DE102008059967A1

DE102008059967A1 - Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte

Info

Publication number: DE102008059967A1
Application number: DE102008059967A
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: DE102008059967B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte (1) zum Temperieren der Batterie, wobei mehrere elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (7) Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte (1) verbunden sowie ober- und/oder unterseitig an dieser befestigt sind. Dabei ist die Wärmeleitplatte (1) erfindungsgemäß zumindest aus einer mit einem umlaufenden Formrand (5) versehenen Bodenplatte (4) gebildet, in welche eine Kühlschlange (6) eingebracht und vergossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen. Die Einzelzellen, z. B. Lithium-Ionen-Zellen, müssen gekühlt werden, um eine entstehende Verlustwärme abzuführen.
Bekannt ist eine indirekte Kühlung durch eine Kühlflüssigkeit, z. B. verdampfendes Klimamittel R134a/CO₂ als direkt oder über einen Chiller durch eine Klimaanlage temperierte Kühlflüssigkeit, oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Einzelzellen geleitet wird.
Bei einer Flüssigkeitskühlung, die aus Bauraumgründen vorzugsweise angewendet wird, ist an einem Zellenverbund eine von Kühlflüssigkeit durchströmte Wärmeleitplatte angeordnet.
Von der Einzelzelle zur Wärmeleitplatte wird die Verlustwärme entweder über separate Kühlstäbe oder -bleche oder über entsprechend aufgedickte Zellgehäusewände der Einzelzellen geleitet.
Liegt an den Zellgehäusen eine Spannung an, dann ist zur Verhinderung von Kurzschlüssen eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie bzw. Vergußmasse zwischen den Einzelzellen und der Wärmeleitplatte angeordnet.
Üblicherweise sind die Wärmeleitplatten aus zwei Aluminiumplatten aufgebaut. In eine untere Platte ist ein Kühlkanal durch Fräsung eingebracht. Eine obere Platte schließt den Kühlkanal ab. Beide Platten werden miteinander verlötet. Dazu ist die obere Platte lotplattiert. Da das Lot nur geringe Spaltgrößen überbrücken kann, muss die Ebenheit beider Platten sehr hoch sein. Dies erfordert eine mechanische Nacharbeit der unteren Platte nach dem Einbringen des Kühlkanals durch Schleifen oder Überfräsen. Der Lötprozess ist sehr zeitaufwendig. Für das Hochheizen und Abkühlen sind mehrere Stunden erforderlich. Da geringste Unebenheiten, Verschmutzungen oder Fettspuren zu Ausschuss führen, ist eine aufwendige Dichtigkeitskontrolle erforderlich. Die Lötnaht ist zudem sehr spröde, so dass die Wärmeleitplatte keinen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann.
Weiterhin ist die Herstellung und Applizierung eines Kühlmittelanschlusses sehr aufwendig, da derzeit ein separater, vorher aufwendig bearbeiteter Aluminiumblock aufgelötet wird.
Durch die massiven Platten entsteht eine unnötig schwere Wärmeleitplatte.
Zur Senkung der Kosten kann es ferner sinnvoll sein, eine Röhrchenkühlplatte einzusetzen. Hierbei wird ein Wärmeleitmedium in einem schleifenförmig gebogenen Rohr geführt, welches flächig auf einer Platte befestigt wird.
Aus der DE 10 2007 010 743 A1 ist es bekannt, das Kühlrohr in Metallguss, z. B. Aluminium, einzugießen. Zwar ist hier der Wärmeübergang optimal, aber die Herstellung muss im kosten- und zeitaufwendigen Sand- oder Kokillengussverfahren erfolgen. Die bei kopfgekühlten Zellen erforderlichen Durchbrüche bzw. Aussparungen in der Wärmeleitplatte müssen aus Genauigkeitsgründen aufwendig nachbearbeitet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten gegossenen Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie anzugeben. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Batterie gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 20 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen auf, sowie eine in der Wärmeleitplatte angeordnete und für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kanalstruktur, wobei die Einzelzellen mit der Wärmeleitplatte Wärme leitend verbunden sind und die Wärmeleitplatte herausführende Kühlkanalanschlüsse für die Kanalstruktur aufweist. Die Batterie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Wärmeleitplatte zumindest aus einer mit einem umlaufenden Formrand versehenen Bodenplatte gebildet ist, in welche eine Kühlschlange eingebracht und vergossen ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Einzelzellen zu kühlen und eine entstehende Verlustwärme abzuleiten und somit eine Erhöhung eines elektrischen Widerstandes in den Einzelzellen zumindest zu begrenzen oder zu vermeiden.
