite Page.
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.Advantageous this results in the possibility a simple contact. This can be from a single cell each with individual connecting elements to the next single cell. By the defined arrangement of the individual cells in the package is it also possible provide a bonding plate. With such a plate can be Make the contact with reduced time.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 steht die Grundplatte in thermischen Kontakt zu wenigstens einer Kühlleitung, die von einem Kühlmittel durchströmt wird.at the embodiment according to claim 4, the base plate is in thermal Contact to at least one cooling line, which is flowed through by a coolant.
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.there it proves to be advantageous that the cooling of the base plate and thus improves the heat dissipation becomes. It can From the prior art already known measures can be realized as For example, the broadening of the cross section for the flowing cooling medium in the area of centralized single cells or use of guide vanes and flow resistances.
Die Kühlleitung weist minestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf auf.The cooling line has at least one inlet and at least one outlet.
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.at The embodiment according to claim 5, the base plate an at least Two-part construction on, with the two parts in the manner of a bottom part sealingly connected to each other with a lid part, wherein between the bottom part and the cover part, a continuous planar cavity arises from a coolant flows through becomes.
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.Advantageous it is not necessary in this embodiment, the base plate to bring in thermal contact with a cooling line, because the interior of the base plate is flowed through directly by the coolant.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird die Anordnung der Einzelzellen mit den Kühlelementen mittels Spannbändern miteinander verspannt.at The embodiment according to claim 6, the arrangement of the individual cells with the cooling elements by means of tension bands braced together.
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.Advantageous results from the clamping a compact design, in the also gap formation as a result of thermal expansion in operation can be largely avoided. As a result, the thermal contact with the cooling elements and thus also the heat dissipation ensured during operation of the battery.
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.at The configuration of the arrangement according to claim 7, the outer cooling elements connected together so that the individual cells with the cooling elements even without using an extra Clamping band are securely clamped under pressure prestressing.
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.Advantageous have in this embodiment, the outer cooling elements elastic connectors as an integral part of these cooling elements. By a Connection of the outer cooling elements in this case, the mechanical tension of the Package.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 bestehen die Kühlelemente aus Metall und sind an den Kontaktflächen gegen die Einzelzellen elektrisch isoliert.at the embodiment according to claim 8, the cooling elements made of metal and are at the contact surfaces electrically isolated against the single cells.
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.The Metal may be, for example, aluminum or magnesium. These Metals have good thermal conduction properties, are relatively easy to handle in production and are light, so that the total weight of the battery is limited.
Die elektrische Isolierung gegen die Einzelzellen kann realisiert sein, indem die Gehäuse der Einzelzellen elektrisch potentialfrei sein.The electrical insulation against the single cells can be realized by the housing the individual cells are electrically floating.
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.Come For example, Li-ion cells used as single cells, this is usually not the case. In this case, the contact surfaces with be provided an electrically insulating material.
Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 9 kann dazu zwischen den Kühlelementen und den Einzelzellen Glimmerfolie angeordnet werden.According to the embodiment according to claim 9, to between the cooling elements and the individual cells Mica film can be arranged.
Eine handelsübliche thermisch gut leitende Glimmerfolie hat beispielsweise eine Dicke von 0,14 mm. Diese Glimmerfolie kann doppellagig um die Einzelzelle herum geschlagen werden.A commercial For example, thermally highly conductive mica film has a thickness of 0.14 mm. This mica foil can be double-layered around the single cell to be beaten around.
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.at This type of insulation proves to be advantageous in that the mica foil is not flammable, so that even in case of fire the thermal insulation is maintained. In addition, the mica film is comparatively inexpensive, has good insulation and is durable.
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.Alternatively, the electrical insulation can be realized in an arrangement according to claim 10, in that the cooling elements consist of a metallic base body, which is made of a plastic give is.
Der metallische Grundkörper kann beispielsweise wieder aus Aluminium oder Magnesium bestehen.Of the metallic body For example, it can be made of aluminum or magnesium again.
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.Of the metallic body can be made in this embodiment by the metallic body the individual cooling elements Bars formed be, for example, by friction welding with corresponding holes or Holes of the base plate thermally and mechanically connected become. The base plate may for example consist of aluminum. The metallic basic body the cooling elements can also Made of aluminum. In the connection by means of friction welding is It is also conceivable that the metallic base body of the individual cooling elements consist of copper.
