DE102008034863B4

DE102008034863B4 - Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102008034863B4
Application number: DE200810034863
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Meintschel Jens; Dr. Dipl.-Ing. Schröter Dirk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2028-07-27
Also published as: DE102008034863A1

Abstract

Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen (2) und einer polseitig auf den Einzelzellen (2) angeordneten und an einem Batteriegehäuse (8) befestigten Kühlplatte (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (4) in mehreren Befestigungspunkten zumindest teilweise horizontal beweglich an dem Batteriegehäuse (8) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Nach dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, in denen eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Einzelzellen angeordnet sind und einen Zellblock bilden. Dieser Zellblock muss gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme der Einzelzellen abzuführen. Dies erfolgt durch Flüssigkeitskühlung oder durch Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die direkt zwischen die Einzelzellen geleitet wird.
Aus Bauraumgründen findet vorzugsweise die Flüssigkeitskühlung Anwendung. Bei dieser Lösung ist am Zellblock, zum Beispiel wie in DE 10 2007 010 739 A1 beschrieben, an der Polseite der Einzelzellen eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte angeordnet. In Längsrichtung der Einzelzelle wird die Wärme, wie in 10 2007 010 744 A1 beschrieben, durch die gleichmäßig oder Bauraum sparend am Umfang partiell aufgedickte Zellwand der Einzelzellen zur Kühlplatte geleitet.
Die am Zelldeckel jeder Einzelzelle angeordneten Polkontakte werden durch Aussparungen in der Kühlplatte geschoben und oberhalb dieser durch Zellverbinder miteinander verbunden, wodurch die Einzelzellen seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind. Dabei ist zwischen Kühlplatte und Einzelzellen entweder eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie oder ein Formkörper, der auch die Polkontakte gegenüber der Kühlplatte elektrisch isoliert, angeordnet. Um eine effiziente Wärmeübertragung der Verlustwärme der Einzelzellen auf die Kühlplatte zu erreichen, werden diese mittels einer flächigen Feder, zum Beispiel einer Blattfeder oder auch Schaumstoff oder Gummi, an die Kühlplatte gepresst.
Die Kühlplatte wird im Batteriegehäuse durch Verschraubung befestigt. Aufgrund dieser Befestigung treten allerdings Spannungen in Folge unterschiedlicher Temperaturen bzw. Wärmedehnungen von Kühlplatte und Batteriegehäuse auf, die zur Beschädigung der Batterie bzw. von Batterieteilen führen können.
Aus der DE 100 03 740 C1 ist eine Batterie bekannt. Die Batterie weist eine Wärmeabführeinrichtung auf. Eine Mehrzahl von Batteriezellen sind in Serie geschaltet. Die Serienanordnung der Batteriezellen weist einen äußeren positiven Pol und einen äußeren negativen Pol auf. An den Polen sind Zellverbinder angebracht. Des Weiteren sind Mittel zur Abfuhr von Verlustwärme der Serienanordnung vorgesehen, wobei zumindest ein Zellverbinder mit Wärme abführenden Mitteln verbunden ist.
In der DE 10 2006 059 989 A1 werden eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung beschrieben. Die Einzelzellen, welche von zylindrischer Bauart sind, sind nebeneinander in dichtester Packung angeordnet und so zu der Batterie zusammenmontiert, dass die Rotationsachsen der Einzelzellen parallel zueinander orientiert sind. Zu den Einzelzellen ist eine Grundplatte vorhanden, auf welcher die Einzelzellen senkrecht stehen. Die Einzelzellen stehen in thermischem Kontakt mit der Grundplatte, wobei die thermische Kontaktierung der Einzelzellen zu der Grundplatte über Kühlelemente erfolgt, die in den Zwickeln der dichtesten Packung der Einzelzellen angeordnet sind. Die Kühlelemente weisen eine trigonale symmetrische Außenkontur auf und kontaktieren die Einzelzellen auf den zylindrischen Außenseiten thermisch. Die Grundplatte ist mittels eines strömenden Kühlmediums gekühlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer verbesserten Befestigung der Kühlplatte anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen ist zusammen mit einer polseitig auf den Einzelzellen angeordneten und an einem Batteriegehäuse befestigten Kühlplatte in einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie angeordnet.
Erfindungsgemäß ist die Kühlplatte in mehreren Befestigungspunkten zumindest teilweise horizontal beweglich an dem Batteriegehäuse befestigt.
Diese Anordnung hat gegenüber einer starren Verschraubung der Batterie mit dem Batteriegehäuse, wie dies bei Batterien nach dem Stand der Technik der Fall ist, den Vorteil, dass die Kühlplatte in begrenztem Umfang vom Batteriegehäuse entkoppelt ist, d. h. die Kühlplatte ist in begrenztem Ausmaß in horizontaler Richtung bewegbar. Auf diese Weise sind Spannungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen bzw. Wärmedehnungen zwischen Kühlplatte und Batteriegehäuse und die damit verbundene Gefahr von Beschädigungen an Batterieteilen vermeidbar.