Die Bodenplatte ist jeweils an allen Kanten, insbesondere den Außenkanten und den Kanten eventueller Aussparungen innerhalb der Bodenplatte mit einem Formrand versehen. Der Formrand ist als ein von der Bodenplatte abgewinkelter Bereich ausgebildet und weitgehend in einem rechten Winkel zur Bodenplatte angeordnet. Definitionsgemäß ist eine Kante eine durch zwei aneinander stoßende Flächen gebildete Linie. Der Formrand an der Bodenplatte führt zu einer schalenartigen Form selbiger, in die auch die Aussparungen für die Polkontakte der Einzelzellen vor dem Gießen eingebracht werden können. Dies verringert den Fertigungsaufwand und senkt die Produktionskosten in besonders vorteilhafter Weise, da die Aussparungen nicht nachträglich in die fertige Wärmeleitplatte eingebracht werden müssen.
Die Kante zwischen Bodenplatte und Formrand ist verrundet. Diese Formgebung unterstützt vorteilhafterweise ein gleichmäßiges Ausbreiten eines Gußwerkstoffes.
Die Höhe des Formrandes bestimmt die Höhe der fertigen Wärmeleitplatte. Dies resultiert aus der Verwendung der Bodenplatte mit dem Formrand als verlorene Form während eines Herstellungsprozesses der Wärmeleitplatte.
Die Bodenplatte mit Formrand wird vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt, daher ist der Formrand weitgehend in einem rechten Winkel zur restlichen Bodenplatte angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühlschlange mit einem mäanderförmigen Verlauf in die Wärmeleitplatte eingebracht, da durch diesen Verlauf eine größtmögliche Kühlwirkung erreicht werden kann, auch wenn die Bodenplatte bzw. die Wärmeleitplatte mit Aussparungen für die Polkontakte der Einzelzellen versehen ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühlschlange in der Wärmeleitplatte vergossen und vollständig von einem Gußwerkstoff umschlossen, dies ermöglicht eine größtmögliche Wärmeübergangsfläche und unterstützt zweckmäßigerweise die Kühlung. Außerdem verleiht diese Bauform der Wärmeleitplatte große mechanische Stabilität.
Der Wärme leitende Werkstoff der Kühlschlange ist vorzugsweise undurchlässig gegenüber dem Wärmeleitmedium.
Die Kühlschlange mündet in Kühlkanalanschlüssen im Bereich des Randes der Wärmeleitplatte, um sie mit einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, beaufschlagen zu können, so dass eine weitere Verbesserung der Effektivität der Kühlung der Einzelzellen und/oder weiterer zu kühlender Komponenten der Batterie erreicht wird.
Die Wärmeleitplatte besteht aus einem Gussteil und ist aus einem Wärme leitenden, vorzugsweise metallischen Werkstoff ausgebildet. Diese Ausführungsform verleiht der Wärmeleitplatte große mechanische Stabilität.
Die Einzelzellen sind vorzugsweise mit der Polseite zur Wärmeleitplatte hin angeordnet, vorteilhafterweise weist die Wärmeleitplatte deshalb im Bereich der Polkontakte der Einzelzellen Aussparungen auf und die Polkontakte der Einzelzellen ragen durch die Aussparungen hindurch.
Die Einzelzellen sind direkt oder indirekt formschlüssig und/oder kraftschlüssig an der Wärmeleitplatte befestigt. Dabei stehen die Einzelzellen in direktem Kontakt mit der Wärmleitplatte, so dass ohne zusätzliche Bauelemente eine effektive, einfach und somit kostengünstig herstellbare Kühlung realisierbar ist.
Die Einzelzellen und die Wärmeleitplatte sind thermisch miteinander gekoppelt und elektrisch voneinander isoliert, so werden elektrische Kurzschlüsse vermieden und eine Effektivität der Kühlung der Einzelzellen und/oder weiterer zu kühlender Komponenten der Batterie wird erhöht.
Das Batteriegehäuse ist mit weiteren Aussparungen versehen, durch welche elektrische Anschlusselemente und/oder Anschlusselemente der Wärmeleitplatte, insbesondere ein Hochvolt-Stecker und/oder Kühlkanalanschlüsse, nach außen ragen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Batterie in einfacher Art und Weise elektrisch und/oder mit einem Kühlkreislauf zu verbinden.
Die Batterie ist als eine Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug, einsetzbar. Die bevorzugte Verwendung erfindungsgemäßer Batterien, insbesondere in Form von Li-Ionen-Batterien oder NiMH-Batterien, erfolgt vorzugsweise zum zumindest teilweisen Antrieb eines Kraftfahrzeugs zur Personenbeförderung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Wärmeleitplatte einer Batterie, die mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen und eine in der Wärmeleitplatte angeordneten und für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kanalstruktur sowie aus der Wärmeleitplatte herausführende Kühlkanalanschlüsse für die Kanalstruktur aufweist, wobei die Einzelzellen mit der Wärmeleitplatte Wärme leitend verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte zumindest aus einer mit einem umlaufenden Formrand versehenen Bodenplatte gebildet ist, in welche eine Kühlschlange eingebracht und vergossen ist.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar. Im Übrigen wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer gegossenen Wärmeleitplatte für kopfgekühlte Rundzellen einer erfindungsgemäßen Batterie mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen und Aussparungen für die Polkontakte der Einzelzellen,
2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Bodenplatte für kopfgekühlte Rundzellen mit Formrand und Aussparungen und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf eingebrachten Kühlschlange mit Kühlkanalanschlüssen vor dem Gießprozess,
3 schematisch eine Explosionsdarstellung von einer Bodenplatte für kopfgekühlte Rundzellen mit Formrand und Aussparungen und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf versehenen Kühlschlange mit Kühlkanalanschlüssen vor dem Gießprozess,
4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer gegossenen Wärmeleitplatte für kopfgekühlte Rundzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen und eines daran montierten aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellenverbundes,
5 schematisch eine Explosionsdarstellung einer gegossenen Wärmeleitplatte für kopfgekühlte Rundzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen, eines wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Formkörpers und eines Zellenverbundes,
6 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Oberseite einer Wärmeleitplatte für kopfgekühlte Rundzellen einer erfindungsgemäßen Batterie mit daran mittels einer Zellverbinderplatine montierten Einzelzellen,
7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Bodenplatte für Flachzellen mit Formrand und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf eingebrachten Kühlschlange mit Kühlkanalanschlüssen vor dem Gießprozess,
8 schematisch eine Explosionsdarstellung von einer Bodenplatte für Flachzellen mit Formrand und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf versehenen Kühlschlange mit Kühlkanalanschlüssen vor dem Gießprozess,
9 schematisch eine Schnittdarstellung einer Wärmeleitplatte für Flachzellen mit Formrand, Kühlschlange und Gußwerkstoff,
10 schematisch eine Explosionsdarstellung einer gegossenen Wärmeleitplatte für Flachzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen, einer Wärmeleitfolie und eines Zellenverbundes, und
11 schematisch eine perspektivische Ansicht einer gegossenen Wärmeleitplatte für Flachzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen einer erfindungsgemäßen Batterie und eines daran montierten aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellenverbundes.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine fertig gegossene Wärmeleitplatte 1 für insbesondere als kopfgekühlte Rundzellen ausgebildete Einzelzellen 7 einer erfindungsgemäßen Batterie mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen 2 und Aussparungen 3 für Polkontakte P von Einzelzellen 7, die in 4 bis 6 dargestellt werden.
2 zeigt eine Bodenplatte 4 mit einem Formrand 5 und Aussparungen 3 für als kopfgekühlte Rundzellen ausgebildete Einzelzellen 7 und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf eingebrachten Kühlschlange 6 mit Kühlkanalanschlüssen 2 für eine Wärmeleitplatte 1 vor dem Gießprozess. Hierbei sind an der Kühlschlange 6 anordenbare Metallaschen nicht dargestellt, welche die Kühlschlange 6 an der Bodenplatte 4 fixieren und ein eventuelles Aufschwimmen während des Gießvorganges verhindern.
3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Bodenplatte 4 und der Kühlschlange 6 gemäß 2. Dabei ist die Kühlschlange 6 als ein separates, vorgefertigtes Bauteil, insbesondere Formteil, mit in einer Ebene mäanderförmigem Verlauf und endseitig aus der fertigen Wärmeleitplatte 1 herausragenden Kühlkanalanschlüssen 2 ausgeführt. Der Verlauf der Kühlschlange 6 ist von der Anordnung der Aussparungen 3 für die Einzelzellen 7 bestimmt. Dabei sind mehrere Einzelzellen 7 parallel nebeneinander in einer Reihe und mehrere Reihen von Einzelzellen 7 parallel nebeneinander und um mindestens eine halbe Aussparungslänge versetzt zueinander angeordnet. Die Kühlschlange 6 wird dabei derart geformt, dass diese um die Reihen von Aussparungen 3 für die Einzelzellen 7 verläuft.
4 zeigt die fertig gegossene Wärmeleitplatte 1 für als Rundzellen ausgebildete Einzelzellen 7 mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen 2 und einen daran montierten aus mehreren Einzelzellen 7 gebildeten Zellenverbund Z.
5 zeigt eine Explosionsdarstellung einer gegossenen Wärmeleitplatte 1 gemäß 4 und des Zellenverbunds Z sowie eines zwischen Wärmeleitplatte 1 und Zellenverbund Z angeordneten wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Formkörper 8.
6 zeigt die Ansicht einer Oberseite einer Wärmeleitplatte 1 mit an der Wärmeleitplatte 1 mittels einer Zellverbinderplatine 9 montierten Einzelzellen 7. Die komplett bestückte Wärmeleitplatte 1 und die an dieser über die Zellverbinderplatine 9 befestigten Einzelzellen 7 sind im Gehäuseinneren eines nicht dargestellten, aus einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil gebildeten, Batteriegehäuses angeordnet.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Wärmeleitplatte 1 mit einer Bodenplatte 4 mit Formrand 5 und einer mit einem mäanderförmigen Verlauf eingebrachten Kühlschlange 6 mit Kühlkanalanschlüssen 2 für als Flachzellen 14 ausgebildete Einzelzellen 7 vor dem Gießprozess. Hierbei sind an der Kühlschlange 6 anordenbare Metallaschen nicht dargestellt, welche die Kühlschlange 6 an der Bodenplatte 4 fixieren und ein eventuelles Aufschwimmen während des Gießvorganges verhindern.
8 zeigt eine Explosionsdarstellung der Bodenplatte 4 und der Kühlschlange 6 gemäß 7. Dabei ist die Kühlschlange 6 als ein separates, vorgefertigtes Bauteil, insbesondere Formteil, mit in einer Ebene mäanderförmigem Verlauf und endseitig aus der fertigen Wärmeleitplatte 1 herausragenden Kühlkanalanschlüssen 2 ausgeführt. Die Kühlschlange 6 wird dabei derart geformt, dass eine bestmögliche Kühlung für die Einzelzellen 7 ermöglicht wird.
9 zeigt eine Schnittdarstellung einer Wärmeleitplatte 1 für Flachzellen mit Formrand 5, Kühlschlange 6 und Gußwerkstoff 10. Hier ist insbesondere die vollständig von dem Gußwerkstoff 10 umschlossene Kühlschlange 6 dargestellt, welche eine größtmögliche Wärmeübergangsfläche ermöglicht und zweckmäßigerweise die Kühlung unterstützt.
10 zeigt eine Explosionsdarstellung einer gegossenen Wärmeleitplatte 1 für Flachzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen 2, einer Wärmeleitfolie 11 und eines Zellenverbundes, gebildet aus mehreren Einzelzellen 7.
10 zeigt eine Explosionsdarstellung einer gegossenen Wärmeleitplatte 1 gemäß 11 und des Zellenverbunds Z sowie einer zwischen Wärmeleitplatte 1 und Zellenverbund Z angeordneten Wärmeleitfolie 11.
11 zeigt eine gegossenen Wärmeleitplatte 1 für Flachzellen mit herausgeführten Kühlkanalanschlüssen 2 einer erfindungsgemäßen Batterie und eines daran montierten aus mehreren Einzelzellen 7 gebildeten Zellenverbundes Z, wobei die komplett bestückte Wärmeleitplatine 1 im Gehäuseinneren eines nicht dargestellten, aus einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil gebildeten, Batteriegehäuses angeordnet ist.
