DE102008054943A1

DE102008054943A1 - Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102008054943A1
Application number: DE200810054943
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) mit mehreren Batterieelementen (15), die jeweils mindestens eine Batteriezelle (16) aufweisen und hintereinander angeordnet einen Batteriestrang (11) bilden, und mindestens eine Wärmetransporteinrichtung (20) zum Heizen und/oder Kühlen der Batterieanordnung (10). Es ist vorgesehen, dass jedes der Batterieelemente (15) mindestens zwei nebeneinander angeordnete Batteriezellen (16) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit mehreren Batterieelementen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle aufweisen und hintereinander angeordnet einen Batteriestrang bilden, und mindestens eine Wärmetransporteinrichtung zum Heizen und/oder Kühlen der Batterieanordnung.
Stand der Technik
Eine derartige Batterieanordnung ist bekannt und wird vermehrt bei Fahrzeugen und stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen verwendet. Die Batterieanordnung besteht dabei aus einzelnen Zellen, den Batteriezellen, die eine für die verwendete Materialkombination der Zelle charakteristische Spannung liefern. Um aus diesen Batteriezellen eine Batterieanordnung aufzubauen, die die geforderten Leistungs- und Energiemengen liefern kann, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Eine Batterieanordnung umfasst dabei mehrere miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen, wobei ein Batterieelement eine einzelne Batteriezelle ist. Zwischen den einzelnen Batterieelementen befindet sich in der Regel ein Wärmetransferelement, welches einen batterieinternen Wärmetransfer zwischen den Batterieelementen und einer Wärmetransporteinrichtung ermöglicht, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine der Batterieanordnung als ganzem zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zu den Batterieelementen und/oder zur Abfuhr der Wärme von der Batterieelementen ist. Sowohl bei der Nutzung von Batterieanordnungen in stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, als auch bei deren Verwendung in Fahrzeugen, wie Hybrid- und/oder Elektro fahrzeugen, werden hohe Zuverlässigkeitsanforderungen an die einzelnen Batterieelemente gestellt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung umfasst mehrere Batterieelemente, die jeweils mindestens eine Batteriezelle aufweisen und hintereinander angeordnet einen Batteriestrang bilden, und mindestens eine Wärmetransporteinrichtung zum Heizen und/oder Kühlen der Batterieanordnung, wobei jedes der Batterieelemente mindestens zwei nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist. Die Batterieanordnung ist vorteilhafterweise ein über viele Zyklen elektrisch ladbarer und wieder entladbarer elektrischer Energiespeicher (Akkumulator), der einzelne galvanische Zellen, die Batteriezellen, aufweist, die eine für die verwendete Materialkombination der jeweiligen Zelle charakteristische Spannung liefern. Ein Batterieelement der Batterieanordnung umfasst dabei mindestens eine einzelne Batteriezelle, wobei die einzelne Batteriezelle die kleinste Einheit der Batterieanordnung ist. Besonders bevorzugt weist ein Batterieelement zwei nebeneinander angeordnete Batteriezellen auf. Um eine geforderte Leistungs- und Energiekapazität der Batterieanordnung zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Durch die nebeneinander angeordneten Batteriezellen ist es möglich mit nur einem Wärmetransportelement eine entsprechende Temperierung von mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen zu gewährleisten, wodurch ein kompakter und effizienter Aufbau der Batterieanordnung möglich ist. Vorzugsweise ist jeweils ein zwischen zwei hintereinander angeordneten Batterieelementen angeordnetes Wärmetransportelement vorgesehen, um einen Wärmetransfer zwischen den Batterieelementen und der Wärmetransporteinrichtung zu ermöglichen. Vorteilhaft kann eine Batteriezelle jeweils einem Plus-Pol Kontaktanschluss und einem