Zweckmäßigerweise ist zwischen einem Rand der Kühlplatte und dem Batteriegehäuse mit Ausnahme des Bereiches eines Kühlmittelanschlusses ein Freiraum gebildet. Auf diese Weise ist ein überwiegender Teil der Kühlplatte sowohl mechanisch als auch thermisch vom Batteriegehäuse entkoppelt.
So sind Dehnungen der Kühlplatte aufgrund von Temperaturschwankungen in diesen Bereich hinein ermöglicht. Durch die weitestgehende Abkopplung der Kühlplatte vom Batteriegehäuse wird auch die Effizienz der Kühlung der Einzelzellen erhöht, da keine unerwünschte Wärmeübertragung von dem Batteriegehäuse auf die Kühlplatte erfolgt.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind an einer Innenwandung des Batteriegehäuses Auswölbungen angeordnet, auf denen die Kühlplatte aufgesetzt und befestigt ist. Auf diese Weise ist der Kontakt der Kühlplatte mit dem Batteriegehäuse auf ein Minimum begrenzt.
Dadurch ist einerseits eine thermische Abkopplung der Kühlplatte vom Batteriegehäuse gegeben mit den sich daraus ergebenden, bereits erläuterten, Vorteilen der Effizienzsteigerung der Kühlung. Zum Zweiten ist dadurch der Freiraum zwischen Batteriegehäuse und dem Rand der Kühlplatte gebildet, in welchen hinein die durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Dehnung der Kühlplatte ermöglicht ist, da die Kühlplatte nicht an der Innenwandung des Batteriegehäuses anliegt, sondern nur auf den Auswölbungen des Batteriegehäuses aufsitzt.
Zweckmäßigerweise sind in der Kühlplatte Bohrungen zur Durchführung von Befestigungselementen, insbesondere Befestigungsschrauben, angeordnet, welche in verschiedenen Formen ausführbar sind und beispielsweise einen runden, ovalförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
In einer möglichen Ausführungsform ist zwischen einem Schraubenkopf der Befestigungsschraube und der Auswölbung an der Innenwandung des Batteriegehäuses eine Abstandshülse angeordnet, welche einen Schaft der Befestigungsschraube ummantelt, wobei die Längsausdehnung der Abstandshülse kürzer ist als die Längsausdehnung des Schaftes der Befestigungsschraube.
Durch diese Abstandshülse bzw. deren Länge ist in Längsrichtung der Befestigungsschraube ein Abstand zwischen dem Schraubenkopf der Befestigungsschraube und der Auswölbung an der Innenwandung des Batteriegehäuses vorgegeben, d. h. die Befestigungsschraube ist nur bis zu einem vorgegebenen Punkt in die Auswölbung einschraubbar, genauer gesagt bis zu einem Punkt, an dem der Schraubenkopf einen oberen Rand der Abstandshülse berührt.
Vorzugsweise ist der Querschnitt der Bohrungen in der Kühlplatte größer als ein Querschnitt des Schaftes der Befestigungsschrauben bzw. ein Querschnitt der Abstandshülsen. Auf diese Weise sind horizontale Bewegungen der Kühlplatte ermöglicht.
Das ermöglichte Ausmaß der horizontalen Bewegungen der Kühlplatte wird zum einen vom Abstand des Randes der Kühlplatte vom Batteriegehäuse und zum anderen vom Abstand der Innenwandung der Bohrungen zu den Schäften der Befestigungsschrauben bzw. zu den Abstandshülsen vorgegeben.
Durch unterschiedlich große Abstände der Kühlplatte zu verschiedenen Seitenwänden des Batteriegehäuses und/oder durch die Art der Ausformung der Bohrungen in der Kühlplatte, beispielsweise ovalförmig oder vieleckig, ist auch eine möglicherweise unterschiedliche horizontale Dehnung in verschiedenen Richtungen ausgleichbar.
So sind beispielsweise bei einer länglich geformten Kühlplatte die temperaturabhängigen Dehnungen in Längsrichtung größer als in Querrichtung, weshalb langlochförmige Bohrungen in Längsrichtung der Kühlplatte anzuordnen sind sowie an den kurzen Seitenrändern der Kühlplatte ein größerer seitlicher Abstand von den Seitenwänden des Batteriegehäuses einzuhalten ist.