Im Folgenden werden anhand dieser Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Bei den Komponenten der Batterie handelt es sich insbesondere um Einzelzellen 7, eine Wärmeleitplatte 1, einen Formkörper 8 und eine Zellverbinderplatine 9. Dabei sind mehrere Einzelzellen 7 an der beispielsweise kopfseitig zur Kühlung vorgesehenen Wärmeleitplatte 1 angeordnet und bilden einen Zellenverbund Z. In einer nicht näher dargestellten Weiterbildung der Erfindung kann die Wärmeleitplatte 1 alternativ bodenseitig an den Einzelzellen 7 oder eine weitere Wärmeleitplatte zusätzlich bodenseitig an den Einzelzellen 7 angeordnet sein.
Die Einzelzellen 7 können als Rundzellen, Flachzellen oder in weiteren Zellformen, z. B. vieleckig oder oval, ausgeführt sein. Durch die dargestellte runde Ausbildung der Einzellen 1 bzw. die Ausbildung als Flachzellen ist eine Grundfläche der Batterie und der Wärmeleitplatte 1 bauraumoptimiert genutzt.
Die Wärmeleitplatte 1 besteht aus einem Gussteil und ist aus einem Wärme leitenden, vorzugsweise metallischen Werkstoff ausgebildet. Diese Ausführungsform verleiht der Wärmeleitplatte große mechanische Stabilität.
Die vorzugsweise aus einem Metall hergestellte Wärmeleitplatte 1, die zum Temperieren der Batterie vorgesehen ist, weist in ihrem Innern eine durchströmbare und von außerhalb betreibbare Kanalstruktur für ein nicht näher dargestelltes Wärmeleitmedium auf. Diese Kanalstruktur wird durch eine Kühlschlange 6 aus einem Wärme leitenden Werkstoff gebildet, welcher undurchlässig gegenüber dem Wärmeleitmedium ist.
Die Wärmeleitplatte 1 wird in einem Gießverfahren mittels einer verlorenen Form hergestellt. Diese verlorene Form wird durch die Bodenplatte 4 mit dem Formrand 5 gebildet. Bei der Herstellung der Bodenplatte 4 mit dem Formrand 5 wird vorzugsweise ein Tiefziehverfahren angewendet, daher ist der Formrand 5 weitgehend in einem rechten Winkel zur restlichen Bodenplatte 4 angeordnet.
Die Bodenplatte 4 ist jeweils an allen Kanten, insbesondere den Außenkanten und den Kanten eventueller Aussparungen 3 innerhalb der Bodenplatte 4, mit dem Formrand 5 versehen. Der Formrand 5 an der Bodenplatte 4 führt zu einer schalenartigen Form selbiger, in die auch die Aussparungen 3 für die Polkontakte der Einzelzellen 7 vor dem Gießen eingebracht werden können. Dies verringert den Fertigungsaufwand und senkt die Produktionskosten in besonders vorteilhafter Weise, da die Aussparungen 7 nicht nachträglich in die fertige Wärmeleitplatte eingebracht werden müssen.
Die Kante zwischen Bodenplatte 4 und Formrand 5 ist verrundet. Diese Formgebung unterstützt vorteilhafterweise ein gleichmäßiges Ausbreiten eines Gußwerkstoffes 10.
Die Höhe des Formrandes 5 bestimmt die Höhe der fertigen Wärmeleitplatte 1. Dies resultiert aus der Verwendung der Bodenplatte 4 mit dem Formrand 5 als verlorene Form während eines Herstellungsprozesses der Wärmeleitplatte 1.
Die Kühlschlange 6 wird auf der Bodenplatte 4 aufgebracht und mit einem wärmeleitfähigen Gußwerkstoff 10 vergossen und ist vollständig von dem Gußwerkstoff 10 umschlossen, dies ermöglicht eine größtmögliche Wärmeübergangsfläche und unterstützt zweckmäßigerweise die Kühlung. Außerdem verleiht diese Bauform der Wärmeleitplatte große mechanische Stabilität.
Um ein Aufschwimmen der Kühlschlange 6 während des Gießvorganges zu verhindern, kann die Kühlschlange 6 mittels nicht dargestellter Metalllaschen an der Bodenplatte 4 befestigt werden.
Um eine Durchschmelzung der Bodenplatte 4 während des Gießvorganges, z. B. auf Grund einer geringen Wandstärke der Bodenplatte 4, zu verhindern, kann selbige während des Gießvorganges in eine von außen gekühlte Kupfermatritze eingelegt werden.
Die Kühlschlange 6 ist mit einem mäanderförmigen Verlauf in die Wärmeleitplatte 1 eingebracht, da durch diesen Verlauf eine größtmögliche Kühlwirkung erreicht werden kann, auch wenn die Bodenplatte 4 bzw. die Wärmeleitplatte 1 mit Aussparungen 3 für die Polkontakte P der Einzelzellen 7 versehen ist.
Die Kühlschlange 6 mündet in Kühlkanalanschlüssen 2 im Bereich des Randes der Wärmeleitplatte 1, um sie mit einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, beaufschlagen zu können, so dass eine weitere Verbesserung der Effektivität der Kühlung der Einzelzellen und/oder weiterer zu kühlender Komponenten der Batterie erreicht wird.
Die Einzelzellen 7 sind vorzugsweise mit der Polseite zur Wärmeleitplatte 1 hin angeordnet, vorteilhafterweise weist die Wärmeleitplatte 1 deshalb im Bereich der Polkontakte P der Einzelzellen 7 Aussparungen 3 auf und die Polkontakte P der Einzelzellen 7 ragen durch die Aussparungen 3 hindurch.
Zu einer Wärme leitenden Verbindung sind die elektrischen Polkontakte P einer jeden Einzelzelle 1 durch Aussparungen 3 geführt, die in der Wärmeleitplatte 1 als Durchgangslöcher ausgebildet sind. Die Polkontakte P ragen somit in die Wärmeleitplatte 1 hinein bzw. durch diese hindurch. Da die Form und die lichten Maße einer dem Polkontakt P zugeordneten Aussparung 3 größer ist als die Außenbemaßung eines Polkontaktes P einer Einzelzelle 7, weisen die durch die Aussparungen 3 hindurchragenden Polkontakte P überall einen Abstand von den Wandungen der Aussparungen 3 auf. Hierdurch berühren sich die Polkontakte P und die Wärmeleitplatte 1 nicht, wodurch sie gegeneinander elektrisch isoliert sind. Anhand von Zellverbindern 10 sind elektrisch gleiche und/oder verschiedene Polkontakte P der Einzelzellen 7 je nach einer gewünschten Batteriespannung und -leistung parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschaltet.
Die Zellverbinder 10 sind mit den Befestigungsmitteln 15 an den Polkontakten P der Einzelzellen 7 befestigt, wobei die Befestigungsmittel 15 beispielsweise als Schrauben, Nieten oder Klemmverbindungen ausgebildet sind. Die Polkontakte P der Einzelzellen 7 weisen vorzugsweise jeweils eine zu den Befestigungsmitteln 15 korrespondierende, nicht dargestellte Bohrung auf, so dass die Einzelzellen 7 mittels der Befestigungsmittel 15 und den Zellverbindern 10 an der Wärmeleitplatte 1 fixiert sind. Als ein Beispiel sei die Verwendung von Schrauben als Befestigungsmittel 15 genannt, bei welcher die Bohrungen in den Polkontakten P als zu den Schrauben korrespondierendes Innengewinde ausgeführt sind.
Alle Zellverbinder 10 sind gemeinsam beispielsweise in einer Zellverbinderplatine 9 befestigt. Dies stellt einerseits eine elektrische Isolierung gegenüber der Wärmeleitplatte 1 sicher und erleichtert andererseits die Montage der Batterie.
Ebenfalls an der Zellverbinderplatine 9 sind elektrische Anschlusselemente 13 befestigt, an die ein nicht dargestellter und am Batteriegehäuse befestigter Stecker anschließbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Befestigungsmittel 15 zur Befestigung der Einzelzellen 7 und der Wärmeleitplatte 1 in einem Batteriegehäuse gleich ausgeführt, so dass ein hoher Gleichteileeinsatz erreicht wird, was zu einem geringen Kostenaufwand führt. Weiterhin sind die Befestigungsmittel 15 in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass eine lösbare Befestigung entsteht, so dass bei einem Defekt der Batterie nur defekte Komponenten ausgetauscht werden, wodurch ein kostenintensiver Austausch der gesamten Batterie entfällt.
Der gesamte Zellenverbund der Einzelzellen 7 ist hinsichtlich der Längen- und/oder Breitenausdehnung zumindest gleich groß oder kleiner als die Wärmeleitplatte 1.
Zwischen der Wärmeleitplatte 1 und der Zellverbinderplatine 9 ist ein nicht dargestelltes Federelement angeordnet. Dieses Federelement wird vorzugsweise als Blattfeder oder eine elastischen Schaummatte ausgebildet.
Über die elektrischen Polkontakte P der Einzelzellen 7, die durch in die Wärmeleitplatte 1 eingebrachte Aussparungen 3 hindurch ragen, werden diese in Richtung Wärmeleitplatte 1 gezogen. Die dafür notwendige Kraft erzeugt das Federelement und diese Kraft wird mittels der Zellverbinderplatine 9 und den darauf aufgebrachten Zellverbindern 10 über die Befestigungsmittel 15 in die Polkontakte P eingeleitet. So entsteht ein definierter Anpressdruck zwischen den zu kühlenden Bauteilen und der Wärmeleitplatte 1, welcher einen größtmöglichen Wärmeübergang ermöglicht.
Bei einer Endmontage der Batterie werden die Wärmeleitplatte 1 und alle daran angeordneten Komponenten mittels nicht dargestellter Befestigungsmittel in dem Batteriegehäuse befestigt. Bei den Befestigungsmitteln handelt es sich vorzugsweise um Schrauben, so dass eine lösbare Verbindung erzielt und eine Demontage der Batterie in ihre einzelnen Bauelemente ermöglicht wird. Darüber hinaus ist die Wärmeleitplatte 1 innerhalb der Batterie zwischen dem Formkörper 8 und einem nicht dargestellten Federelement angeordnet.
Der Formkörper 8 ist zwischen den Einzelzellen 7 und der Wärmeleitplatte 1 angeordnet und besteht aus einem wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Material. Die Einzelzellen 7 und die Wärmeleitplatte 1 sind dadurch thermisch miteinander gekoppelt und elektrisch voneinander isoliert, so werden elektrische Kurzschlüsse vermieden und eine Effektivität der Kühlung der Einzelzellen 1 und/oder weiterer zu kühlender Komponenten der Batterie wird erhöht.
An der Wärmeleitplatte 1 sind als Anschlusselemente Kühlkanalanschlüsse 2 zur Durchströmung der Wärmeleitplatte 1 mit einem nicht näher dargestellten Kühlmedium angeordnet, wobei in der Wärmeleitplatte 1 die Kühlschlange 6 zur Führung des Kühlmediums vorgesehen ist. Bei dem Kühlmedium kann es sich insbesondere um ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage handeln, wobei die Wärmeleitplatte 1 mittels der Kühlkanalanschlüsse 2 mit einem Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage verbindbar ist und somit eine abgegebene Wärme der Einzelzellen 7 aufnehmen kann. Weiterhin kann die Wärmeleitplatte 1 alternativ oder zusätzlich an einen nicht näher dargestellten separaten Kühlkreislauf angeschlossen sein.
Zu einer Herausführung der Anschlusselemente, insbesondere der elektrische Anschlusselemente 13 und der Kühlkanalanschlüsse 2, sind an dem nicht dargestellten Gehäuse der Batterie zu diesen korrespondierende Aussparungen angeordnet.
Durch eine dichte Ausführung des Batteriegehäuses wird ein Eindringen von Fremdstoffen in das Batteriegehäuse verhindert und somit die Zuverlässigkeit der Batterie erhöht. Anhand der Vermeidung eines Austretens von Stoffen aus dem Batteriegehäuse wird weiterhin eine Gefährdung, Beschädigung und/oder Zerstörung des Umfeldes der Batterie vermieden.
Bei der in den 7 bis 11 dargestellten Ausführungsform mit Flachzellen 14 sind in der Wärmeleitplatte 1 keine Aussparungen für Polkontakte vorhanden und darüber hinaus wird der Formkörper durch eine Wärmeleitfolie 12 ersetzt.

1: Wärmeleitplatte
2: Kühlkanalanschluss
3: Aussparung
4: Bodenplatte
5: Formrand
6: Kühlschlange
7: Einzelzellen
8: Formkörper
9: Zellverbinderplatine
10: Zellverbinder
11: Gußwerkstoff
12: Wärmeleitfolie
13: elektrische Anschlusselemente
14: Flachzellen
15: Befestigungsmittel
P: Polkontakt
Z: Zellenverbund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007010743 A1 [0011]

Claims

Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte (1) zum Temperieren der Batterie, wobei die Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (7) aufweist, mit einer in der Wärmeleitplatte (1) angeordneten und für ein Wärmeleitmedium durchströmbaren Kanalstruktur, wobei die Einzelzellen (7) mit der Wärmeleitplatte (1) Wärme leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (1) zumindest aus einer mit einem umlaufenden Formrand (5) versehenen Bodenplatte (4) gebildet ist, in welche eine Kühlschlange (6) eingebracht und vergossen ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) jeweils an allen Kanten, insbesondere den Außenkanten und den Kanten eventueller Aussparungen (3) innerhalb der Bodenplatte (4), mit einem Formrand (5) versehen ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formrand (5) als ein von der Bodenplatte (4) abgewinkelter Bereich ausgebildet ist und weitgehend in einem rechten Winkel zur Bodenplatte (4) angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante zwischen Bodenplatte (4) und Formrand (5) verrundet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Formrandes (5) die Höhe der fertigen Wärmeleitplatte (1) bestimmt.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) mit Formrand (5) im Tiefziehverfahren hergestellt ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) mit einem mäanderförmigen Verlauf in die Wärmeleitplatte (1) eingebracht ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) in der Wärmeleitplatte (1) vergossen ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) vollständig von einem Gußwerkstoff (11) umschlossen ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme leitende Werkstoff der Kühlschlange (6) undurchlässig gegenüber dem Wärmeleitmedium ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) in Kühlkanalanschlüssen (2) im Bereich des Randes der Wärmeleitplatte (1) mündet.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) in der Wärmeleitplatte (1) mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (1) aus einem Gussteil besteht und aus einem Wärme leitenden, vorzugsweise metallischen Werkstoff ausgebildet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (7) mit der Polseite zur Wärmeleitplatte (1) hin angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (1) im Bereich der Polkontakte P der Einzelzellen (7) Aussparungen (3) aufweist und dass die Polkontakte P der Einzelzellen (7) durch die Aussparungen (3) hindurch ragen.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (7) direkt oder indirekt formschlüssig und/oder kraftschlüssig an der Wärmeleitplatte (1) befestigt sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (7) und die Wärmeleitplatte (1) thermisch miteinander gekoppelt und elektrisch voneinander isoliert sind.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse mit weiteren Aussparungen versehen ist, durch welche elektrische Anschlusselemente (13) und/oder Anschlusselemente der Wärmeleitplatte (1) nach außen ragen.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie als eine Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug, einsetzbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Wärmeleitplatte (1) einer Batterie, wobei die Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (7) aufweist, mit einer in der Wärmeleitplatte (1) angeordneten und für ein Wärmeleitmedium durchströmbaren Kanalstruktur, wobei die Einzelzellen (7) mit der Wärmeleitplatte (1) Wärme leitend verbunden sind, sowie mit aus der Wärmeleitplatte (1) herausführenden Kühlkanalanschlüssen (2) für die Kanalstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (1) zumindest aus einer mit einem umlaufenden Formrand (5) versehenen Bodenplatte (4) gebildet ist, in welche eine Kühlschlange (6) eingebracht und vergossen ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) jeweils an allen Kanten, insbesondere den Außenkanten und den Kanten eventueller Aussparungen (3) innerhalb der Bodenplatte (4) mit einem Formrand (5) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange (6) mit einem mäanderförmigen Verlauf um die Aussparungen (3) innerhalb der Bodenplatte (4) herum auf selbiger angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) mit Formrand (5) und darauf befestigter Kühlschlange (6) mit einem Wärme leitenden Werkstoff vergossen wird
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wärmeleitplatte (1) mindestens an der den Einzelzellen (7) zugewandten Seite eine mechanische Nacharbeit nach dem Gießvorgang, insbesondere ein Planfräsen, erfolgt.