Minus-Pol Kontaktanschluss aufweisen, wobei jeweils zwei Batteriezellen innerhalb der Batterieanordnung derart miteinander verschaltet sind, dass die Kontaktanschlüsse mit dem negativsten und dem positivsten Potential auf der selben Seite der Batterieanordnung liegen, so dass eine Verdrahtung der Batterieanordnung mit nur geringem Materialaufwand erfolgen kann. Vorteilhaft kann das Wärmetransportelement die Batterieanordnung als eine Mantelfläche im Wesentlichen vollum fänglich umgeben, so dass durch die nebeneinander und hintereinander angeordneten Batterieelemente von den Wärmetransportelementen derart eingespannt werden, dass der thermische Übergangswiderstand zwischen Wärmetransportelement und Batterieelement gering ist. Das Wärmetransportelement oder die Wärmetransportelemente ermöglichen einen Batterie-internen Wärmetransfer zwischen dem Batterieelement oder den Batterieelementen und der Wärmetransporteinrichtung, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine der Batterie als ganze zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zu der Batterie und/oder zur Abfuhr der Wärme von der Batterie ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei nebeneinander angeordnete Batteriestränge ein Batteriemodul bilden, wobei vorteilhafterweise jedes Batteriemodul ein gerade Anzahl Batteriezellen aufweisen kann, welche wiederum innerhalb einer Batterieanordnung im Wesentlichen in einem Winkel α zur Anordnung der einzelnen Batteriemodule zueinander angeordnet werden können, wobei α einen Bereich von 85° ≤ α ≤ 95° umfassen kann, vorzugsweise aber nahezu bei 90° liegt. Bilden zwei nebeneinander angeordnete Batteriestränge ein Batteriemodul, so ist es möglich einzelne Batteriemodule der Batterieanordnung unabhängig voneinander auszubauen, zu reparieren und/oder auszutauschen.
Die Wärmetransporteinrichtung bildet bevorzugt einen die Batterieelemente tragenden Batteriesockel. Durch die zusätzliche Funktion der Wärmetransporteinrichtung als Sockel wird eine kompakte und gewichtsreduzierte Bauweise der Batterie erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen quaderförmig ausgebildet sind, wobei das quaderförmige Batterieelement bevorzugt eine einzelne quaderförmige Batteriezelle der Batterieanordnung ist. Dies ist vorteilhaft, da die quaderförmige Batteriezelle eine weit verbreitete Bauform der Batteriezelle ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass – zumindest in einem Bereich – zwischen der mindestens einen Batteriezelle und dem mindestens einen Wärmetransportelement ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement angeordnet ist, so dass das Wärmetransportelement zwar elektrisch isolierend, jedoch thermisch leitfähig ist. Für derartig elektrisch isolierende Wärmetransportelemente können beispielsweise Wärmeleitpads aus unterschiedliche Materialien, insbesondere aus einer Silikongummi-Folie, bevorzugt mit einer Glasfasergewebe-Einlage, eine Glimmerscheibe, eine Keramikscheibe, vorzugsweise aus einer Aluminiumoxidkeramik, eine Silikonmatte und/oder eine Kunststofffolie, insbesondere eine Kaptonfolie verwendet werden, wobei die Kunststofffolie bevorzugt eine Paraffin-Beschichtung zur Füllung von mit Luft gefüllten Hohlräumen durch Aufschmelzen im Betrieb und/oder mit einer selbstklebenden Beschichtung aufweist.
Vorteilhaft kann die Wärmetransporteinrichtung einen Temperierkörper mit Temperierrippen aufweisen. Der Temperierkörper ist ein zum Heizen und/oder Kühlen verwendbarer Körper, der allgemein auch einfach Kühlkörper (mit Kühlrippen) genannt wird. Die Temperierrippen vergrößern die zum Wärmeübergang zwischen dem Körper und einem Wärmetransportmedium benötigte Oberfläche. Bevorzugt weist die Wärmetransporteinrichtung weiterhin eine Pumpeinrichtung zur Zufuhr und/oder Abfuhr des Wärmetransportmediums auf. Das Wärmetransportmedium ist insbesondere ein flüssiges Medium, also eine Flüssigkeit, oder ein gasförmiges Medium, also ein Gas. Das Gas ist bevorzugt die Umgebungsluft der Batterie und die Pumpeinrichtung ein Lüfter.
Die Batterieanordnung ist insbesondere eine Batterieanordnung für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug und/oder für eine Windkraftanlage, wobei bevorzugt eine Nickel-Metallhydrid-Batterieanordnung oder eine Lithium-Ionen-Batterieanordnung vorgesehen ist.
Ferner kann die Batterieanordnung eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Heizens und/oder Kühlens der Batterie mittels der Wärmetransporteinrichtung aufweisen, wobei insbesondere die Steuerungs-/Regelungseinrichtung, eine Vorrichtung zur Batterieladezustandserkennung und/oder Batterietemperaturerkennung aufweist. Besonders bevorzugt kann die Batterieanordnung eine den Strom und/oder die Spannung begrenzende Sicherheitsvorrichtung aufweisen, wobei die Sicherheitsvorrichtung insbesondere eine den Strom bei Überlast abschaltende Sicherungseinrichtung umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figur nur einen beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigt:
1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung der Abbildungen
Die 1 zeigt eine Batterieanordnung 10 mit vierundzwanzig ausgebildeten Batterieelementen 15, wobei jedes der Batterieelemente 15 in der dargestellten Ausführungsform eine einzelne Batteriezelle 16 umfasst, die wiederum jeweils zwei Kontaktelementen 17, 18, einem Plus-Pol 17 und einem Minus-Pol 18 aufweist. Jedes der Batterieelemente 15 ist im Wesentlichen quaderförmig und weist ein Flächenpaar gegenüberliegender Seitenflächen auf, die deutlich größer sind, als die Flächen der anderen Flächenpaare. An einer ersten Fläche einer der anderen Flächenpaare eines jeden Batterieelements 15 sind die jeweils zwei Kontakteelemente 17, 18 des Batterieelements 15 angeordnet. Jedes der Batterieelemente 15 ist auf ihren beiden Seiten, die den Seitenflächen des ersten Flächenpaares entsprechen, jeweils von zwei Wärmetransportelementen 25 umgeben.
Sechs hintereinander angeordnete Batterieelemente 15 bilden einen Batteriestrang 11, wobei zwischen jeweils zwei hintereinander angeordneten Batterieelementen 15 ein Wärmetransportelement 25 angeordnet ist. Dabei besteht der Batteriestrang 11 aus alternierend angeordneten Wärmetransportelementen 25 und Batterieelementen 15. Ferner ist die Batterieanordnung 10 im Wesentlich vollumfänglich von einem Wärmetransportelement 25 umgeben, so dass die alternierende Abfolge jeweils mit einem Wärmetransportelement 25 beginnt und einem Wärmetransportelement 25 endet. Auf diese Weise ist jedes Batterieele ment 15 auf mindestens zwei Seiten zumindest bereichsweise – in thermischem Kontakt mit einer zugeordneten Seitenfläche des Wärmetransportelementes 25.
Zwei nebeneinander angeordnete Batteriestränge 11 bilden jeweils ein Batteriemodul 12, 13, wobei jedes Batteriemodul eine gerade Anzahl von Batterieelementen 15 aufweist. Eine Batterieanordnung 10 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform somit zwei Batteriemodule 12, 13 mit jeweils zwölf Batterieelementen 15, welche innerhalb des Batteriemoduls 12, 13 in einem Winkel α zur Anordnung der einzelnen Batteriemodule 12, 13 zueinander angeordnet sind, wobei α bevorzugt einen Bereich von 85° ≤ α ≤ 95° umfasst, vorzugsweise aber nahezu bei 90° liegt. Innerhalb eines Batteriemoduls 12, 13 sind die Batteriezellen 16 in Reihe geschaltet, so dass jeweils das Kontaktelement 17, 18 mit dem negativsten und dem positivsten Potential an einer Seite des jeweiligen Batteriemoduls 12, 13 herausgeführt werden. Auf diese Weise können mehrere Batteriemodule 12, 13 schnell und unkompliziert in Serie geschaltet werden, wobei eine schnell Verbindung der jeweiligen Batteriemodule 12, 13 auf einer Seite der Batterieanordnung 10 möglich ist.
Jedes Wärmetransportelement 25 ist mit einer Wärmetransporteinrichtung 20 verbunden, so dass durch diese Verbindungen die beiden Komponenten Wärmetransportelement 25 und Wärmetransporteinrichtung 20 thermisch miteinander in Kontakt stehen. Bei der dargestellten Batterieanordnung 10 ist die Wärmetransporteinrichtung 20 als ein Batteriesockel 21, der die Batterieelemente 15 der Batterieanordnung 10 trägt, angeordnet. Erfindungsgemäß kann die die Wärmetransporteinrichtung 20 einen Temperierkörper mit Temperierrippen aufweisen, welche in der dargestellten Ausführungsform nicht abgebildet sind. Bevorzugt weist die Wärmetransporteinrichtung 20 eine hohe Wärmekapazität auf und dient als Wärmereservoir.
Durch das Anordnen der Batterieelemente 15 zwischen mindestens zwei Wärmetransportelementen 25 ergibt sich eine gute thermische Anbindung der Wärmetransportelemente 25 an die Batterieelemente 15. Die im Betrieb der Batterieanordnung 10 entstehende Abwärme der Batterieelemente 15 wird über die Wärmetransportelemente 25 und deren Verbindung zu der Wärmetransporteinrichtung 20 übertragen. Somit sind die Wärmetransportelemente 25 untereinander thermisch gut leitend verbunden. Dadurch wird erreicht, dass alle Batterieele mente 15 der Batterieanordnung 10 nahezu die gleiche Temperatur aufweisen. Der Temperaturunterschied zwischen jeder einzelnen der Seitenflächen der Batterieelemente 15 und der Wärmetransporteinrichtung 20 und auch der einzelnen Seitenflächen untereinander beträgt im gesamten Arbeits-Temperaturbereich der Batterie nur wenige Kelvin (K).

Claims

Batterieanordnung (10) umfassend mehrere Batterieelemente (15), die jeweils mindestens eine Batteriezelle (16) aufweisen und hintereinander angeordnet einen Batteriestrang (11) bilden, und mindestens eine Wärmetransporteinrichtung (20) zum Heizen und/oder Kühlen der Batterieanordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Batterieelemente (15) mindestens zwei nebeneinander angeordnete Batteriezellen (16) aufweist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein zwischen zwei hintereinander angeordneten Batterieelementen (15) angeordnetes Wärmetransportelement (25) vorgesehen ist, um einen Wärmetransfer zwischen den Batterieelementen (15) und der Wärmetransporteinrichtung (20) zu ermöglichen.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batteriezelle (16) jeweils einem Plus-Pol Kontaktanschluss (17) und einem Minus-Pol Kontaktanschluss (18) aufweist, wobei jeweils zwei Batteriezellen (16) innerhalb der Batterieanordnung (10) derart miteinander verschaltet sind, dass die Kontaktanschlüsse (17, 18) mit dem negativsten und dem positivsten Potential auf der selben Seite der Batterieanordnung (10) liegen.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (25) die Batterieanordnung (10) als eine Mantelfläche im Wesentlichen vollumfänglich umgibt.
Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander angeordnete Batteriestränge (11) ein Batteriemodul (12, 13) bilden.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (12, 13) ein gerade Anzahl Batteriezellen (16) aufweist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (16) innerhalb einer Batterieanordnung (10) im Wesentlichen in einem Winkel α zur Anordnung der einzelnen Batteriemodule (12, 13) zueinander angeordnet sind, wobei α einen Bereich von 85° ≤ α ≤ 95° umfasst.
Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (20) einen die Batteriezellen (16) tragenden Batteriesockel (21) bildet.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (16) quaderförmig ausgebildet sind.
Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest in einem Bereich – zwischen der mindestens einen Batteriezelle (16) und dem mindestens einen Wärmetransportelement (25) ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement angeordnet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (20) einen Temperierkörper mit Temperierrippen aufweist.
Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) eine Batterieanordnung (10) für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug und/oder für eine Windkraftanlage ist.