DE102007050400A1

DE102007050400A1 - Vorrichtung zur elektronischen Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102007050400A1
Application number: DE200710050400
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Damsohn; Conrad Dr.-Ing. Pfender; Thomas Schiehlen; Martin Steinbach; Caroline Schmid
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-23
Also published as: US20100257883A1; CN101828299A; WO2009052927A1; EP2203952A1; CN101828299B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von Flachzellen (2), die mit ihren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten flachen Seiten (10) stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei durch die Flachzellen zumindest ein erster Stapel (3) gebildet wird, wobei ein Kühlelement (5) zwischen benachbarten Flachzellen des mindestens einen ersten Stapels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement mindestens eine Öffnung (6) aufweist, in die ein wärmeübertragendes Element (7) eingesteckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere aus dem Bau von Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb, zum Beispiel einem Hybrid-Antrieb, sind elektrochemische Energiespeichereinheiten von hoher Leistungsdichte bekannt. Unter anderem handelt es sich dabei um Lithium-Ionen-Batterien. Es ist zudem allgemein bekannt, solche Hochleistungsbatterien mit Luft, beispielsweise aus einem klimatisierten Passagierbereich oder unmittelbar von einer Klimaanlage zu beströmen und so zu kühlen.
Des Weiteren ist es bekannt, derartige Batterien als Stapel von Flachzellen auszubilden, die mit Durchgängen zwischen benachbarten Zellen versehen sind. Diese Durchgänge sind für ein Fluid, beispielsweise ein Kühlmittel vorgesehen, so dass jede Flachzelle direkt gekühlt wird. Jedoch besteht bei dieser Anordnung das Problem, dass es schwierig ist, das Fluid gleichmäßig auf die Durchgänge zu verteilen. Ferner geht aufgrund der Durchgänge für das kühlende Fluid ein erhebliches Maß an Bauraum verloren.
Es ist daher eine gleichmäßige Kühlung der Flachzellen und ein Aufbau anzustreben, der weniger Bauraum benötigt.
Folglich wird ein indirektes Kühlverfahren vorgeschlagen, bei dem ein oder mehrere Kühlelemente zwischen der Mehrzahl von Flachzellen angeordnet sind, um diese zu kühlen.
Die US 6,821,671 B2 beschreibt eine Kühlanordnung, um prismatische Batterien zu kühlen. Hierbei sind wärmeleitende Kühlplatten zwischen den Flachzellen eingelegt. An ihrem seitlichen Ende weisen die Platten Kühlrippen auf, um die Wärme an ein Fluid abzuführen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung anzugeben, bei der eine einfache und sichere Montage in Verbindung mit einem guten thermischen Kontakt zwischen Flachzelle und Kühlelement und in weiterer Folge zu einem wärmeabführenden Fluid gegeben ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei erfolgt zunächst eine Stapelung der einzelnen Flachzellen zu mindestens einem ersten Stapel, wobei zwischen benachbarten Flachzellen des ersten Stapels jeweils ein Kühlelement aus gut wärmeleitendem Material angeordnet ist. Die einzelnen Kühlelemente sind flächenmäßig größer als die flache Seite einer Flachzelle, so dass seitlich beabstandet zur Flachzelle das Kühlelement einen Bereich aufweist, der nicht durch eine Flachzelle abgedeckt wird. In diesem Bereich weisen die Kühlelemente zumindest eine Öffnung auf, in die ein wärmeübertragendes Element eingesteckt ist, um die in den Flachzellen entstehende Wärme an ein Fluid, das in dem wärmeübertragenden Element strömt, abzuführen. Durch diese Ausführungsform wird eine besonders einfache und kompakte Anordnung der Flachzellen und Anbindung an eine Wärmesenke erreicht.