Vorzugsweise sind an den Bohrungen in der Kühlplatte an Ober- und Unterseite der Kühlplatte Gleitscheiben angeordnet, welche in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise aus Kunststoff oder Teflon gefertigt sind. Der Reibungskoeffizient zwischen diesen Gleitscheiben und der Kühlplatte ist geringer als dies beispielsweise zwischen der Kühlplatte und den Auswölbungen des Batteriegehäuses der Fall wäre. Dadurch ist die Haftreibung zwischen den Gleitscheiben und der Kühlplatte verringert und eine horizontale Bewegung der Kühlplatte mittels Gleiten über die Gleitscheiben ermöglicht.
Da diese Gleitscheiben bevorzugt aus gering Wärme leitendem Material gefertigt sind, wird eine weitere thermische Entkopplung der Kühlplatte von dem Batteriegehäuse erzielt, da die Kühlplatte lediglich im Bereich des Kühlmittelanschlusses bzw. über die Gleitscheiben Kontakt mit dem Batteriegehäuse hat. Auf diese Weise ist eine unerwünschte Wärmeübertragung von dem Batteriegehäuse auf die Kühlplatte weitestgehend reduziert und damit eine Effizienzsteigerung der Kühlung erreicht.
Zwischen den an der Oberseite der Kühlplatte angeordneten Gleitscheiben und Schraubenköpfen der Befestigungsschrauben sind Spann- oder Federelemente angeordnet, wobei diese Spann- oder Federelemente in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung als Tellerfedern ausgeformt sind. Mittels dieses Spann- oder Federelementes sind die Gleitscheiben gegen die Kühlplatte vorspannbar, wobei die Stärke der Vorspannung mittels des Befestigungselementes einstellbar ist.
Die Vorspannung der Spann- oder Federelemente ist beispielsweise durch die Vorgabe eines Drehmomentes vorgebbar, mit welchem die Befestigungsschrauben anzuziehen sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem Abstandshülsen an den Schäften der Befestigungsschrauben angeordnet sind, ist durch die Länge dieser Abstandshülsen die Einschraubtiefe der Befestigungsschrauben und somit auch die Vorspannung der Spann- oder Federelemente vorgegeben.
Über die Vorspannung der Spann- oder Federelemente ist der Anpressdruck der Gleitscheiben auf die Kühlplatte und somit auch der Reibungskoeffizient zwischen Gleitscheiben und Kühlplatte vorgegeben. Mit anderen Worten: Je größer die Vorspannung der Spann- oder Federelemente ist, desto größer ist der Anpressdruck der Gleitscheiben auf die Kühlplatte, desto größer ist der Reibungskoeffizient, d. h. desto größer ist die Haftreibung zwischen Gleitscheiben und Kühlplatte.
Durch diese erfindungsgemäße Art der Befestigung der Kühlplatte im Batteriegehäuse ist sichergestellt, dass die Kühlplatte in vertikaler Richtung sicher und stabil durch Verschraubung befestigt ist, d. h. eine Bewegung der Kühlplatte in vertikaler Richtung ist unterbunden.
Gleichzeitig ist aber durch die erfindungsgemäße Befestigung eine Bewegung der Kühlplatte in horizontaler Richtung möglich. Durch die Gleitscheiben und deren Anpressung an die Kühlplatte mittels Spann- oder Federelementen ist allerdings sichergestellt, dass die Kühlplatte auch in horizontaler Richtung nicht lose im Batteriegehäuse gelagert ist, sondern durch die Haftreibung zwischen Gleitscheiben und Kühlplatte auch in horizontaler Richtung gehaltert ist. Eine Bewegung der Kühlplatte ist erst möglich, wenn die durch Dehnung der Kühlplatte auftretenden Kräfte die Haftreibungskräfte zwischen Gleitscheiben und Kühlplatte übersteigen.
Bei der Vorspannung der Spann- oder Federelemente ist auch die durch die horizontale Bewegung der Kühlplatte über die Lebensdauer der Batterie hervorgerufene Abnutzung der Batterieteile zu berücksichtigen. Dies betrifft insbesondere die Kühlplatte im Bereich der Befestigungen sowie die Gleitscheiben. Ebenso muss die Alterung der Spann- oder Federelemente und ein damit verbundenes Nachlassen der Federwirkung berücksichtigt werden.
Die Kühlplatte ist vorzugsweise mit Kühlkanälen, z. B. Hohlkanälen, versehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Auf diese Weise kann das Kühlmittel die von den Einzelzellen an die Kühlplatte übertragene Verlustwärme abtransportieren.
Vorzugsweise ist zwischen der Kühlplatte und den Einzelzellen eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet. Durch diese Wärmeleitfolie sind die Einzelzellen elektrisch von der Kühlplatte isoliert und die Wärmeübertragung der Verlustwärme von den Einzelzellen auf die Kühlplatte ist optimiert.
Zur optimalen Nutzung des vorhandenen Bauraums, was insbesondere beim Einsatz der Batterie als Fahrzeugbatterie aufgrund des nur beschränkt vorhandenen Bauraums im Fahrzeug sehr wichtig ist, sind die Einzelzellen in einer besonders günstigen Ausführungsform mit ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet.
Auf die durch die Kühlplatte hindurch geführten Polkontakte sind auf der Oberseite der Kühlplatte Zellverbinder angeordnet, welche Polkontakte benachbarter Einzelzellen derart miteinander verbinden, dass die Einzelzellen seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
Vorzugsweise korrespondieren Aussparungen in der Kühlplatte mit den Abmessungen der Polkontakte der Einzelzellen. Hierdurch sind die Einzelzellen mit der Kühlplatte im Bereich der Aussparungen formschlüssig verbunden und gegenüber Drehbewegungen fixiert.
Die Batterie eignet sich insbesondere als Fahrzeugbatterie, insbesondere als Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die erfindungsgemäße Befestigung der Kühlplatte Spannungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen bzw. Wärmedehnungen zwischen Kühlplatte und Batteriegehäuse vermieden werden.
Die Kühlplatte kann sich horizontal gegenüber dem Gehäuse verschieben, wodurch unterschiedliche Wärmedehnungen ausgeglichen werden. In vertikaler Richtung ist keine Bewegung der Kühlplatte möglich, was eine sichere Befestigung der Kühlplatte sowie anderer Einzelteile der Batterie sicherstellt, wodurch Beschädigungen der Batterie vermieden werden.
Außerdem wird die Kühlplatte auf diese Weise besser vom Batteriegehäuse thermisch isoliert, da sie nur noch im Bereich der Befestigungen Kontakt zum Batteriegehäuse hat. Die an den Befestigungen angeordneten Gleitscheiben wirken aufgrund ihres nur wenig wärmeleitfähigen Materials als thermischer Isolator zwischen Kühlplatte und Batteriegehäuse, so dass die Kühlplatte weitestgehend, mit Ausnahme des Bereichs des Kühlmittelanschlusses, vom Batteriegehäuse thermisch entkoppelt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung eines Batterieunterteils,
2 eine Explosionsdarstellung im Bereich einer horizontal verschieblichen Kühlplattenbefestigung,
3 eine perspektivische Darstellung eines Batterieunterteils,
4 eine Darstellung eines Batterieunterteils in Draufsicht,
5 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlplattenbefestigung, und
6 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlplattenbefestigung mit Abstandshülse.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Unterteils einer Batterie, im Folgenden als Batterieunterteil 1 bezeichnet. Auf dieses Batterieunterteil 1 sind hier nicht dargestellte elektronische Bauteile aufgesetzt und das Batterieunterteil ist mit einem hier nicht dargestellten Batteriedeckel verschlossen. Auf einer Mehrzahl von in Längsrichtungen parallel angeordneten Einzelzellen 2 ist eine Wärmeleitfolie 3 und darauf eine Kühlplatte 4 angeordnet.
Die Wärmeleitfolie 3 ist mit Ausnehmungen 5 und die Kühlplatte 4 mit Aussparungen 6 versehen, deren Innenkonturen mit den Außenkonturen von Polkontakten 7 der Einzelzellen 2 korrespondieren. Diese Polkontakte 7 der Einzelzellen 2 sind durch die Ausnehmungen 5 in der Wärmeleitfolie 3 und die Aussparungen 6 in der Kühlplatte 4 hindurchgeführt.
Oberhalb der Kühlplatte 4 sind auf die Polkontakte 7 der Einzelzellen 2 hier nicht dargestellte Zellverbinder aufgesetzt, wodurch die Einzelzellen 2 seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
Die mit der Kühlplatte 4 verbundenen Einzelzellen 2 sind in ein Batteriegehäuse 8 eingesetzt. Dieses Batteriegehäuse 8 ist an seiner Innenwandung mit Auswölbungen 9 versehen, auf welchen die Kühlplatte 4 aufgesetzt und an diesen befestigt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlplatte 4 durch Verschraubung befestigt.
Im Bereich eines Kühlmittelanschlusses 10 ist die Kühlplatte 4 fest mit einer Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 verbunden. In anderen Bereichen der Kühlplatte 4 sind zur Befestigung der Kühlplatte 4 an den Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8 in der Kühlplatte 4 Bohrungen 11 angeordnet, deren Innendurchmesser größer ist als ein Außendurchmesser eines Schaftes 12 einer Befestigungsschraube 13 bzw. von Abstandshülsen 14, so dass die Kühlplatte 4 in diesem Bereich horizontal beweglich ist.
An der Oberseite und der Unterseite der Kühlplatte 4 sind an diesen Bohrungen 11 Gleitscheiben 15 angeordnet. Diese Gleitscheiben 15 sind beispielsweise aus Kunststoff oder Teflon und ermöglichen ein Gleiten der Kühlplatte 4, so dass eine horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 möglich ist.