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.alternative to the metallic bars can the main body also be designed as a heat pipe. At cheap automatically manufactured heat pipes shows that these are not at the bar ends cool well. Therefore, this embodiment is suitable for single cells, which are mounted on both sides of the base plate. In this case can the base plate are provided with precisely fitting through holes. The rod-shaped Heat pipe rods be through these holes put through and connected in the middle with the base plate. Suitable for this For example, the thermal shrinking. Here are the Heat pipes cooled strongly before mounting and heated the base plate. When mounting the single cells on both sides of the base plate shows here that the number of components is halved. Using The heat pipes show a good cooling, as the thermal gradient along the cooling element according to this cooling principle is minimal. Furthermore the possibility arises a weight reduction, because the heat pipe is a hollow body.
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.at the embodiment according to claim 11, the cooling elements plates with each other connected, extending from the edge of a cooling element to the adjacent Extend edge of another cooling element, these plates contain at least one mineral. Such plates can for example, be mica plates.
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.This has advantages in that no plastic compound on this Spot must be made, at the wall thickness low is. Otherwise it would be the packing density for manufacturing reasons limited. The mica plates have in turn, the advantage of fire resistance, so that with this embodiment also provide benefits in case of fire.
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.claim 12 relates to a method for producing an arrangement according to claim 10 or 11, wherein rod-shaped metallic bars as parts of cooling elements at least thermally connected to a metallic base plate be, taking the metallic parts before mounting the cells with an injection molding process wrapped in plastic become.
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.there have to the places for the later assembly the individual cells are kept free. So there is a "hedgehog" from the metallic ones primitives the cooling elements, the following be overmoulded with plastic. The shape must be designed in this way be that one subsequent Assembly of single cells possible is.
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.claim 13 relates to a method of manufacturing an assembly according to claim 10 or 11, wherein a plastic jacket of the metallic parts prefabricated by using a flat prefabricated plastic cover over the Cooling plate and precisely fitting prefabricated sleeves made of plastic over the metallic cooling fins all metal parts of the cooling device be covered electrically insulating. Sleeves and cooling plate cover may also be present the assembly made as a part and (almost like a glove) in one step over pushed the prefabricated heat sink become.
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.at The embodiment according to claim 13 is an injection molding process. Again, a "hedgehog" made of the metallic bodies of the first Cooling elements.
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.Farther Be separate the plastic sheathing of this metallic body in an injection molding process hergstellt. Advantageously, these individual sleeves are welded together so that this in a single operation as the only part on the "hedgehog" of the metallic body of the cooling elements be pushed. This welding can be done by means of a cover done, which simultaneously causes a cover of the base plate and thus also this electrically isolated against the individual cells.
Anschließend wird beispielhaft der Ablauf zur Herstellung der Batterie insgesamt erläutert.Subsequently, will the process for producing the battery as a whole is explained by way of example.
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.Becomes the "hedgehog" prefabricated, the diameter must be the single cells are smaller than the openings in the "hedgehog." This is through the tolerances conditional. Nevertheless, in order to achieve a good heat conduction, the Single cells pressed together with the surrounding cooling elements be, for example with the help of a strap around the cell pack around.
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.In the embodiment of a method for producing an arrangement according to one of the Proverbs 1 to 11, the individual cells and the cooling elements located between the individual cells are first arranged to one another in layers, wherein then this package is connected to the base plate.
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.This Method is suitable for cooling elements, not passed through the base plate or with positive fit with this be connected. The fridge is mounted simultaneously with the cells by alternating layers from single cells and cooling elements one above the other be placed. The finished stack is then with a rotating Clamping band radially clamped. Subsequently, the cooling elements for example, by exciting expansion screws axially with the base plate anchored. The flat end faces of the cooling elements are thus mechanical force fit pressed onto the base plate. The tolerance of the hole in the cooling elements must be chosen be that a geometric offset of the expansion screws from the center the trigonal gusset according to the tolerances of the individual cells and the cooling elements is possible.
Vorteilhaft wird die radiale und die axiale Verspannung des Stapels gleichzeitig durchgeführt, um einen Toleranzausgleich in beide Richtungen zu ermöglichen.Advantageous the radial and axial tension of the stack becomes simultaneously carried out, to allow a tolerance compensation in both directions.
Durch diese beschriebene Vorgehensweise entsteht eine axial kraftschlüssige Verbindung.By This procedure described creates an axially frictional connection.
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.For example by gluing, welding, friction welding, soldering or thermal shrinking leaves itself an axially positive Connection of the cooling elements achieve with the base plate. The gluing is here, however only conditionally long-term resistant. A form-fitting Connection is also possible through corresponding recesses in the base plate.
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.at This approach is initially the "cooling" complete with electrical Made of insulation, the openings has, which are larger according to the tolerances than the individual cells. These are in these openings plugged. The stack is then distorted with a strap so that the cells are fixed to the cooling fins are pressed. This results in a slight change in shape of the cooling elements until they rest against the individual cells.