In einer alternativen Ausführungsform werden durch die Flachzellen ein erster und ein zweiter Stapel gebildet. Hierbei ist dasselbe Kühlelement sowohl zwischen benachbarten Flachzellen des ersten als auch des zweiten Stapels angeordnet. Die einzelnen Kühlelemente sind flächenmäßig größer als zwei flache Seiten einer Flachzelle, so dass zwischen dem ersten und zweiten Stapel ein Spalt entsteht. In diesem Bereich, der in etwa der Mitte des Kühlelementes entspricht, weisen die Kühlelemente zumindest eine Öffnung auf, in die ein wärmeübertragendes Element eingesteckt ist. Bei Flachzellen mit erhöhter Leistungsdichte kann das Kühlelement an den seitlichen Rändern weitere Öffnungen für wärmeübertragende Elemente aufweisen, um eine höhere Wärmeabfuhr an ein Kühlfluid, das in den wärmeübertragenden Elementen strömt, zu ermöglichen.
Je nach Anwendung kann es auch vorteilhaft sein, dass durch die Flachzellen mehrere Stapel gebildet werden. In dieser Ausführungsform ist dasselbe Kühlelement zwischen benachbarten Flachzellen dieser mehreren Stapel angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind jeweils vier Flachzellen, zwei Flachzellen von einem Stapel, mit einem Kühlelement verbunden, insbesondere verklebt. Somit ist in Stapelrichtung betrachtet nach jeder zweiten Flachzelle ein Kühlelement angeordnet.
Je nach Anforderung an die Kühlleistung kann in alternativer Ausgestaltung in Stapelrichtung betrachtet nach jeder, nach jeder dritten oder vierten Flachzelle ein Kühlelement angeordnet sein. Allgemein vorteilhaft besteht das Kühlelement aus einem Metall, insbesondere aus der Gruppe Aluminium, Kupfer oder Aluminium mit aufgewalztem Kupfer und ist bevorzugt als kostengünstiges Blechformteil ausgebildet. Die Kühlbleche weisen bevorzugt eine rechteckige Form auf und können zusätzlich an zumindest einer Seite abgewinkelt sein, um eine Art Aufnahme für die Flachzellen zu bilden. Alternativ ist es auch möglich, dass zwei Kühlbleche, die an den jeweiligen Enden abgewinkelt sind eine Kassette bilden, in die die Flachzelle eingelegt wird. Somit sind in Stapelrichtung gesehen zwei Kühlbleche zwischen benachbarten Flachzellen angeordnet.
Die Dicke des Kühlelementes beträgt bevorzugt 0,2 bis 2 mm, sie kann jedoch bei erhöhter Kühlleistung größer als 2 mm sein.
Das wärmeübertragende Element ist besonders bevorzugt als Rohrgabel ausgebildet. In diesem Fall sind zumindest zwei, bevorzugt jedoch vier, sechs oder aber auch mehrere Öffnungen im Blech vorgesehen, in die die Rohrgabeln eingesteckt sind. Alternativ können anstatt der Rohrgabeln auch einzelne Rohre in die Öffnungen eingesteckt werden, wobei die Rohre an ihren jeweiligen Enden, ähnlich einem Verdampfer, kommunizierend mit einem Sammler verbunden sind, durch den das Fluid auf die einzelnen Rohre verteilt wird.
Die Rohrgabeln oder Rohre sind zumindest form- beziehungsweise reibschlüssig durch Aufweiten mit den Kühlblechen verbunden. Zusätzlich können in alternativer Ausgestaltung die Öffnungen mit einem Durchzug versehen sein, um das Einführen der Rohrgabeln zu erleichtern und um eine genügend große Kontaktfläche zwischen Rohrwand und Kühlblech darzustellen. Der Durchmesser der Rohrgabeln beträgt bevorzugt zwischen 4 und 10 mm. Hierbei sind die Durchzüge bevorzugt an die Kühlbleche angeformt, alternativ verlötet. Durch die Rohre werden auch der mechanische Verbund und die Verspannung des Zellverbundes dargestellt.
In den Rohrgabeln strömt ein Fluid, insbesondere ein Kältemittel oder ein Kühlmittel, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glysantin.
Die Rohrgabeln sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kommunizierend mit einem Kältekreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verbunden. Alternativ können sie jedoch auch Teil eines autarken Kreislaufes sein, der bevorzugt an den Kältekreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage thermisch gekoppelt ist.
