DE102008034874A1

DE102008034874A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102008034874A1
Application number: DE200810034874
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Ing. Meintschel; Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter
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
Anticipated expiration: 2028-07-27
Also published as: DE102008034874B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1), umfassend eine Anzahl von in mindestens zwei Reihen (2.1 bis 2.n-1) parallel ausgerichteten Einzelzellen (3), wobei zwischen einander benachbarten Reihen (2.1 bis 2.n-1) und an jeweiligen Außenseiten einer ersten Reihe (2.1) und einer letzten Reihe (2.n-1) jeweils ein Kühlmodul (4.1 bis 4.n) angeordnet ist, das in Richtung jeder daran angrenzenden Reihe (2.1 bis 2.n-1) eine zu Außenflächen der Einzelzellen (3) der Reihe (2.1 bis 2.n-1) komplementäre Form aufweist. Dabei weist jedes Kühlmodul (4.1 bis 4.n) mindestens zwei Medienanschlüsse (5.1, 5.2) zum Zuleiten und/oder Ableiten eines Kühlmediums (K) auf, wobei die Einzelzellen (3) zwischen den Kühlmodulen (4.1 bis 4.n) kraftschlüssig gehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend eine Anzahl von in mindestens zwei Reihen parallel ausgerichteten Einzelzellen.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen umfassen eine Vielzahl in Reihe und/oder parallel geschalteter Einzelzellen. Die Einzelzellen müssen gekühlt werden, um entstehende Verlustwärme abzuführen, insbesondere wenn sie als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Eine Kühlung kann beispielsweise mittels Flüssigkeit aus einem Klimakreislauf oder mittels einer durch den Klimakreislauf temperierten Flüssigkeit erfolgen. Ebenso kann eine Luftkühlung mittels vorgekühlter Luft erfolgen. Flüssigkeitskühlung wird häufig aufgrund des geringeren Bedarfs an Bauraum bevorzugt. Dabei ist meist an den Einzelzellen oder an einem Zellblock eine vom Kühlmittel durchströmte Kühlplatte angeordnet. Diese kann sich an einer Kopf- oder Bodenseite der Einzelzelle befinden. Bei länglichen Einzelzellen wird die Verlustwärme in Zelllängsrichtung durch separate Wärmeleitstäbe oder -bleche oder durch die Zellwand zur Kühlplatte geleitet.
Die Einzelzelle kann hierzu optional Bauraum sparend partiell an ihrem Umfang aufgedickt oder waben- oder rechteckförmig gebildet sein. Die Wärmeleitstäbe sind mit der Kühlplatte verbunden. Wenn mehr Bauraum zur Verfügung steht und die bei länglichen Einzelzellen relativ geringe Kopf- oder Bodenfläche nicht zur Übertragung der Wärme ausreicht, so kann die Einzelzelle auch von der Seite gekühlt werden.
Bei länglichen Einzelzellen ist die Wärmeübergangsfläche an der Seite am größten. Wird die Einzelzelle nicht stoffschlüssig an den Kühler angebunden, kommen zur Kühlung flachbandförmige Schläuche zum Einsatz, die um die Zellen gelegt werden und von Kühlflüssigkeit durchflossen werden. Diese Lösung kann wirtschaftlich nur bei Großbatterien, beispielsweise für Busse eingesetzt werden, da die Montage der Batterie sehr aufwändig ist. Weil die Schläuche prinzipbedingt nur einen Teil der Zellseitenwand berühren, ist die Kühlung nicht optimal.
Die weiterhin bekannten starren Kühler, die Aussparungen besitzen, in die die Einzelzellen eingesetzt werden („Bierkastenprinzip”), haben den Nachteil, das toleranzbedingt zwischen Einzelzelle und Kühler ein Luftspalt bleibt, der den Wärmeübergang erschwert. Beide bekannten Lösungen sind nicht modular: Wird die Anzahl der Zellen verändert, ist jeweils eine Neukonstruktion erforderlich.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Batterie aus Einzelzellen mit verbesserter Kühlung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst eine Anzahl von in mindestens zwei Reihen parallel ausgerichteten Einzelzellen. Zwischen einander benachbarten Reihen und an jeweiligen Außenseiten einer ersten Reihe und einer letzten Reihe ist jeweils ein Kühlmodul angeordnet, das in Richtung jeder daran angrenzenden Reihe eine zu Außenflächen der Einzelzellen der Reihe komplementäre Form aufweist. Jedes Kühlmodul weist zweckmäßigerweise mindestens zwei Medienanschlüsse zum Zuleiten und/oder Ableiten eines Kühlmediums auf. Die Kühlmodule werden durch das Kühlmedium durchflossen.