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.These strain requires use enough elastic or ductile materials for the cooling elements. This is for example through the use of cooling fins made of copper or aluminum. In addition, part of the necessary strain by a slight deflection of the cooling elements in the lower area near the base plate can be achieved. Between the single cells and the Base plate is required a certain distance of a few millimeters in length to ensure the electrical insulation to the base plate and one To create space for the intake of gases which in the event of damage can escape the floor of the cell. This is especially true for the common Li-ion cells.
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.In an example of 7 cells with a diameter of 41 each mm with a tolerance of + -0.2 mm in hexagonal arrangement results in a "hedgehog" with 12 cooling elements with a diameter the metal bars of 5 mm. The positional deviation of the cooling elements on the base plate should be 0.05 mm. The distance of the individual cells to the base plate should 5 mm. This results in a maximum deformation of the outer cooling elements in height the floors of individual cells: 0.2 mm / 2 (inner single cell in the pack) + 0.2 mm / 2 (outer single cell in Pack) + 0.05 mm (cooling element) = 0.25 mm. As a result, the cooling element by the tension is deformed so that the center of the cooling element is a maximum of a Height of 5 mm offset by 0.25 mm in the horizontal.
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.A Such deformation can be easily performed even under production conditions carried out be because the stiffness of the individual cells is many times higher than that of the cooling elements. Also, the necessary deformation can be reduced even if as plastic for the Kühlelementummantelung a material with height elasticity is used, such as good heat conductive silicone rubber.
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.in the In connection with claim 11, an arrangement has already been mentioned, at the individual cooling elements at the edges of which are interconnected by means of mica plates. By this configuration is advantageously achieved that the distance between the individual cells can be minimized.
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.Since the injection molding of plastics must not fall below a certain minimum thickness in order to ensure a reliable electrical isolation between the individual cells, even under high voltage, are at the points where the individual cells are closest (in heax -agonal arrangement around an inner Single cell around), thin and very well insulating plates on mica bases (for example MICA) with rectangular cut used in the body of solids. For the cooling elements, which are positioned in the gussets, this means that these mica plates, starting from the edges, connect this cooling element to the corresponding edge of another cooling element. It proves to be advantageous that these mica sheets are fire-resistant, so that even in case of damage in a battery fire electrical insulation between adjacent individual cells is maintained. In the mounted state, an internally arranged single cell of the battery pack is then surrounded by six rectangular mica plates over the entire height of the cylindrical housing. In the six spaces at the abutting edges of the mica plates also touch over the entire height of the cylindrical body a total of six plastic body of the cooling elements, the cell housing.
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%).When example for The gain in space results in an arrangement with 10 individual cells with a diameter of 41 mm in one row of the battery Distance with a pure plastic insulation of 2 mm. The total length of the Arrangement is 10 x 41 mm + 8 · 2 mm = 426 mm (100%). Be the plastic insulation as described replaced by mica sheets with a thickness of 0.3 mm, the the cell housings abut, results in a total length of the arrangement of 10 x 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.The Mica plates can in the production of trigonal plastic sleeves of the cooling elements simultaneously with these are connected by partial encapsulation and simultaneously or afterwards along with the pods be mounted on the metallic "hedgehog".
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.It is possible, too, to make the separately manufactured plastic sleeves so that they truncated in the trigonal rotational symmetric cross-sectional area Contain corners that are provided with slots in the later rectangular mica plates can be inserted.
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.In order to This results in a finished honeycomb structure, in which then the Single cells can be used. The advantage here is that at the later radial clamping of the cell pack the mineral mica plates substantially be charged on pressure and not on train. Nevertheless, in the case the positive Fix the mica plates in grooves to sufficient tolerances to pay attention and if possible for the Plastic to choose a material with rubbery elasticity.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen:One embodiment the invention is shown in the drawing. Showing:
Es
ist zu sehen, dass sich zwischen den Einzelzellen
Die
Einzelzellen
Weiterhin
ist zu sehen, dass an beiden Seiten der Grundplatte
Dadurch
wird die Wärmeübergangsfläche der
Grundplatte
Außerdem ist
zu sehen, dass eine in der Mitte des Pakets der Einzelzellen
Die
Kühlelemente
Die
Kühlelemente
Es sind ebenfalls die Positionen für die Einzelzellen sowie die Kühlelemente zu erkennen.It are also the positions for the single cells as well as the cooling elements to recognize.
Sowohl
bei der Ausgestaltung nach
In
der Darstellung der
Claims (14)
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