Bei einer zweckmäßigen Detailgestaltung ist zumindest nach jeder oder jeder zweiten Flachzelle eines Stapels ein kompressibles Material, bevorzugt ein Vlies angeordnet. Das Vlies wird zwischen die Flachzellen eingelegt und dient zum Toleranzausgleich.
In alternativer Ausgestaltung können die einzelnen Stapel zusätzlich durch Metallbänder verspannt und in einem Gehäuse, beispielsweise aus Kunststoff, angeordnet sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung gemäß vorliegender Erfindung;
2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen für ein erfindungsgemäßes Kühlelement mit Öffnungen;
5 ein Kühlelement mit einem Durchzug für ein wärmeübertragendes Element;
6 bis 8 eine schematische Vorderansicht von zwei Zellstapeln mit Kühlelementen;
1 zeigt eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung 1 gemäß vorliegender Erfindung. Eine derartige Energiespeichereinheit umfasst mehrere Flachzellen 2, beispielsweise Lithium-Ionen Flachzellen, die mit ihren flachen Seiten 10 stapelartig übereinander angeordnet sind und einen Zellstapel bilden. Erfindungsgemäß wird unter der flachen Seite der Flachzelle 2 die Seite mit der größeren Oberfläche verstanden, die mittelbar oder unmittelbar an eine flache Seite einer benachbarten Flachzelle 2 grenzt. Durch die Flachzellen und den zwischen benachbarten Flachzellen angeordneten Kühlblechen 5 werden ein erster 3 und ein zweiter 4 Zellstapel gebildet, wobei jeder Stapel eine gleiche Anzahl an Flachzellen besitzt. Zusätzlich werden die einzelnen Flachzellen vor dem Stapeln noch dickensortiert, um für einen entsprechenden Toleranzausgleich zu sorgen.
Hierbei dient dasselbe Kühlblech 5 sowohl zur Ableitung von Wärme aus Flachzellen des ersten 3 als auch aus Flachzellen des zweiten Stapels 4. Zusätzlich ist an zumindest einem Ende des ersten und zweiten Stapels ein weiteres Kühlblech 5 angeordnet. Auf ein Kühlblech 5 werden jeweils vier Flachzellen, je zwei auf einer Seite des Kühlbleches, befestigt, vorzugsweise geklebt, so dass in Stapelrichtung nach jeder zweiten Flachzelle ein Kühlblech folgt. Wenn die entstehende Abwärme der Flachzellen zu groß wird, kann alternativ zwischen jeder Flachzelle ein Kühlblech angeordnet sein.
Die Kühlbleche sind aus gut wärmeleitendem Material wie Aluminium, Kupfer, einer aluminiumhaltigen Legierung oder Aluminium mit aufgewalztem Kupfer. Die Bleche sind rechteckig ausgebildet und weisen vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,2 und 2 mm auf.
Zwischen dem ersten und zweiten Stapel besitzen die Kühlbleche jeweils sechs Öffnungen (siehe 2), in die drei Rohrgabeln eingesteckt sind, die sich durch den gesamten Zellverbund, bestehend aus dem ersten und zweiten Stapel, erstrecken. Die Rohrgabeln bestehen ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material und sind form- und reibschlüssig mit den Kühlblechen verbunden, was durch eine mechanische oder hydraulische Aufweitung erreicht wird.
In nicht dargestellter Weise sind die offenen Enden der Rohrgabeln 7 kommunizierend verbunden, beispielsweise geschweißt und in weiterer Folge mit einem Kältekreislauf oder einem Kühlkreislauf verbunden. In den Rohren 7 strömt ein Fluid, beispielsweise ein Kältemittel oder ein Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Glysantin Gemisch.
Die Flachzellen weisen auf ihren Schmalseiten jeweils zwei Ableiter (elektrische Zellanschlüsse) 11 auf, die in nicht dargestellter Weise elektrisch kon taktiert werden, um eine parallele oder insbesondere serielle Verschaltung der einzelnen Flachzellen sicherzustellen.