Zwischen den auf der Oberseite der Kühlplatte 4 angeordneten Gleitscheiben 15 und Schraubenköpfen 16 der Befestigungsschrauben 13 ist jeweils ein Spann- oder Federelement 17 angeordnet. Diese Spann- oder Federelemente 17 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Tellerfedern ausgeführt.
Die Vorspannung dieser Spann- oder Federelemente 17 richtet sich in diesem Ausführungsbeispiel nach der Stärke des Drehmomentes, mit dem die Befestigungsschrauben 13 angezogen werden. Je höher die Vorspannung der Spann- oder Federelemente 17, desto stärker ist die Befestigung der Kühlplatte 4 in vertikaler Richtung.
Eine weitere Möglichkeit, die Vorspannung der Spann- oder Federelemente 17 vorzugeben bzw. zu begrenzen, ist der Einsatz einer Abstandshülse 14 zwischen den Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8 und den jeweiligen Schraubenköpfen 16 der Befestigungsschrauben 13, so dass ein Abstand zwischen den Auswölbungen 9 des Batteriegehäuse 8 und den Schraubenköpfen 16 der Befestigungsschrauben 13 vorgegeben ist.
Da Kühlplatte 4, Gleitscheiben 15 sowie Spann- oder Federelement 17 ebenfalls zwischen dem Schraubenkopf 16 der Befestigungsschraube 13 und der Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 angeordnet sind, ist somit eine vorgegebene Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 sichergestellt, da die Befestigungsschraube 13 nur bis zu einem durch die Abstandshülse 14 vorgegebenen Punkt in die Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 eingeschraubt werden kann.
Somit wird mit dieser erfindungsgemäßen Lösung zwar eine erwünschte horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 zugelassen, aber gleichzeitig eine unerwünschte vertikale Bewegung der Kühlplatte 4 verhindert.
Bei der Vorspannung der Spann- oder Federelemente 17, d. h. bei der Vorgabe des Drehmomentes, mit dem die Befestigungsschrauben 13 angezogen werden bzw. bei der Vorgabe der Länge der Abstandshülsen 14, muss auch die durch die horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 über die Lebensdauer der Batterie hervorgerufene Abnutzung der Batterieteile berücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere die Kühlplatte 4 im Bereich der Befestigungen sowie die Gleitscheiben 15. Ebenso muss die Alterung der Spann- oder Federelemente 17 und ein damit verbundenes Nachlassen der Federwirkung berücksichtigt werden.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung im Bereich einer horizontal verschieblichen Kühlplattenbefestigung. In der Kühlplatte 4 ist eine Bohrung 11 zur Befestigung der Kühlplatte 4 an der Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 angeordnet. Durch diese Bohrung 11 werden die Abstandshülse 14 und in dieser der Schaft 12 der Befestigungsschraube 13 hindurchgeführt. Der Innendurchmesser der Bohrung 11 ist größer als der Außendurchmesser der Abstandshülse 14. Dies ermöglicht eine begrenzte horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 an dieser Stelle.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Bohrung 11 einen runden Querschnitt. Alternativ dazu sind diese Bohrungen 11 auch beispielsweise vieleckig oder ovalförmig ausformbar. Bei einer länglichen Kühlplatte 4 ist es beispielsweise sinnvoll, die Bohrungen 11 langlochförmig auszuformen, da thermisch bedingte Dehnungen bei einer solchen Kühlplatte 4 in ihrer Längsrichtung größer sind als in Querrichtung.
An der Oberseite und der Unterseite der Kühlplatte 4 sind an der Bohrung 11 Gleitscheiben 15 angeordnet. Diese sind beispielsweise aus Kunststoff oder Teflon, so dass der Reibungskoeffizient zwischen Gleitscheibe 15 und Kühlplatte 4 geringer ist, als dies zwischen Kühlplatte 4 und der Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 der Fall wäre.
An der Oberseite der Kühlplatte 4 sind eine Unterlegscheibe 18 und ein Spann- oder Federelement 17, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Tellerfeder, angeordnet. Der Schaft 12 der Befestigungsschraube 13 ist durch das Spann- oder Federelement 17, die Unterlegscheibe 18, die Gleitscheiben 15 sowie die Bohrung 11 in der Kühlplatte 4 und die darin angeordnete Abstandshülse 14 hindurchgeführt und in die Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 eingeschraubt.
Dabei ist durch die Abstandshülse 14 vorgegeben, wie weit die Befestigungsschraube 13 in die Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 hineingeschraubt werden kann, d. h. wie groß der Abstand zwischen dem Schraubenkopf 16 und der Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 ist. Dieser Abstand ist so vorgegeben, dass das Spann- oder Federelement 17 durch das Anziehen der Befestigungsschraube 13 in vorgegebenem Maße vorgespannt ist.
Bei der Berechnung der Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 muss sowohl der Anpressdruck berücksichtigt werden, der nötig ist, um zwar horizontale, aber keine vertikalen Bewegungen der Kühlplatte 4 zuzulassen, als auch der Materialverschleiß der an dieser Stelle angeordneten Batterieteile über die Lebenszeit der Batterie einbezogen werden. Dies betrifft insbesondere den durch Reibung verursachten Materialverschleiß an den Gleitscheiben 15 und der Kühlplatte 4 sowie die Materialermüdung und damit verbundene nachlassende Federwirkung des Spann- oder Federelementes 17.
Durch die Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 wird eine Befestigung der Kühlplatte 4 in vertikaler Richtung sichergestellt. In horizontaler Richtung bestimmt die Größe der Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 den Anpressdruck der Gleitscheiben 15 an die Kühlplatte 4 und somit die Größe des Reibungskoeffizienten zwischen Gleitscheiben 15 und Kühlplatte 4.
Auf diese Weise ist eine Befestigung der Kühlplatte 4 auch in horizontaler Richtung durch Haftreibung zwischen Gleitscheiben 15 und Kühlplatte 4 gegeben, so dass die Kühlplatte 4 sich nicht lose und unkontrolliert im Batteriegehäuse 8 bewegt.
Erst wenn die beispielsweise durch Wärmedehnung der Kühlplatte 4 verursachten Kräfte in horizontaler Richtung größer sind als diese Haftreibung, ist eine begrenzte horizontaler Bewegung der Kühlplatte 4 möglich, womit das damit bei Batterien nach dem Stand der Technik verbundene Auftreten von Verspannungen zwischen Kühlplatte 4 und Batteriegehäuse 8 vermieden ist. Begrenzt wird diese horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 durch die Größe der Bohrungen 11 bzw. den Abstand von der Außenwandung der Abstandshülse 14 zur Innenwandung der Bohrung 11 in der Kühlplatte 4.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Batterieunterteils 1 nach 1. Die Einzelzellen 2 sind in die Kühlplatte 4 eingesetzt, wobei die Polkontakte 7 der Einzelzellen 2 durch die Aussparungen 6 in der Kühlplatte 4 hindurchragen.
Die mit den Einzelzellen 2 bestückte Kühlplatte 4 ist im Batteriegehäuse 8 auf Auswölbungen 9 der Innenwandung des Batteriegehäuses 8 aufgesetzt und, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Verschraubung, befestigt, wobei an der Verschraubung am Kühlmittelanschluss 10 keine Gleitscheiben 15 bzw. kein Spann- oder Federelement 17 angeordnet sind, so dass die Kühlplatte 4 an dieser Stelle fest mit einer Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 verbunden und eine Bewegung der Kühlplatte 4 an dieser Stelle weder in vertikaler noch in horizontaler Richtung möglich ist.
An den anderen Befestigungen der Kühlplatte 4 an den Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8 sind sowohl Gleitscheiben 15 als auch Spann- oder Federelemente 17 angeordnet, wodurch in diesen Befestigungspunkten zwar eine horizontale, aber keine vertikale Bewegung der Kühlplatte 4 möglich ist. Auch die horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 ist einerseits durch die Größe der Bohrungen 11 und andererseits durch den Reibungskoeffizienten zwischen Gleitscheiben 15 und Kühlplatte 4 begrenzt.
In der 3 ist ein Abstand zwischen den Rändern der Kühlplatte 4 und dem Batteriegehäuse 8 zu erkennen. Auf diese Weise ist eine horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 möglich, ohne dass diese das Batteriegehäuse 8 berührt.
Die Kühlplatte 4 ist ausschließlich im Bereich des Kühlmittelanschlusses 10 sowie über die Befestigungen mit den Auswölbungen 9 der Innenwandung des Batteriegehäuses 8 verbunden. Auf diese Weise ist den durch unterschiedliche Temperaturen bzw. unterschiedliche Wärmedehnungen verursachten Spannungen zwischen Kühlplatte 4 und Batteriegehäuse 8 entgegengewirkt. Zudem ist die Kühlplatte 4 vom Batteriegehäuse 8 weitestgehend thermisch entkoppelt, wodurch die Kühlung der Batterie verbessert ist.
4 zeigt eine Darstellung eines Batterieunterteils 1 in Draufsicht. Das dargestellte Batterieunterteil 1 entspricht dem in 3 dargestellten Batterieunterteil 1. Deutlich zu erkennen sind die Aussparungen 6 in der Kühlplatte 4 und die durch diese Aussparungen 6 hindurch geführten Polkontakte 7 der Einzelzellen 2. Die Außenkonturen der Polkontakte 7 korrespondieren mit den Innenkonturen der Aussparungen 6 in der Kühlplatte 4, so dass die Einzelzellen 2 in diesem Bereich sowohl gegen Drehbewegungen als auch horizontale Bewegungen sicher gelagert sind.
In der Darstellung ist der seitliche Abstand zwischen den Rändern der Kühlplatte 4 und dem Batteriegehäuse 8 zu erkennen, wodurch sowohl horizontale Bewegungen der Kühlplatte 4 als auch eine thermische Abkopplung der Kühlplatte 4 vom Batteriegehäuse 8 ermöglicht werden.
Im Bereich des Kühlmittelanschlusses 10 ist die Kühlplatte 4 durch Verschraubung fest mit einer der Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8 verbunden, so dass in diesem Bereich weder horizontale noch vertikale Bewegungen der Kühlplatte 4 möglich sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Kühlmittelanschluss 10 nicht durch Bewegungen beschädigt wird.
In den anderen Befestigungspunkten erfolgt die Befestigung der Kühlplatte 4 an den Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8 durch Verschraubung und mittels zwischen Unterseite der Kühlplatte 4 und Batteriegehäuse 8 angeordneter Gleitscheiben 15 sowie zwischen Oberseite der Kühlplatte 4 und Schraubenkopf 16 der Befestigungsschrauben 13 angeordneter Gleitscheiben 15 und Spann- oder Federelemente 17, wie bereits in den vorherigen Figuren erläutert.
5 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlplattenbefestigung. Dargestellt ist eine Variante, wie eine vorgegebene Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 einstellbar ist.
Die Kühlplatte 4 ist auf eine der Auswölbungen 9 der Innenwandung des Batteriegehäuse 8 aufgesetzt. Der Schaft 12 der Befestigungsschraube 13 ist durch ein Spann- oder Federelement 17, eine Unterlegscheibe 18, eine Gleitscheibe 15, die Bohrung 11 in der Kühlplatte 4 sowie eine weitere Gleitscheibe 15 hindurchgeführt und in einer der Auswölbungen 9 der Innenwandung des Batteriegehäuse 8 verschraubt. Es sind also sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Kühlplatte 4 jeweils eine Gleitscheibe 15 angeordnet.
Der Außendurchmesser des Schaftes 12 der Befestigungsschraube 13 ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung 11 in der Kühlplatte 4, wodurch der Kühlplatte 4 eine begrenzte horizontale Bewegung ermöglicht ist. Das maximal mögliche Ausmaß der horizontalen Bewegung ist dabei abhängig vom Abstand der Innenwandung der Bohrung 11 in der Kühlplatte 4 von dem Schaft 12 der Befestigungsschraube 13, d. h. vom Unterschied zwischen Innendurchmesser der Bohrung 11 und Außendurchmesser des Schaftes 12 der Befestigungsschraube 13.
Analog zum Abstand zwischen dem Schaft 12 der Befestigungsschraube 13 und der Innenwandung der Bohrung 11 ist auch zwischen dem Außenrand der Kühlplatte 4 und dem Batteriegehäuse 8 ein Abstand vorgegeben, um der Kühlplatte 4 eine horizontale Bewegung zu ermöglichen. Die Kühlplatte 4 hat somit in diesem Bereich lediglich über die Gleitscheibe 15 Kontakt zu einer der Auswölbungen 9 des Batteriegehäuses 8, wobei das Material der Gleitscheibe 15 nur schlecht Wärme leitend ist. Die Kühlplatte 4 ist in diesem Bereich also fast vollständig vom Batteriegehäuse 8 thermisch entkoppelt, wodurch eine effizientere Kühlung ermöglicht ist.
Durch die Befestigungsschraube 13 ist die Kühlplatte 4 in vertikaler Richtung gegen Bewegungen gesichert. In horizontaler Richtung sind zwar Bewegungen der Kühlplatte 4 möglich, werden aber durch die Haftreibung zwischen Gleitscheiben 15 und Kühlplatte 4 erschwert, wodurch eine relative Befestigung der Kühlplatte 4 auch in horizontaler Richtung sichergestellt ist. Die Kühlplatte 4 ist somit in horizontaler Richtung nicht lose im Batteriegehäuse 8 gelagert.
Die Stärke der Haftreibung, d. h. der Reibungskoeffizient, wird sowohl durch das Material der Gleitscheibe 15 bzw. der Kühlplatte 4 als auch durch den Anpressdruck beeinflusst, mit dem die Gleitscheiben 15 an die Kühlplatte 4 gepresst werden. Dieser Anpressdruck wird über ein vorgespanntes Spann- oder Federelement 17 vorgegeben und ist über die Vorspannung dieses Spann- oder Federelementes 17 einstellbar. In dem hier dargestellten. Ausführungsbeispiel wird die Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 über das Drehmoment eingestellt, mit dem die Befestigungsschraube 13 angezogen wird.
