DE102008034864A1

DE102008034864A1 - Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102008034864A1
Application number: DE200810034864
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Meintschel; Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter; Wolfgang Dr. Warthmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (B) mit einer Wärmeleitplatte (4) zum Temperieren der Batterie (B) und mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen (1), die als Rundzellen ausgebildet und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte (4) verbunden sind, wobei die Einzelzellen (1) jeweils von einem Zellengehäuse (1.1) umgeben und zu einem Zellenverbund (3) zusammengefasst sind, wobei die Wärmeleitplatte (4) Aussparungen aufweist, deren Form mit einer Form eines Wärmeleitprofils (2) korrespondiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie und mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen, die als Rundzellen ausgebildet und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, wobei die Einzelzellen jeweils von einem Zellengehäuse umgeben und zu einem Zellenverbund zusammengefasst sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Batterien, wie zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, bekannt, die, um eine entstehende Verlustwärme abzuführen, üblicherweise gekühlt werden. Die Batterie umfasst dabei mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen, insbesondere Rundzellen. Die Kühlung der Batterie, insbesondere der Einzelzellen, erfolgt im Allgemeinen direkt mittels zwischen den Einzelzellen geführter vorgekühlter Luft oder indirekt über den Klimakreislauf. Bei der indirekten Kühlung sind die Einzelzellen Wärme leitend mit einer von einem Kühlmedium, wie z. B. einem Kühlmittel des Klimakreislaufs, durchströmten Wärmeleitplatte verbunden, die kopfseitig oder bodenseitig angeordnet ist. Die bei Laden und Entladen der Einzelzellen entstehende Wärme ist mittels des die Wärmeleitplatte durchströmenden Kühlmediums abführbar. Zum Führen des Kühlmediums ist innerhalb der Wärmeleitplatte eine Kanalstruktur angeordnet, der über Anschlussstellen das Kühlmedium zuführbar ist. Die der Wärmeleitplatte zugeführte und auf das Kühlmedium übertragende Wärme wird anschließend über die zugehörige Anschlussstelle in den Klimakreislauf abgeführt. Ferner ist zur Ableitung der Wärme von den Einzelzellen das die Einzelzellen umgebende Batterie- oder Zellengehäuse mit einer wärmeleitfähigen Vergussmasse gefüllt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie anzugeben, die bei einem möglichst hohen Wärmeübergang einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie und mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen, die als Rundzellen ausgebildet und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, wobei die Einzelzellen jeweils von einem Zellengehäuse umgeben und zu einem Zellenverbund zusammengefasst sind. Für ein effizientes Abführen einer bei Laden und Entladen entstehenden Verlustwärme der Batterie weist die Wärmeleitplatte Aussparungen auf, deren Form in vorteilhafter Weise mit einer Form eines Wärmeleitprofils korrespondiert.
Für ein effizientes Abführen einer bei Laden und Entladen entstehenden Verlustwärme der Batterie ist besonders vorteilhaft in der Aussparung ein Wärmeleitprofil angeordnet. Das Wärmeleitprofil ist vorzugsweise parallel zur Längsachse der Einzelzelle angeordnet, wobei dessen Form in vorteilhafter Weise mit einer Form wenigstens eines Zellengehäuses korrespondiert. Das Wärmeleitprofil nimmt vorteilhaft die Verlustwärme auf und führt diese der Wärmeleitplatte, die boden- oder kopfseitig angeordnet ist, zu.
Dabei ist das Wärmeleitprofil besonders vorteilhaft derart in der Aussparung angeordnet, dass eine Höhe des Wärmeleitprofils einer Höhe des Zellengehäuses weitgehend entspricht. Hierzu weist die Aussparung besonders bevorzugt eine vorgebbare Tiefe auf.
Darüber hinaus ist das Wärmeleitprofil vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig angeordnet. In einer möglichen Ausführungsform kann das Wärmeleitprofil in die Aussparung geklebt, gelötet oder gesteckt sein.
Das Wärmeleitprofil nimmt vorteilhaft die Verlustwärme auf und führt diese der Wärmeleitplatte, die insbesondere kopf- oder bodenseitig angeordnet ist, zu. Durch eine derartige Ausführung der Batterie ist ein Einfüllen von aus dem Stand der Technik bekannter Vergussmasse zur Wärmeleitung nicht erforderlich. Durch Wegfall oder zumindest Reduzierung des Einfüllens von Vergussmasse ist der Aufbau der Batterie vereinfacht. Kosten hinsichtlich Vergussmasse und Vergussprozess sind deutlich reduziert. Zusätzlich ist aufgrund des zumindest teilweisen Entfallens der Vergussmasse ein benötigter Bauraumbedarf der Batterie vorteilhaft reduziert.
Die Wärmeleitplatte ist vorzugsweise beispielsweise an einen Klimakreislauf eines Fahrzeuges angeschlossen und von einem Kühlmedium durchströmt. Hierzu ist innerhalb der Wärmeleitplatte eine Kanalstruktur ausgebildet.
Die der Wärmeleitplatte zugeführte Verlustwärme ist bevorzugt über das Kühlmedium abführbar. Anhand der Anordnung des Wärmeleitprofils in die Aussparung der Wärmeleitplatte sowie an eine Einzelzelle ist eine Kühlung dieser verbessert, wodurch die Betriebsfähigkeit und somit die Lebensdauer der Batterie erhöht sind.
Die erfindungsgemäße Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, ist in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, einsetzbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer als Rundzelle ausgeführten Einzelzelle mit angeordnetem Wärmeleitprofil,
2 schematisch einen Querschnitt einer Einzelzelle mit angeordnetem Wärmeleitprofil,
3 eine Draufsicht mehrerer zu einem Zellenverbund zusammengefasster Rundzellen mit jeweils angeordnetem Wärmeleitprofil,
4 schematisch eine Ansicht von unten eines Zellenverbundes nach 3, und
5 schematisch eine Batterie mit einem Zellenverbund und kopfseitig angeordneter Wärmeleitplatte, die Aussparungen aufweist, in denen Wärmeleitprofile angeordnet sind.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine als Rundzelle ausgeführte Einzelzelle 1 einer Batterie dargestellt.
Die Einzelzelle 1 umfasst dabei ein Zellengehäuse 1.1, in dem ein nicht dargestelltes Zelleninneres, beispielsweise in Form von elektrochemisch aktiven Folien, angeordnet ist. Das Zellengehäuse 1.1 ist hierzu kreiszylindrisch ausgebildet. Eine Mantelfläche M des Zellengehäuses 1.1 ist dabei z. B. aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gebildet oder elektrisch neutral.
Eine Deckfläche D des Zellengehäuses 1.1 bildet hierbei einen Zellendeckel 1.2, der das Zelleninnere vorteilhaft vor äußeren Einflüssen schützt bzw. dieses von der Umwelt abgrenzt. Auf dem Zellendeckel 1.2 sind beispielsweise zwei Pole 1.3, insbesondere ein Pluspol und ein Minuspol der Einzelzelle 1, angeordnet. Mittels der Pole 1.3 kann die Einzelzelle 1 vorteilhaft parallel und/oder seriell verschaltet sein. Um die Pole 1.3 hinsichtlich deren Polarität unterscheiden zu können, sind diese insbesondere verschiedenartig ausgeformt auf dem Zellendeckel 1.2 angeordnet.
Für eine effiziente Abführung von bei Ladevorgängen in der Einzelzelle 1 entstehender Verlustwärme ist an der Einzelzelle 1 vorzugsweise ein Wärmeleitprofil 2 angeordnet. Anhand dieser Anordnung ist die Verlustwärme in vorteilhafter Weise direkt von der Einzelzelle 1 auf das Wärmeleitprofil 2 übertragbar. Das Wärmeleitprofil 2 ist hierzu vorzugsweise parallel zur Längsachse X der Einzelzelle 1 anordbar.
In 2 ist ein Querschnitt der als Rundzelle ausgeführten Einzelzelle 1 dargestellt. An der Einzelzelle 1 ist das Wärmeleitprofil 2 angeordnet.
Das Wärmeleitprofil 2 weist in vorteilhafter Weise eine horizontale sowie eine vertikale Symmetrieachse Y, Z auf. Dabei ist das Wärmeleitprofil 2 entlang der horizontalen sowie der vertikalen Symmetrieachse Y, Z spiegelsymmetrisch ausgeführt. Durch die Symmetrie des Wärmeleitprofils 2 sind wenigstens zwei Einzelzellen 1, insbesondere Rundzellen, an diesem anordbar.
In 3 ist ein Zellenverbund 3 von mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen 1 von oben dargestellt. Dabei weist der Zellenverbund 3 insbesondere 35 Einzelzellen 1 auf, die in sieben Reihen untereinander jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.
Jeder Einzelzelle 1 ist beispielsweise ein Wärmeleitprofil 2 zugeordnet, wobei der Zellendeckel 1.2 mit an diesem angeordneten Polen 1.3 zu sehen ist.
Die Wärmeleitprofile 2 sind in dem Zellenverbund 3 derart angeordnet, dass eine einzelne Einzelzelle 1, insbesondere eine randseitig in dem Zellenverbund 3 angeordnete Einzelzelle 1, wenigstens mit einem Wärmeleitprofil 2 thermisch gekoppelt ist. Darüber hinaus sind die Einzelzellen 1 und Wärmeleitprofile 2 in dem Zellenverbund 3 derart angeordnet, dass Zwischenräume in diesem und somit größere Lufteinschlüsse zwischen den Einzelzellen 1 in vorteilhafter Weise vermieden sind. Zusätzlich sind insbesondere ”mittig” in dem Zellenverbund 3 angeordnete Einzelzellen 1 thermisch an drei weitere Wärmeleitprofile 2 gekoppelt.
Durch diese Platz sparende Anordnung der Wärmeleitprofile 2 an wenigstens eine Einzelzelle 1 entfällt beispielsweise ein Einfüllen von Vergussmasse in die Zwischenräume des Zellenverbundes 3. Darüber hinaus ist mittels der Anordnung der Wärmeleitprofile 2 zur effizienten Abführung der Verlustwärme das Einfüllen der Vergussmasse nicht erforderlich.
4 zeigt den in 3 dargestellten Zellenverbund 3 in einer Ansicht von unten.
In 5 ist eine Batterie B, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder für ein mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, dargestellt.
Die Batterie B umfasst mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen 1, die zu dem Zellenverbund 3 zusammengefasst sind. An jeder Einzelzelle 1 ist bevorzugt wenigstens ein Wärmeleitprofil 2 angeordnet, das durch seine Form mit wenigstens einem Zellengehäuse 1.1 korrespondiert.
Um die den Wärmeleitprofilen 2 zugeführte Verlustwärme der Einzelzellen 1 abzuführen, ist eine Wärmeleitplatte 4 zur Aufnahme dieser vorgesehen. Insbesondere ist die Wärmeleitplatte 4 kopfseitig zu dem Zellenverbund 3 angeordnet. Die Wärmeleitprofile 2 sind dabei insbesondere thermisch an die Wärmeleitplatte 4 gekoppelt.
Die Wärmeleitplatte 4 weist erfindungsgemäß nicht dargestellte Aussparungen auf. Eine Form der Aussparungen korrespondiert in vorteilhafter Weise mit einer Form, insbesondere mit dem Querschnitt des Wärmeleitprofils 2. Dabei ist jeweils ein Wärmeleitprofil 2 einer Aussparung zugeordnet und in dieser angeordnet. Hierzu ist eine Tiefe der Aussparung vorgebbar. Die Tiefe der Aussparung ist dahingehend vorgebbar, dass vorzugsweise eine Höhe h des Wärmeleitprofils 2 einer Höhe h des Zellengehäuses 1.1 weitgehend entspricht, wobei das Wärmeleitprofil 2 vorzugsweise direkt mit der Wärmeleitplatte 4 verbunden ist.
Das Wärmeleitprofil 2 ist in der Aussparung der Wärmeleitplatte 4 vorteilhaft kraft-, form- und/oder stoffschlüssig befestigt. Hierzu kann das Wärmeleitprofil 2 beispielsweise mittels Rastelementen oder einer Schraubverbindung kraft- und formschlüssig befestigt sein.
Alternativ und/oder zusätzlich kann das Wärmeleitprofil 2 stoffschlüssig in der Aussparung befestigt sein. Hierzu ist das Wärmeleitprofil 2 beispielsweise an die Wärmeleitplatte 4 geschweißt, gelötet oder geklebt.
Für eine Herstellung, insbesondere Montage, der Batterie B mit bodenseitig angeordneter Wärmeleitplatte 4 können in einem möglichen Ausführungsbeispiel vor einem Einsetzen der Einzelzellen 1 vorzugsweise die Wärmeleitprofile 2 in die Aussparungen angeordnet werden.
Alternativ dazu können auch erst die Einzelzellen 1 auf die Wärmeleitplatte 4 aufgesetzt werden, wobei in Zwischenräumen der Einzelzellen 1 die Wärmeleitprofile 2 einsetzbar sind.
In einem weiteren möglichen Ausführungsbeispiel kann das Wärmeleitprofil 2 vor einer Montage der Batterie B stoffschlüssig an einer Einzelzelle 1 befestigt, insbesondere geklebt werden.
Die Wärmeleitplatte 4 weist im Inneren eine nicht dargestellte Kanalstruktur auf, die beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Über das Kühlmedium ist die der Wärmeleitplatte 4 zugeführte Wärme vorteilhaft abführbar. Hierzu sind an der Wärmeleitplatte 4 Anschlussstellen 4.1 angeordnet, anhand derer zum Beispiel ein Anschluss der Wärmeleitplatte 4 an einen Klimakreislauf einer Klimaanlage des Fahrzeuges durchführbar ist.
Um insbesondere Luftspalte zwischen dem Zellenverbund 3 und der Wärmeleitplatte 4 zu reduzieren sowie einen robusten Zellenverbund 3 herzustellen, sind die Einzelzellen 1 mit der Wärmeleitplatte 4 verspannt. Dabei ist das Wärmeleitprofil 2 besonders bevorzugt gegen die Wärmeleitplatte 4 gepresst, wodurch ein effizienter Wärmeübertrag von der Einzelzelle 1 über das Wärmeleitprofil 2 an die Wärmeleitplatte 4 realisierbar ist.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann der Zellenverbund 3 mit insbesondere kopfseitig angeordneter Wärmeleitplatte 4 durch die kompakte Bauweise besonders vorteilhaft als ein Modul oder eine Einheit beispielsweise in ein nicht näher dargestelltes Gehäuse, welches die Batterie B vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Nässe, schützt, einsetzbar sein.
Darüber hinaus kann das Gehäuse für eine zusätzliche Kühlung der Batterie B, insbesondere der randseitig in dem Zellenverbund 3 angeordneten Einzelzellen 1, eine Oberflächenstruktur, wie zum Beispiel Kühlrippen, aufweisen.

Claims

Batterie (B) mit einer Wärmeleitplatte (4) zum Temperieren der Batterie (B) und mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen (1), die als Rundzellen ausgebildet und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte (4) verbunden sind, wobei die Einzelzellen (1) jeweils von einem Zellengehäuse (1.1) umgeben und zu einem Zellenverbund (3) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (4) Aussparungen aufweist, deren Form mit einer Form eines Wärmeleitprofils (2) korrespondiert.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) in der Aussparung angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) parallel zu einer Längsachse (X) der Einzelzelle (1) angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form des Wärmeleitprofils (2) mit einer Form wenigstens eines Zellengehäuses (1.1) einer Einzelzelle (1) korrespondiert.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) derart in der Aussparung anordbar ist, dass eine Höhe (h) des Wärmeleitprofils (2) einer Höhe (h) des Zellengehäuses (1.1) weitgehend entspricht.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Aussparung eine vorgebbare Tiefe aufweist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an der Wärmeleitplatte (4) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (B) mit einer Wärmeleitplatte (4) zum Temperieren der Batterie (B) und mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen (1), die als Rundzellen ausgebildet sind und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte (4) verbunden werden, wobei die Einzelzellen (1) jeweils von einem Zellengehäuse (1.1) umgeben und zu einem Zellenverbund (3) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (4) mit Aussparungen versehen wird, deren Form mit einer Form eines Wärmeleitprofils (2) korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) in die Aussparung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung mit einer vorgebbaren Tiefe versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) parallel zu einer Längsachse (X) der Einzelzelle (1) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) derart in die Aussparung angeordnet wird, dass eine Höhe (h) des Wärmeleitprofils (2) einer Höhe (h) des Zellengehäuses (1.1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitprofil (2) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an der Wärmeleitplatte (4) befestigt wird.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) als eine Fahrzeugbatterie, insbesondere in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, einsetzbar ist.