Die 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele für ein Kühlblech 5. In 3 sind zusätzlich zu den sechs Öffnungen im mittleren Bereich des Kühlbleches jeweils sechs weitere Öffnungen an den seitlichen Rändern ausgebildet, wobei die Anzahl der Öffnungen als nicht einschränkend verstanden werden soll. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Kühlblech 5 nur Öffnungen an einem seitlichen Rand auf. Ein derartiges Kühlblech 5 ist bevorzugt zur Bildung eines Stapels geeignet. In diesem Fall ist die Fläche eines Kühlbleches größer als die Fläche der flachen Seite einer Flachzelle. Somit entsteht ein Bereich, in dem die Öffnungen 6 angeordnet sind.
5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlbleches. In dieser Ausführungsform sind die Kühlbleche 5 mit Durchzügen 9 versehen, die vorzugsweise an das Kühlblech angeformt sind. Durch eine derartige Ausführungsform wird das Einführen der Rohrgabeln erheblich erleichtert und die Kontaktfläche zwischen Rohr und Kühlblech stark vergrößert.
Bei dem in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen sind zwischen den Flachzellen 2 des ersten 3 und zweiten Stapels 4 ein kompressibles Material 8, beispielsweise ein Vlies, ein Gewebe oder eine Filzmatte angeordnet. Das kompressible Material dient zum Toleranzausgleich und der mechanischen Verspannung zur thermischen Kontaktierung und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 2 mm auf. Das kompressible Material kann je nach Anforderungen nur zwischen den Flachzellen eingelegt oder mit diesen zusätzlich verklebt werden.
Hierbei ist in den 6 und 7b ein Vlies nach jeder zweiten, in den 7a und 8 ein Vlies nach jeder Flachzelle angeordnet.
Die in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsformen sind selbstverständlich auch ohne kompressibles Material 8 denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6821671 B2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von Flachzellen (2), die mit ihren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten flachen Seiten (10) stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei durch die Flachzellen zumindest ein erster Stapel (3) gebildet wird, wobei ein Kühlelement (5) zwischen benachbarten Flachzellen des mindestens einen ersten Stapels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement mindestens eine Öffnung (6) aufweist, in die ein wärmeübertragendes Element (7) eingesteckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) eine größere Fläche besitzt als die flache Seite (10) der Flachzelle (2).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung des Kühlelementes seitlich beabstandet zur Flachzelle angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Flachzellen ein zweiter Stapel (4) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das dasselbe Kühlelement (5) sowohl zwischen benachbarten Flachzellen des ersten als auch des zweiten Stapels angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (6) zwischen dem ersten (3) und zweiten (4) Stapel angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Flachzellen (2) mehrere Stapel gebildet werden, wobei dasselbe Kühlelement (5) zwischen benachbarten Flachzellen dieser mehreren Stapel angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) als Kühlblech, insbesondere aus Aluminium, Kupfer, einer aluminiumhaltigen Legierung oder Aluminium mit aufgewalztem Kupfer ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Flachzelle (2) ein oder zwei Kühlelemente (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) form- und/oder stoffschlüssig mit einer oder zwei benachbarten Flachzellen (2) verbunden, insbesondere verklebt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Flachzellen (2) eines Stapels, bevorzugt nach jeder oder jeder zweiten Flachzelle, ein kompressibles Material, insbesondere ein Vlies (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeübertragende Element (7) als Rohrgabel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung des Kühlelementes (5) einen Durchzug (9) aufweist, in den das wärmeübertragende Element einführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchzug (9) an das Kühlelement angeformt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (3) und zweite (4) Stapel oder die mehreren Stapeln eine gleiche Anzahl von Flachzellen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachzellen als Lithium-Ionen oder NiMH Flachzellen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeübertragende Element (7) kommunizierend mit einem Kältekreislauf, insbesondere mit einem Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeübertragende Element (7) Teil eines Kreislaufes ist, der thermisch an einen Kältekreislauf, insbesondere einen Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage, gekoppelt ist oder koppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeübertragende Element Teil eines autarken Kältekreislaufes ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und Glysantin ist.