Das Kühlmedium ist vorzugsweise flüssig. Beispielsweise können die Kühlmodule in einen Klimakreislauf eines Fahrzeugs einbezogen sein und von einem Kältemittel der Klimaanlage durchflossen werden. Ebenso kann ein vom Kältemittel der Klimaanlage über Wärmetauscher gekühltes Kühlmedium verwendet werden.
Die Einzelzellen sind vorzugsweise zwischen den Kühlmodulen kraft-, form- und/oder stoffschlüssig angeordnet, insbesondere gehalten. Durch das kraftschlüssige Verpressen von Einzelzellen und Kühlmodulen kommt die Außenwand der Zelle großflächig in Kontakt mit dem Kühlmodul, so dass ein optimaler Wärmeübergang sichergestellt ist. Der modulare Aufbau der Batterien ermöglicht eine variable Größe der Batterie mit variabler Anzahl von Reihen und Kühlmodulen. Die Anzahl der Einzelzellen je Reihe kann durch angepasste Kühlmodule variiert werden.
Die Einzelzellen sind beispielsweise als zylindrische Rundzellen ausgebildet. Dementsprechend weisen die Kühlmodule zur Außenfläche der Einzelzellen komplementäre, konkave Bereiche auf. Alternativ können auch prismatische Einzelzellen verwendet werden. Hierfür sind entsprechend in der Form angepasste Kühlmodule vorzusehen.
Vorzugsweise sind einander benachbarte Kühlmodule durch jeweils mindestens einen der Medienanschlüsse miteinander verbunden, so dass aus einem der Kühlmodule austretendes Kühlmedium in das benachbarte Kühlmodul weitergeleitet werden kann. Auf diese Weise benötigt die Batterie nur einen Zulauf und einen Rücklauf für das Kühlmedium nach außen.
Die Verbindung der Medienanschlüsse zwischen den benachbarten Kühlmodulen weist bevorzugt einen Wegausgleich auf, mit dem Toleranzen der Einzelzellen und Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden.
Im Kühlmodul kann ein Leitblech vorgesehen sein, mit dem sichergestellt wird, dass das Kühlmedium nicht die kürzeste Strecke zwischen den Medienanschlüssen wählt, sondern möglichst im gesamten Kühlmodul zirkuliert.
Das Kühlmodul kann aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet sein, insbesondere dann, wenn die Außenfläche der Einzelzellen elektrisch leitfähig ist und ein Potential eines der Pole der Einzelzelle aufweist. Alternativ können die Kühlmodule aus einem anderen Material, beispielsweise einem Metall, gebildet sein und eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen.
Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Einzelzellen und Kühlmodulen kann durch ein außen um die Batterie geführtes Spannband bewirkt sein. Ebenso kann der Kraftschluss auf andere Weise bewirkt werden, beispielsweise durch Verschraubung.
Miteinander verbundene Medienanschlüsse einander benachbarter Kühlmodule können so gestaltet sein, dass jeweils einer einen Rohrstutzen und der andere eine zum Rohrstutzen komplementäre Bohrung aufweist. Zum Wegausgleich kann der Rohrstutzen in der Bohrung längsverschiebbar sein.
Alternativ können die Medienanschlüsse zum Zwecke des Wegausgleichs durch flexible Schläuche, Schiebestücke oder teleskopierbare Rohre verbunden sein.
Vorzugsweise ist der Rohrstutzen in der Bohrung mittels eines O-Rings abgedichtet.
Die Batterie kann beispielsweise als eine Hochvoltbatterie in einem Hybridfahrzeug verwendet werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Batterie mit einer Vielzahl von in Reihen angeordneten Einzelzellen und Kühlmodulen,
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batterie aus 1,
3 eine Draufsicht auf die Batterie,
4 einen Längsschnitt durch die Batterie,
5 einen Ausschnitt des Längsschnitts aus 4 in Explosionsdarstellung,
6 eine Schnittdarstellung eines der Kühlmodule von der Seite,
7 eine Schnittdarstellung des Kühlmoduls von oben, und
8 einen Querschnitt durch die Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie 1 mit einer Vielzahl von in Reihen 2.1 bis 2.7 angeordneten galvanischen Einzelzellen 3 und Kühlmodulen 4.1 bis 4.8 gezeigt.
Die Einzelzellen 3 sind als zylindrische Zellen ausgebildet. Jede Reihe 2.1 bis 2.7 enthält fünf Einzelzellen 3. Die Kühlmodule 4.2 bis 4.7 sind jeweils zwischen zwei Reihen 2.1 bis 2.7 angeordnet. Die Kühlmodule 4.1 und 4.8 grenzen nur an die erste Reihe 2.1 bzw. die letzte Reihe 2.7 an.
Jedes Kühlmodul 4.1 bis 4.8 weist in Richtung der angrenzenden Reihen 2.1 bis 2.7 eine zu Außenflächen der Einzelzellen 3 der Reihen 2.1 bis 2.7 komplementäre Form auf. Jedes der Kühlmodule 4.1 bis 4.8 weist zwei Medienanschlüsse 5.1, 5.2 zum Zuleiten und/oder Ableiten eines Kühlmediums K auf. Die Einzelzellen 3 sind zwischen den Kühlmodulen 4.1 bis 4.8 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig gehalten. Der Kraftschluss wird durch ein Spannband 6 bewirkt, dass außen um die Batterie 1 geführt ist.
Das Kühlmedium K wird dem Medienanschluss 5.1 des Kühlmoduls 4.1 zugeführt, durchströmt dieses in Richtung –y und wird vom Medienanschluss 5.2 des Kühlmoduls 4.1 zum Medienanschluss 5.1 des benachbarten Kühlmoduls 4.2 geleitet. Dieses ist, beispielsweise mittels eines in den 4 bis 8 dargestellten Leitblechs, so gestaltet, dass das Kühlmittel zunächst in einem an die Reihe 2.1 angrenzenden Bereich des Kühlmoduls 4.2 in Richtung y bis zu einem den Medienanschlüssen 5.1, 5.2 gegenüberliegenden Ende des Kühlmoduls 4.2 und von dort in einem an die Reihe 2.2 angrenzenden Bereich wieder in Richtung –y zum Medienanschluss 5.2 fließt. Auf gleiche Weise wird das Kühlmedium K in allen Kühlmodulen 4.2 bis 4.7 geführt. Im letzten Kühlmodul 4.8 wird das Kühlmedium K lediglich in Richtung y bis zum Medienanschluss 5.2 geführt und tritt dort wieder aus der Batterie 1 aus.
In 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Reihen 2.1 bis 2.4 der Batterie 1 aus 1 gezeigt. Dabei wird die zur zylindrischen Außenfläche der Einzelzellen 3 komplementäre Form der Kühlmodule 4.1 bis 4.4 deutlich. Die Kühlmodule 4.1 bis 4.4 sind so gestaltet, dass sie nahezu eine Hälfte der Außenfläche jeder angrenzenden Einzelzelle 3 umgreifen, um einen Wärmeübergang auf einer möglichst großen Oberfläche zu ermöglichen.
In 3 ist eine Draufsicht auf die Batterie 1 aus den 1 und 2 gezeigt.
4 zeigt einen Längsschnitt durch die Batterie 1 entlang einer in 3 dargestellten Schnittebene B-B. In dieser Darstellung sind die oben genannten Leitbleche 7 in den Kühlmodulen 4.2 bis 4.7 gezeigt. Durch den Längsschnitt sind die Medienanschlüsse 5.1, 5.2, mit denen die benachbarten Kühlmodule 4.1 bis 4.8 verbunden sind, gut erkennbar.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts des Längsschnitts aus 4 mit den Kühlmodulen 4.2 und 4.3 und den daran angrenzenden Einzelzellen 3. Die Medienanschlüsse 5.1, 5.2 der Kühlmodule 4.2, 4.3 sind so gestaltet, dass jeder Medienanschluss 5.2 einen Rohrstutzen 8 und jeder Medienanschluss 5.1 eine zum Rohrstutzen 8 komplementäre Bohrung aufweist, in der der Rohrstutzen 8 im montierten Zustand der Batterie 1 eingeführt und abgedichtet ist. Der Rohrstutzen 8 ist in der Richtung x in der Bohrung des jeweiligen Medienanschlusses 5.1 verschiebbar. Auf diese Weise wird ein Wegausgleich realisiert, mit dem eine Wärmeausdehnung der Einzelzellen 3 und der Kühlmodule 4.1 bis 4.8 kompensiert werden kann.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines der Kühlmodule 4.2 von der Seite in der gleichen Schnittebene B-B wie in 5. An dem Rohrstutzen 8 des Medienanschlusses 5.2 ist ein O-Ring 9 vorgesehen, mit dem der Rohrstutzen 8 in der Bohrung des Medienanschlusses 5.1 des benachbarten Kühlmoduls 4.3 abgedichtet ist.
In 7 ist eine Schnittdarstellung des Kühlmoduls von oben, das heißt in einer in den Richtungen x und y aufgespannten Ebene gezeigt.
8 zeigt einen Querschnitt der Batterie 1 in einer in den Richtungen x und y aufgespannten Ebene.
Die innen liegenden, an zwei Reihen 2.1 bis 2.7 angrenzenden Kühlmodule 4.2 bis 4.7 sind alle auf gleiche Weise gebildet wie das Kühlmodul 4.2 in den 6 und 7.
Es ist eine beliebige Anzahl von Reihen 2.1 bis 2.n-1 mit einer entsprechenden Anzahl von Kühlmodulen 4.1 bis 4.n möglich.
Die Anzahl von Einzelzellen 3 in jeder Reihe kann von fünf abweichen, wenn die Kühlmodule entsprechend ausgebildet sind.
Die Batterie 1 kann auch prismatische Einzelzellen 3 aufweisen. Die Kühlmodule 4.1 bis 4.n müssen hierzu eine entsprechend angepasste Form aufweisen.
Es sind Kühlmodule 4.1 bis 4.n möglich, mit denen eine andere Anzahl von Einzelzellen 3 je Reihe 2.1 bis 2.n-1 realisierbar ist.
Die Kühlmodule 4.1 bis 4.n können jeweils mehr als zwei Medienanschlüsse 5.1 bis 5.n aufweisen.
Der Kraftschluss kann auf andere Weise bewirkt werden, beispielsweise durch Verschraubung.
Die Zuleitung und Ableitung des Kühlmediums K kann in umgekehrter Richtung erfolgen.
Der Wegausgleich in der Verbindung zwischen den Medienanschlüssen 5.1, 5.2 benachbarter Kühlmodule 4.1 bis 4.n kann auf andere Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können die Medienanschlüsse 5.1, 5.2 durch flexible Schläuche, Schiebestücke oder teleskopierbare Rohre verbunden sein.
Die Kühlmodule 4.1 bis 4.n sind beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet, insbesondere dann, wenn die Außenfläche der Einzelzellen 3 elektrisch leitfähig ist und ein Potential eines der Pole der Einzelzelle 3 aufweist. Alternativ können die Kühlmodule 4.1 bis 4.n aus einem anderen Material, beispielsweise einem Metall, gebildet sein und eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen.
Die Batterie 1 kann als Hochvoltbatterie in einem Hybridfahrzeug verwendet werden.
Das Kühlmedium K ist vorzugsweise flüssig. Beispielsweise können die Kühlmodule 4.1 bis 4.n in einen Klimakreislauf eines Fahrzeugs einbezogen sein und von einem Kältemittel der Klimaanlage durchflossen werden. Ebenso kann ein vom Kältemittel der Klimaanlage über Wärmetauscher gekühltes Kühlmedium K verwendet werden.

1 Batterie
2.1 bis 2.n-1: Reihe
3: Einzelzelle
4.1 bis 4.n: Kühlmodul
5.1, 5.2: Medienanschluss
6: Spannband
7: Leitblech
8: Rohrstutzen
9: O-Ring
K: Kühlmedium
x, y, z: Richtungen

Claims

Batterie (1), umfassend eine Anzahl von in mindestens zwei Reihen (2.1 bis 2.n-1) parallel ausgerichteten Einzelzellen (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander benachbarten Reihen (2.1 bis 2.n-1) und an jeweiligen Außenseiten einer ersten Reihe (2.1) und einer letzten Reihe (2.n-1) jeweils ein Kühlmodul (4.1 bis 4.n) angeordnet ist, das in Richtung jeder daran angrenzenden Reihe (2.1 bis 2.n-1) eine zu Außenflächen der Einzelzellen (3) der Reihe (2.1 bis 2.n-1) komplementäre Form aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlmodul (4.1 bis 4.n) mindestens zwei Medienanschlüsse (5.1, 5.2) zum Zuleiten und/oder Ableiten eines Kühlmediums (K) aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (3) zwischen den Kühlmodulen (4.1 bis 4.n) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig angeordnet, insbesondere gehalten sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kühlmodule (4.1 bis 4.n) durch jeweils mindestens einen der Medienanschlüsse (5.1, 5.2) miteinander verbunden sind.
Batterie (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Medienanschlüsse (5.1, 5.2) zwischen den benachbarten Kühlmodulen (4.1 bis 4.n) einen Wegausgleich aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (3) als zylindrische Zellen ausgebildet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmodul (4.1 bis 4.n) ein Leitblech (7) zur Führung des Kühlmediums (K) angeordnet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (4.1 bis 4.n) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (4.1 bis 4.n) eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Einzelzellen (3) und Kühlmodulen (4.1 bis 4.n) durch ein außen um die Batterie (1) geführtes Spannband (6) bewirkt ist.
Batterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von miteinander verbundenen Medienanschlüssen (5.1, 5.2) einander benachbarter Kühlmodule (4.1 bis 4.n) jeweils einer einen Rohrstutzen (8) und der andere eine zum Rohrstutzen (8) komplementäre Bohrung aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrstutzen (8) in der Bohrung mittels eines O-Rings (9) abgedichtet ist.
Verwendung einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Hochvoltbatterie in einem Hybridfahrzeug.