DE102007010751A1

DE102007010751A1 - Batteriegehäuse

Info

Publication number: DE102007010751A1
Application number: DE102007010751A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Gregor; Jens Dipl.-Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008104356A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit einem Gehäuse, das einen Boden (3) und eine Seitenwand (2) umfasst, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund von Zellen (4), insbesondere eine Fahrzeugbatterie. Um den Zellverbund in dem Gehäuse zu fixieren, wird vorgeschlagen, dass der Zellverbund mit einer Vergussmasse (8) in dem Gehäuse befestigt ist, wobei die Vergussmasse (8) von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand (2) reicht.

Description

Die Erfindung betrifft die Befestigung und den Einbau des Zellblocks bzw. Zellverbundes in dem Batteriegehäuse einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Nach dem Stand der Technik muss die bei Ladung und Entladung in den Zellen von Lithium-Ionen-Batterien (z. B. für Hybridantriebe oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge) entstehende Wärme durch eine Kühlung abgeführt werden. Wegen der maximal zulässigen Zelltemperatur von ca. 50°C wird die Kühlung über den Klimakreislauf des Fahrzeugs vorgenommen. Die wärmetechnische Anbindung der Zellen an die Kühlstäbe erfolgt durch Vergussmasse.
Nach dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, bei denen die von Aluminium umhüllte Zelle durch eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte gekühlt wird. In Längsrichtung der Zelle wird die Wärme durch die Zellwand und/oder durch separate Kühlstäbe geleitet. Auf die Kühlplatte ist außerdem ein mantelartiges Blech aufgesetzt, das die Zellen seitlich umschließt. Es dient zur Wärmeableitung und als Form für die Vergussmasse, mit der die Räume zwischen Zellen und Kühlstäben ausgegossen werden.
Nach dem Verguss entsteht der so genannte Zellblock oder Zellverbund, eine massive Konstruktion, die bislang mittels Verschraubung oder durch Einguss mit Kunststoff im Batteriegehäuse befestigt wird. Nach dem Einbau des Innenlebens der Batterie wird der Gehäusedeckel durch Verschraubung, Vernietung, Verklebung oder Verschweißung befestigt. Das Vergießen der Zellen erfolgt nach dem Stand der Technik zweckmäßigerweise ohne Verwendung einer separaten Gießform. Hierzu ist um den Zellverbund ein Hüllblech angeordnet, das gleichzeitig die Vergiessform bildet. Dieses Hüllblech ist aufwändig herzustellen und kostet Bauraum, da es mit in den Zellverbund eingegossen wird.
Nachteilig bei den bekannten Batterien ist somit der aufgrund der Fertigungstoleranzen nicht spielfreie und dennoch aufwendige Einbau des Zellverbundes in das Batteriegehäuse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zellverbund spielfrei und belastbar in ein Batteriegehäuse einzubauen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Eine erfindungsgemäße Batterie mit einem Gehäuse, das einen Boden und eine Seitenwand umfasst, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund von Zellen, weist also die Besonderheit auf, dass der Zellverbund mit einer Vergussmasse in dem Gehäuse befestigt ist, wobei die Vergussmasse von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand reicht.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Hüllblech um den Zeltverbund entfallen zu lassen und den Verguss nach Einbau des Zellverbundes in das Batteriegehäuse vorzunehmen. Dieses ist innen vorzugsweise mit einer wärmeisolierenden Schicht versehen, die gleichzeitig als Gießform für die Vergussmasse dient. Mögliche Werkstoffe für die Isolationsschicht sind feste Schäume (Hartschäume oder Weichschäume) aller Art, wie zum Beispiel Polyurethan-Schäume. Diese werden vor dem Einbau des Zellverbundes z. B. durch eine Negativform eingeschäumt. Die vorgeschlagene Konstruktion fixiert den Zeltverbund spielfrei im Gehäuse. Toleranzen von Zellverbund und Gehäuse werden durch die Vergussmasse ausgeglichen.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