Bei der Vorgabe dieses Drehmomentes, d. h. bei der Festlegung der Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17, ist als Einflussfaktor auch der Verschleiß von Batterieteilen über die Lebensdauer der Batterie zu berücksichtigen. Dies betrifft insbesondere den durch Reibung verursachten Verschleiß der Gleitscheiben 15 und der Kühlplatte 4 sowie eine durch Materialermüdung verursachte nachlassende Federwirkung des Spann- oder Federelementes 17.
6 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlplattenbefestigung mit Abstandshülse 14. Dies stellt eine weitere Variante dar, wie eine vorgegebene Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 einstellbar ist.
Im Gegensatz zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier die Vorspannung des Spann- oder Federelementes 17 über die Länge der Abstandshülse 14 vorgegeben, welche den Abstand zwischen dem Schraubenkopf 16 der Befestigungsschraube 13 und der Auswölbung 9 des Batteriegehäuses 8 vorgibt und damit die Einschraubtiefe der Befestigungsschraube 13 begrenzt, womit das Spann- oder Federelement 17 nur bis zu einem dadurch vorgegebenen Maß vorgespannt werden kann.
Die mögliche horizontale Bewegung der Kühlplatte 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den Abstand der Innenwandung der Bohrung 11 in der Kühlplatte 4 zur Außenwandung der Abstandshülse 14 vorgegeben, da der Außendurchmesser der Abstandshülse 14 kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung 11 in der Kühlplatte 4.
Bezugszeichenliste

1: Batterieunterteil
2: Einzelzelle
3: Wärmeleitfolie
4: Kühlplatte
5: Ausnehmung
6: Aussparung
7: Polkontakte
8: Batteriegehäuse
9: Auswölbung
10: Kühlmittelanschluss
11: Bohrung
12: Schaft
13: Befestigungselement, insbesondere Befestigungsschraube
14: Abstandshülse
15: Gleitscheibe
16: Schraubenkopf
17: Spann- oder Federelement
18: Unterlegscheibe

Claims

Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen (2) und einer polseitig auf den Einzelzellen (2) angeordneten und an einem Batteriegehäuse (8) befestigten Kühlplatte (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (4) in mehreren Befestigungspunkten zumindest teilweise horizontal beweglich an dem Batteriegehäuse (8) befestigt ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Rand der Kühlplatte (4) und dem Batteriegehäuse (8) mit Ausnahme des Bereiches des Kühlmittelanschlusses (10) ein Freiraum gebildet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenwandung des Batteriegehäuses (8) Auswölbungen (9) angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (4) auf die Auswölbungen (9) aufgesetzt und an diesen befestigt ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlplatte (4) Bohrungen (11) zur Durchführung von Befestigungselementen (13), insbesondere Befestigungsschrauben (13), angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt dieser Bohrungen (11) in der Kühlplatte (4) größer ist als ein Querschnitt eines Schaftes (12) des Befestigungselementes (13).
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bohrungen (11) einen runden, einen ovalförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schraubenkopf (16) der Befestigungsschraube (13) und der Auswölbung (9) an der Innenwandung des Batteriegehäuses (8) eine Abstandshülse (14) angeordnet ist, welche einen Schaft (12) der Befestigungsschraube (13) ummantelt, wobei die Längsausdehnung der Abstandshülse (14) kürzer ist als die Längsausdehnung des Schaftes (12) der Befestigungsschraube (13).
Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt dieser Bohrungen (11) in der Kühlplatte (4) größer ist als ein Querschnitt der Abstandshülsen (14).
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Bohrungen (11) in der Kühlplatte (4) an Ober- und Unterseite der Kühlplatte (4) Gleitscheiben (15) lose angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Gleitscheiben (15) aus Kunststoff sind.
Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Gleitscheiben (15) aus Teflon sind.
Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den an der Oberseite der Kühlplatte (4) angeordneten Gleitscheiben (15) und Schraubenköpfen (16) der Befestigungsschrauben (13) Spann- oder Federelemente (17) angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann- oder Federelement (17) eine Tellerfeder ist.
Batterie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann- oder Federelemente (17) die Gleitscheiben (15) gegen die Kühlplatte (4) vorspannt.
Batterie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Vorspannung mittels des Befestigungselementes (13) einstellbar ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kühlplatte (4) Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmittel integriert sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlplatte (4) und den Einzelzellen (2) eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie (3) angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) mit ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite der Kühlplatte (4) Zellverbinder angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) mittels auf die durch die Kühlplatte (4) hindurchragenden Polkontakte (7) der Einzelzellen (2) aufgesetzte Zellverbinder seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) durch mit den Abmessungen der Polkontakte (7) korrespondierendes Aussparungen (6) in der Kühlplatte (4) mit dieser formschlüssig verbunden und gegenüber Drehbewegungen fixiert sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist.