DE102008059952A1

DE102008059952A1 - Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschalteten Batteriezellen und einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102008059952A1
Application number: DE200810059952
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: DE102008059952B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschalteten Batteriezellen (2) und einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen (2). Die Kühlvorrichtung umfasst einen Wärmetauscher, der die Batteriezellen (2) an Kontaktstellen zum Wärmeaustausch berührt und wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen (2) elektrisch isolierend ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschalteten Batteriezellen und einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen.
Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen (auch Einzelzellen genannt), beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf.
Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine indirekte Kühlung durch einen Kühlmittelkreislauf oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf ist am Zellenblock der Batterie beispielsweise eine von Kühlmittel durchströmte metallische Kühlplatte angeordnet, z. B. unterhalb der Batteriezellen.
Von den Batteriezellen zur Kühlplatte wird die Verlustwärme entweder über separate Wärmeleitelemente, z. B. Wärmeleitstäbe oder -bleche, oder über entsprechend aufgedickte Zellgehäusewände der Batteriezellen, geleitet.
Häufig sind die Zellgehäuse der Batteriezellen metallisch ausgeführt und es liegt an ihnen eine elektrische Spannung an. Zur Verhinderung von Kurzschlüssen wird die Kühlplatte von den Zellgehäusen dann meist durch eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie, einen elektrisch isolierenden Formkörper oder eine Vergussmasse getrennt.
Eine derartige Hochtemperaturbatterie mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen Einzelzellen und einer Kühlvorrichtung ist unter anderem aus der DE 43 09 070 A1 bekannt. Die Einzelzellen sind dabei innerhalb eines Wärme isolierenden Gehäuses angeordnet und die Kühlvorrichtung weist einen innerhalb des Isoliergehäuses befindlichen, mit den Einzelzellen in Wärmekontakt stehenden inneren Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher ist über jeweils eine aus dem Isoliergefäß herausgeführte Hin- und Rückleitung mit einem außerhalb des Isoliergefäßes befindlichen, ein Inertgas enthaltenden Druckausgleichsbehälter, einer Umwälzpumpe und einem äußeren Wärmetauscher in einem geschlossenen Hochtemperatur-Kühlflüssigkeitskreislauf verbunden. Der als Vorratsbehälter wirkende Druckausgleichsbehälter ist in Flussrichtung der Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit vor dem äußeren Wärmetauscher angeordnet und wird stets von der Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit durchströmt. Dabei kann der innere Wärmetauscher insbesondere als eine von der Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit durchflossene Kühlplatte ausgebildet sein und zumindest eine Stirnseite der Einzelzellen mit der Kühlplatte über ein zwischengefügtes, elektrisch isolierendes Teil, beispielsweise eine Isolierplatte, in Wärmemaustauschkontakt stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und insbesondere vereinfachte Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer von diesen elektrisch isolierten Kühlvorrichtung zur Kühlung der Batteriezellen anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschaltete Batteriezellen und eine Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen auf, wobei die Kühlvorrichtung einen Wärmetauscher umfasst, der die Batteriezellen an Kontaktstellen zum Wärmeaustausch berührt. Die Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmetauscher wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen elektrisch isolierend ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Batterie hat gegenüber bekannten Batterien den Vorteil, dass zwischen dem Wärmetauscher und den Batteriezellen kein zusätzliches elektrisch isolierendes Bauteil angeordnet werden muss, wenn an den Zellgehäusen der Batteriezellen eine elektrische Spannung anliegt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Kontaktstellen, an denen der Wärmetauscher die Batteriezellen berührt, seitens des Wärmetauschers elektrisch isolierend ausgeführt sind, so dass durch die Kontaktstellen keine Kurzschlussgefahr entsteht.
Dadurch wird die Anzahl der Bauteile der Batterie reduziert und insbesondere die Montage der Batterie vereinfacht und erleichtert.
Außerdem wird durch die elektrische Isolierung des Wärmetauschers an den Kontaktstellen die Prozesssicherheit der Batterie erhöht, da Fehlerquellen entfallen, die durch den Einbau eines oder mehrerer zusätzlicher Bauteile zur elektrischen Isolierung des Wärmetauschers von den Batteriezellen entstehen.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie weist der Wärmetauscher einen wenigstens teilweise metallischen Grundkörper auf, der wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen mit mindestens einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht beschichtet ist.
Dabei ist die Isolationsschicht bevorzugt eine auf den Grundkörper aufgespritzte Spritzgussschicht aus zumindest Kunststoff, eine Lackschicht, eine Pulverschicht oder eine auf den Grundkörper aufgeklebte Folie.
Dabei ist die Isolationsschicht jeweils stoffschlüssig auf den Grundkörper aufgebracht. Dies verbessert vorteilhaft die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher und den Batteriezellen gegenüber Batterien mit einem oder mehreren zusätzlichen Bauteilen zu elektrischen Isolierung des Wärmetauschers von den Batteriezellen, weil die Wärmeübertragung reduzierende Luftspalte zwischen dem Wärmetauscher und dem oder den zusätzlichen Bauteilen entfallen.
Eine als Spritzgussschicht ausgebildete Isolationsschicht weist bevorzugt ferner zumindest eine keramische Füllung auf.
Dies erhöht vorteilhaft die Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht und damit die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und der Kühlvorrichtung.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie mit einer als Spritzgussschicht ausgebildeten Isolationsschicht sieht vor, dass die Spritzgussschicht den Grundkörper umhüllt.
Dadurch können vorteilhaft verschiedene Teile eines mehrteiligen Grundkörpers, beispielsweise Kühlrohre und -flächen, durch die Spritzgussschicht zueinander angeordnet und Wärme leitend verbunden werden, ohne aufwändig anderweitig beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden zu werden.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sieht vor, dass der Wärmetauscher zumindest aus elektrisch isolierendem Kunststoff oder elektrisch isolierendem keramischem Material gebildet ist.
Dies hat den Vorteil, dass zur elektrischen Isolierung des Wärmetauschers von den Batteriezellen keine zusätzliche elektrische Isolierung, beispielsweise durch eine Beschichtung des Wärmetauschers oder zusätzliche Bauteile, nötig ist. Wegen der geringeren Druckfestigkeit von aus Kunststoff oder keramischem Material bestehenden Wärmetauschern gegenüber metallischen Wärmetauschern sind derartige Ausgestaltungen dann bevorzugt, wenn ein Wärmetauscher entsprechend begrenztem Druck ausgesetzt ist.
Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sieht vor, dass der Wärmetauscher zumindest aus elektrisch isolierendem Kunststoff und/oder elektrisch isolierendem, keramischem Material gebildet ist, in das metallische Eingussteile eingebracht sind.
Dadurch erhöht sich die Stabilität des Wärmetauschers gegenüber einem Wärmetauscher, der nur aus Kunststoff und/oder keramischem Material gebildet ist, ohne dass die Vorteile eines nur aus Kunststoff und/oder keramischem Material bestehenden Wärmetauschers verloren gehen, sofern die metallischen Eingussteile nicht elektrisch leitend mit den Kontaktstellen zwischen dem Wärmetauscher und den Batteriezellen verbunden sind. Insbesondere können metallische Eingussteile vorteilhaft als Befestigungsstellen zur Befestigung des Wärmetausches an einem Batteriegehäuse eingegossen werden.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher in all diesen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie als eine Kühlplatte ausgebildet.
Dies erlaubt vorteilhaft eine einfache Wärme leitende Verbindung des Wärmetauschers mit den Batteriezellen und eine einfache Montage des Wärmetauschers, beispielsweise indem die Batteriezellen mit einer Bodenfläche auf die Kühlplatte gestellt werden.
Weiterhin weist der Wärmetauscher bevorzugt in seinem Inneren einen Kühlkanal auf, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, oder er weist ein Kühlrohr auf, das von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Dadurch kann vorteilhaft mittels eines Kühlmittelkreislaufes, in den der Kühlkanal oder das Kühlrohr eingebunden ist, Wärme mittels des Kühlmittels aus der Batterie abgeführt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Kühlplatte mit einer Isolationsschicht in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine Kühlplatte mit einer Isolationsschicht in einer perspektivischen Draufsicht,
3 eine Kühlplatte mit einer Isolationsschicht in einer perspektivischen Untersicht,
4 eine Kühlplatte mit einer Isolationsschicht in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene,
5 eine Kühlplatte mit einer umhüllenden Spritzgussschicht und eine Spritzgussform zur Herstellung der Spritzgussschicht in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene,
6 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Kühlplatte aus Kunststoff in einer perspektivischen Darstellung,
7 eine Kühlplatte aus Kunststoff in einer perspektivischen Schnittdarstellung mit horizontaler Schnittebene, und
8 eine Kühlplatte aus Kunststoff in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Batterie 1 mit mehreren Batteriezellen 2 und einem als eine Kühlplatte 3 ausgeführten Wärmetauscher einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen 2 in einer perspektivischen Darstellung.
Die Batteriezellen 2 sind als im Wesentlichen rechteckige so genannte Rahmenflachzellen geringer Dicke ausgeführt. Sie sind parallel zueinander und hintereinander angeordnet und je nach Anwendung parallel oder/und seriell miteinander elektrisch verschaltbar. Jede Batteriezelle 2 weist einen fahnenartig aus ihrem Batteriegehäuse an dessen Kopfseite herausgeführten Polkontakt 2.1 auf, über den sie elektrisch kontaktierbar ist. Zum Zwecke der Klarheit der Darstellung ist nur ein Teil der Batteriezellen 2 dargestellt.
Die Kühlplatte 3 weist einen metallischen Grundkörper auf, der aus einer Metallplatte 3.3 und einem an einer Unterseite 3.2 der Metallplatte 3.3 befestigten, unten näher beschriebenen metallischen Kühlrohr 3.4 besteht. Das Kühlrohr 3.4 weist zwei Anschlussstellen 3.5, 3.6 zum Zu- und Abführen eines Kühlmittels auf. Über die Anschlussstellen 3.5, 3.6 ist das Kühlrohr 3.4 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf anschließbar, über den von dem Kühlmittel aufgenommene Abwärme aus der Batterie abführbar ist.
Eine Oberseite 3.1 der Metallplatte 3.3 ist mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht 3.7 beschichtet. Die Isolationsschicht 3.7 kann beispielsweise als eine auf die Metallplatte 3.3 aufgeklebte Wärmeleitfolie oder als eine auf die Metallplatte 3.3 aufgespritzte Spritzgussschicht aus Kunststoff, optional mit einer keramischen Füllung, oder als eine Lackschicht ausgeführt sein.
Die Kühlplatte 3 ist unterhalb der Batteriezellen 2 angeordnet, wobei eine Bodenfläche jeder Batteriezelle 2 auf der Isolationsschicht 3.7 aufliegt.
Die 2 bis 4 zeigen die Kühlplatte 3 aus 1 in verschiedenen Darstellungen. Dabei zeigen jeweils 2 eine perspektivische Draufsicht, 3 eine perspektivische Untersicht und 4 eine Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
3 zeigt, dass das Kühlrohr 3.4 auf zwei durch eine Symmetrieachse der Kühlplatte 3 getrennten Hälften der Kühlplatte 3 jeweils mäanderartig von einer der Anschlussstellen 3.5, 3.6 an einer Seite der Kühlplatte 3 zu einer gegenüber liegenden Seite verläuft.
Der mäanderartige Verlauf des Kühlrohres 3.4 ermöglicht dabei vorteilhaft eine großflächige und gleichmäßige Wärmeabfuhr aus der Metallplatte 3.3 und damit aus der Batterie 1 mittels durch das Kühlrohr strömenden Kühlmittels.
Das Kühlrohr 3.4 ist mittels Halterungen 3.8 an der Unterseite 3.2 der Metallplatte 3.3 befestigt. Der Querschnitt des Kühlrohres 3.4 ist rechteckig ausgeführt. Eine flache Außenoberfläche des Kühlrohres 3.4 liegt an der Unterseite 3.2 der Metallplatte 3.3. Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein guter Wärmekontakt zwischen dem Kühlrohr 3.4 und der Metallplatte 3.3.
Eine alternative, nicht dargestellte Ausführung der Kühlplatte 3 sieht wenigstens einen mit einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal im Inneren der Metallplatte 3.3 statt eines an ihr befestigten Kühlrohres 3.4 vor.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte 3. Dieses unterscheidet sich von dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Metallplatte 3.3 und das Kühlrohr 3.4 vollständig von einer als elektrisch isolierende Spritzgussschicht ausgeführten Isolationsschicht 3.7 umhüllt sind.
Ferner zeigt 5 schematisch eine Spritzgussform zur Herstellung einer derartigen Spritzgussschicht durch ein Spritzgießen. Die Spritzgussform besteht aus einem Oberteil 4.1 und einem Unterteil 4.2, welche jeweils Positionierstifte 4.3 aufweisen. Mittels der Positionierstifte 4.3 kann vorteilhaft eine Schichtdicke der Spritzgussschicht eingestellt werden, wobei die Positionierstifte 4.3 als Abstandhalter zwischen der Metallplatte 3.3 und dem Oberteil 4.1 der Spritzgussform bzw. zwischen dem Kühlrohr 3.4 und/oder der Halterung 3.8 und dem Unterteil 4.2 der Spritzgussform fungieren.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die Spritzgussschicht vorteilhaft auch zur Befestigung des Kühlrohres 3.4 an der Metallplatte 3.3 beitragen, so dass weniger oder weniger aufwändige Halterungen 3.8 benötigt werden.
6 zeigt eine Batterie 1 mit mehreren Batteriezellen 2 und einer Kühlplatte 5, die im Unterschied zu den Kühlplatten 3 der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele vollständig aus elektrisch isolierendem Kunststoff besteht.
Die 7 und 8 zeigen diese Kühlplatte 5 in zwei Schnittdarstellungen. Dabei zeigt 7 eine perspektivische Schnittdarstellung mit horizontaler Schnittebene, und 8 eine Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
Die Kühlplatte 5 weist einen mehrflutigen Kühlkanal mit zwei Anschlussstellen 5.5, 5.6 für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels auf. Die Anschlussstellen 5.5, 5.6 sind parallel zueinander auf derselben Seite der Kühlplatte 5 aus dieser heraus geführt. Dabei ist eine vordere Anschlussstelle 5.5 an einem vorderen Ende und eine hintere Anschlussstelle 5.6 an dem hinteren Ende der Kühlplatte 5 angeordnet. An die vordere Anschlussstelle 5.5 schließt sich im Inneren der Kühlplatte 5 ein vorderes Kanalquerstück 5.9 an, das fast über die gesamte Breite der Kühlplatte 5 verläuft, an die hintere Anschlussstelle 5.6 schließt sich im Inneren der Kühlplatte 5 ein hinteres Kanalquerstück 5.10 an, das ebenfalls fast über die ganze Breite der Kühlplatte 5 verläuft. Die Kanalquerstücke 5.9, 5.10 sind über mehrere zueinander parallele Kanallängsstücke 5.11 miteinander verbunden. Dadurch wird eine gleichmäßige und großflächige Verteilung des Kühlmittels in der Kühlplatte 5 und damit eine gleichmäßige und großflächige Kühlung der Batterie 1 ermöglicht.
Eine alternative Ausführung sieht eine Kühlplatte 5 vor, die aus elektrisch isolierendem keramischem Material statt aus Kunststoff besteht. Eine weitere alternative Ausführung sieht eine Kühlplatte 5 vor, die aus elektrisch isolierendem keramischem Material und/oder Kunststoff besteht, wobei in das keramische Material und/oder den Kunststoff metallische Eingussteile eingelassen sind.

1: Batterie
2: Batteriezelle
2.1: Polkontakt
3,5: Kühlplatte
3.1: Oberseite
3.2: Unterseite
3.3: Metallplatte
3.4: Kühlrohr
3.5: erste Anschlussstelle
3.6: zweite Anschlussstelle
3.7: Isolationsschicht
3.8: Halterung
4.1: Oberteil einer Spritzgussform
4.2: Unterteil einer Spritzgussform
4.3: Positionierstift
5.5: vordere Anschlussstelle
5.6: hintere Anschlussstelle
5.9: vorderes Kanalquerstück
5.10: hinteres Kanalquerstück
5.11: Kanallängsstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4309070 A1 [0007]

Claims

Batterie (1) mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschalteten Batteriezellen (2) und einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen (2), wobei die Kühlvorrichtung einen Wärmetauscher umfasst, der die Batteriezellen (2) an Kontaktstellen zum Wärmeaustausch berührt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen (2) elektrisch isolierend ausgeführt ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen wenigstens teilweise metallischen Grundkörper aufweist, der wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen (2) mit mindestens einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht (3.7) beschichtet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3.7) eine auf den Grundkörper aufgespritzte Spritzgussschicht aus zumindest Kunststoff ist.
Batterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschicht zumindest eine keramische Füllung aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschicht den Grundkörper umhüllt.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3.7) zumindest eine Lackschicht ist.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3.7) zumindest eine Pulverschicht ist.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3.7) zumindest eine auf den Grundkörper aufgeklebte Folie ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zumindest aus elektrisch isolierendem Kunststoff gebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zumindest aus elektrisch isolierendem keramischem Material gebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zumindest aus elektrisch isolierendem Kunststoff und/oder elektrisch isolierendem keramischem Material gebildet ist, in das metallische Eingussteile eingebracht sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Kühlplatte (3,5) ausgebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher in seinem Inneren einen Kühlkanal aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Kühlrohr (3.4) aufweist, das von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Verwendung einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ist.