– Eine kostengünstige Herstellung.
– Eine Reduzierung des benötigten Bauraums der Batterie.
– Eine belastbare Fixierung des Zellverbundes im Batteriegehäuse.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Dabei zeigen:
1 einen vertikalen Querschnitt durch eine Batterie nach dem Stand der Technik.
2 einen vertikalen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie.
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Kühlstäben und Isolationsschicht, aber noch ohne eingesetzte Zellen.
4 die Batterie von 3 mit eingesetzten Zellen, aber noch ohne Vergussmasse.
5 die Batterie von 4 mit Vergussmasse.
6 eine Aufsicht zu 4, mit einem abgewandelten Gehäuse mit Elektronikkammer.
Die 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Teil einer Batterie 1 nach dem Stand der Technik. Zu erkennen ist ein Teil des Batteriegehäuses mit der Seitenwand 2 und einem Teil des Bodens 3 mit darin eingesetzten Zellen 4, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Bei einer in 1 dargestellten bekannten Batterie 1 wird die von dünnem Aluminium umhüllte Zelle 4 vom Boden aus durch eine von Kältemittel durchströmte Verdampferplatte 5 gekühlt. Um die Wärme von der Zelle 4 zur Verdampferplatte 5 zu bringen, befinden sich zwischen den Zellen 4 Wärmeleitstäbe 6 aus Aluminium, die in der Verdampferplatte 5 verankert sind. Der ganze Zellblock ist mit einem Hüllblech 7 umgeben und wird mit wärmeleitfähiger Vergussmasse 8 ausgegossen. Die Vergussmasse 8 übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Zellen 4 im Zellverbund. Die Verdampferplatte 5 mit ihren Kühlstäben 6 und dem Hüllblech 7 ist sehr teuer. Zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit durch die Kühlschlange der Verdampferplatte 5 weist die Batterie 1 einen nicht dargestellten Kühlflüssigkeitsanschluss auf.
Die Seitenwand 2 und der Boden 3 sind auf der Innenseite, d. h. der Seite, die den Zellen 4 zugewandt ist, mit einem Isolationsmaterial 9 versehen, beispielsweise einer Schaummatte. Die zwischen den Zellen 4 vorhandenen Spalte sind mit Vergussmasse 8 ausgefüllt. Das Hüllblech 7 dient gleichzeitig als Gießform beim Einfüllen der Vergussmasse 8. Der beim Vergießen mit Vergussmasse 8 gebildete Zellverbund wird nach dem Verguss in das Batteriegehäuse eingebaut. Dabei wird die Verdampferplatte 5 auf dem Isolationsmaterial 9 des Bodens 3 aufgesetzt und zwischen dem Zellverbund und der Seitenwand 2 verbleibt ein Luftspalt 10, genauer gesagt zwischen dem Hüllblech 7 und dem Isolationsmaterial 9 der Seitenwand 2.
In 2 ist ein der 1 entsprechender vertikaler Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie 1 dargestellt. Dabei ist der Zellverbund mit einer Vergussmasse 8 in dem Gehäuse befestigt, wobei die Vergussmasse 8 von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand 2 reicht. Das Gehäuse weist auf seiner Innenseite eine Isolationsschicht 11 auf, bis zu der die Vergussmasse 8 reicht. Die Isolationsschicht 11 ist auf der Innenseite des Bodens 3 und auf der Innenseite der Seitenwand 2 angeordnet, beispielsweise durch eine Beschichtung, und wird als Bestandteil der Seitenwand 2 betrachtet. Die Isolationsschicht 11 ist elektrisch und/oder thermisch isolierend und besteht beispielsweise aus einem festen Schaum (Hart- oder Weichschaum), insbesondere einem Polyurethan-Schaum.
Zwischen dem Zellverbund und der Seitenwand 2 des Gehäuses befindet sich im Unterschied zu 1 kein Luftspalt 10 und keine eine Gießform bildende metallene Zwischenschicht, also kein Hüllblech 7. Zur Montage der Batterie 1 wird der Zellverbund in das Gehäuse eingesetzt und nach dem Einsetzen in das Gehäuse durch Vergießen mit der Vergussmasse 8 vergossen. Dabei dient die auf der Innenseite des Gehäuses angebrachte Isolationsschicht 11 gleichzeitig als Gießform für die gut wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Vergussmasse 8. Nach dem Vergießen reicht die Vergussmasse 8 von dem Zellverbund bis zu der auf der Innenseite des Gehäuses angebrachten Isolationsschicht 11.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Kühlstäben bzw. Wärmeleitstäben 6 und innen an der Seitenwand 2 angebrachter Isolationsschicht 11, aber noch ohne eingesetzte Zellen 4. Mögliche Werkstoffe für die Isolationsschicht 11 sind beispielsweise feste Schäume (Hart- oder Weichschäume) aller Art, wie z. B. Polyurethan-Schäume. Diese werden vor dem Einbau des Zellverbundes eingeschäumt, beispielsweise durch Verwendung einer Negativform. Alternativ ist es auch möglich, das Batteriegehäuse, d. h. die Seitenwand 2 und/oder den Boden 3, mit einem massiven Material auszubilden, das gleichzeitig die Isolationsfunktion übernimmt. Das Gehäuse bzw. die aufgebrachte Isolationsschicht 11 dient als Gießform für die Vergussmasse.
Die 4 zeigt die Batterie von 3 mit eingesetzten Zellen 4 vor dem Vergießen mit Vergussmasse. In 5 ist die Vergussmasse 8 eingefüllt, wodurch der Zwischenraum zwischen den Zellen 4 und den Wärmeleitstäben 6 sowie der Raum bis zum dem Isolationsmaterial 9 ausgefüllt wird. Hierdurch wird der Zellverbund spielfrei in dem Gehäuse fixiert und Toleranzen von Zellverbund und Gehäuse werden durch die Vergussmasse 8 ausgeglichen. Als Vergussmasse 8 haben sich insbesondere elektrisch isolierende, jedoch – wenn auch nur in geringem Umfang – wärmeleitende Werkstoffe wie bevorzugt Polyurethan-Vergussmasse, Epoxidharze und/oder Silikone bewährt. Mit diesen bevorzugten Werkstoffen werden die betreffenden Freiräume möglichst blasenarm und besonders bevorzugt blasenfrei ausgegossen. In günstiger Weise können die Werkstoffe für die Vergussmasse 8 durch Zugabe wärmeleitender Partikel hinsichtlich ihrer Wärmeleitung noch verbessert werden.
In 6 ist eine Aufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform zu 4. Hierbei umfasst das Batteriegehäuse auch eine Elektronikkammer 12 für Batterieelektronik, wobei die Elektronikkammer 12 durch eine Trennwand 13 abgetrennt ist.

1: Batterie
2: Seitenwand
3: Boden
4: Zelle
5: Verdampferplatte
6: Wärmeleitstab
7: Hüllblech
8: Vergussmasse
9: Isolationsmaterial
10: Luftspalt
11: Isolationsschicht
12: Elektronikkammer
13: Trennwand

Claims

Batterie (1) mit einem Gehäuse, das einen Boden (3) und eine Seitenwand (2) umfasst, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund von Zellen (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbund mit einer Vergussmasse (8) in dem Gehäuse befestigt ist, wobei die Vergussmasse (8) von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand (2) reicht.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zellverbund und der Seitenwand (2) keine eine Gießform bildende metallene Zwischenschicht, beispielsweise kein Hüllblech (7), angeordnet ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (8) wärmeleitfähig ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (8) elektrisch isolierend ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse auf seiner Innenseite eine Isolationsschicht (11) aufweist, bis zu der die Vergussmasse (8) reicht.
Batterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse auf der Innenseite seiner Seitenwand (2) eine Isolationsschicht (11) aufweist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse auf der Innenseite seines Bodens (3) eine Isolationsschicht (11) aufweist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse auf seiner Innenseite mit der Isolationsschicht (11) beschichtet ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (11) eine elektrisch und/oder thermisch isolierende Isolationsschicht (11) ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (11) aus einem festen Schaum (Hart- oder Weichschaum), insbesondere einem Polyurethan-Schaum gebildet ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbund in das Gehäuse eingesetzt und nach dem Einsetzen in das Gehäuse durch Vergießen mit der Vergussmasse (8) vergossen worden ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) einen Kühlflüssigkeitsanschluss zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit aufweist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie (1) für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist.