DE102009035465A1 - Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (4) und polseitig auf den Einzelzellen (4) angeordneten Zellverbindern (3), wodurch die Einzelzellen (4) seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist in eine Zellverbinderplatine, an welcher die Zellverbinder (3) form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet sind, eine für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kühlkanalstruktur (7) integriert und die Zellverbinder (3) sind mit der Zellverbinderplatine (1) Wärme leitend verbunden und mit dieser thermisch gekoppelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellenfahrzeugen, einen Zellblock aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf.
  • Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um eine entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird eine Kühlvorrichtung eingesetzt, die mit den Einzelzellen thermisch verbunden ist.
  • Bei der so genannten Kopfkühlung der Batteriezellen ist die Kühlvorrichtung an einer Polseite der Einzelzellen angeordnet, an der sich elektrische Polkontakte der Einzelzellen befinden, die paarweise durch Zellverbinder elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  • Bekannt ist eine indirekte Kühlung durch eine Kühlflüssigkeit, z. B. verdampfendes Klimamittel R134a oder CO2 als direkt oder über einen so genannten Chiller durch eine Klimaanlage temperierte Kühlflüssigkeit, oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Einzelzellen geleitet wird.
  • Bei einer herkömmlichen Flüssigkeitskühlung, die aus Bauraumgründen vorzugsweise angewendet wird, ist an einem Zellenverbund eine von Kühlflüssigkeit durchströmte Wärmeleitplatte angeordnet.
  • Eine solche Wärmeleitplatte oder Kühlplatte ist beispielsweise aus der DE 100 03 74 C1 bekannt. Dort sind die Einzelzellen mittels Zellverbindern elektrisch kontaktiert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich Kühlung und Montage verbesserte Batterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen und polseitig auf den Einzelzellen angeordneten Zellverbindern, wodurch die Einzelzellen seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind, umfasst eine Zellverbinderplatine, an welcher die Zellverbinder form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet sind, wobei eine für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kanalstruktur in der Zellverbinderplatine integriert ist und die Zellverbinder mit der Zellverbinderplatine Wärme leitend verbunden und mit dieser thermisch gekoppelt sind.
  • 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.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung werden eine Teileanzahl der Batterie und ein Bauraumbedarf für eine Kühlung der Batterie verringert. Dadurch wird die Kühlung der Batterie verbessert und die Fertigungs- und Materialkosten der Batterie, der Fertigungsaufwand und der benötigte Bauraum der Batterie werden gesenkt. Die Reduzierung des Bauraumbedarfs ist insbesondere bei einem Einsatz der Batterie in Fahrzeugen von großer Bedeutung.
  • Die erfindungsgemäße Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, ist in einer besonders günstigen Ausführungsform in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, einsetzbar.
  • Die mit der erfindungsgemäßen Batterie erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch diese erfindungsgemäße Lösung eine effiziente Kühlung einer Batterie erreicht ist, die kostengünstig und einfach zu fertigen ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt die einzige 1 eine Seitenschnittansicht einer Zellverbinderplatine mit integrierten Kühlkanälen.
  • Eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen 4 und eine polseitig auf den Einzelzellen 4 angeordnete Zellverbinderplatine 1, die an ihrer Unterseite mit Zellverbindern 3 versehen ist, wodurch die Einzelzellen 4 seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
  • Die größte Wärmemenge in einer Batterie entsteht am Zellkopf der Einzelzellen 4 und den daran befindlichen Zellverbindern 3. Die Zellverbinder 3 sind mit der Zellverbinderplatine 1 und den Einzelzellen 4 thermisch gekoppelt und werden durch die beschriebene Lösung effektiv mit geringem Bauraum gekühlt.
  • 1 stellt eine Seitenschnittansicht einer Zellverbinderplatine 1 mit einer integrierten Kühlkanalstruktur 2 dar. An einer Unterseite dieser Zellverbinderplatine 1 sind die Zellverbinder 3 form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet.
  • Auf den Polkontakten 5 der Einzelzellen 4 sind die Zellverbinder 3 angeordnet und die Einzelzellen 4 mit diesen sowohl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet als auch an der Zellverbinderplatine 1 befestigt.
  • Da die an den Polkontakten 5 befestigten Zellverbinder 3 der Einzelzellen 4 bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur zur Ladung und Entladung der Einzelzellen 4 sowie zur elektrischen Verschaltung der Einzelzellen 4 untereinander, sondern auch zur Wärmeübertragung der Verlustwärme der Einzelzellen 4 an die Zellverbinderplatine 1 sowie zur Befestigung der Einzelzellen 4 an der Zellverbinderplatine 1 verwendet werden, reduziert das einen Materialbedarf, der bei einer Batterie nach dem Stand der Technik für Kühlung und Befestigung der Einzelzellen 4 benötigt wird, und somit auch einen Fertigungsaufwand, die Kosten sowie einen Bauraum.
  • Erfindungsgemäß sind die an den Polkontakten 5 befestigten Zellverbinder 3 der Einzelzellen 4 thermisch an die Zellverbinderplatine 1 gekoppelt und elektrisch isoliert, so dass die Verlustwärme der Einzelzellen 4 über die Polkontakte 5 und die Zellverbinder 3 auf die Zellverbinderplatine 1 übertragbar ist. Des Weiteren sind die Einzelzellen 4 durch diese Anordnung befestigt und in ihrer Position gehalten.
  • Die Zellverbinder 3 sind beispielsweise mit der Zellverbinderplatine 1 vernietet, verklebt und/oder verschraubt und elektrisch isoliert an der Zellverbinderplatine 1 befestigt.
  • Die Zellverbinder 3 sind mit den Polkontakten 5 der Einzelzellen 4 form-, stoff-, und/oder kraftschlüssig verbunden, beispielsweise verschraubt, vernietet, verlötet, verschweißt und/oder pressgeschweißt. Auf diese Weise sind die Zellverbinder 3 mit den Einzelzellen 4 widerstandsarm kontaktiert und fest mit diesen verbunden, so dass die Einzelzellen 4 mittels der Zellverbinder 3 an der Zellverbinderplatine 1 gehalten sind.
  • Die Zellverbinder 3 sind beispielsweise durch ein Schweißverfahren, wie Ultraschallschweißung, Laser oder Widerstands-Pressschweißung, an den Polkontakten 5 befestigt.
  • Vorzugsweise sind die Zellverbinder 3 aus Elektrokupfer, bevorzugt aus aufeinander gestapelten dünnen und beispielsweise laminierten Kupferblechen, gefertigt. Sie sind elastisch und/oder plastisch verformbar. Elektrokupfer ist zum einen ein sehr guter elektrischer Leiter und ein sehr guter Wärmeleiter, zum anderen sehr gut insbesondere elastisch verformbar, insbesondere in einer Bauform der Zellverbinder 3 als gestapelte dünne Kupferbleche. Auf diese Weise sind sie sehr flexibel und Höhendifferenzen der Polkontakte 5 sind somit gut ausgleichbar.
  • Auf der Oberseite und/oder der Unterseite der gekühlten Zellverbinderplatine 1 sind elektronische und/oder elektrische Bauelemente 6 anordbar, beispielsweise zu einer Überwachung von Lade- und Entladevorgängen und einer Temperaturüberwachung der Einzelzellen 1. Auf diese Weise ist eine einfache, schnelle und kostengünstige Anbindung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 6 an die Einzelzellen 1 ermöglicht.
  • Im Inneren der Zellverbinderplatine 1 ist eine Kühlkanalstruktur 7, welche von einem Wärmeleitmedium durchströmt ist, angeordnet. Für eine Zu- und Abführung des Wärmeleitmediums sind nicht näher dargestellte Kühlkanalanschlüsse in einem Bereich eines Randes der Zellverbinderplatine 1 vorgesehen, welche beispielsweise an einen Klimakreislauf eines Fahrzeuges angeschlossen sind.
  • Die Zellverbinderplatine 1 ist vorzugsweise planar ausgebildet und in der Zellverbinderplatine 1 sind Kühlkanäle 7 zur Durchströmung mit einem Wärmeleitmedium integriert. Da die Kühlkanäle 7 mittels der Kühlkanalanschlüsse an einen Kühlkreislauf zum Beispiel eines Fahrzeugs angeschlossen sind, ist über das Wärmeleitmedium die über die Zellverbinder 3 auf die Zellverbinderplatine 1 übertragene Verlustwärme der Einzelzellen 4 aus der Batterie ableitbar.
  • Der Kühlkanal 7 kann in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise einen runden, ovalen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, den Kühlkanal 7 und die Zellverbinderplatine 1 in einer sowohl fertigungs- und kosteneffizienten als auch für die Wärmeübertragung optimalen Form zu fertigen.
  • Der Wärme leitende Werkstoff der Zellverbinderplatine 1 ist undurchlässig gegenüber dem Wärmeleitmedium.
  • Das Wärmeleitmedium ist als ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel ausgebildet, beispielsweise verdampfendes Klimamittel R134a oder CO2 oder vorgekühlte Luft.
  • Der Kühlkanal 7 kann einen runden, ovalförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
  • Da die größte Wärmemenge in einer Batterie am Zellkopf der Einzelzellen 4 und den daran befindlichen Zellverbindern 3 entsteht, wird die Batterie zweckmäßigerweise möglichst nahe an den Zellverbindern 3 gekühlt. Durch eine direkte Kühlung der Zellverbinderplatine 1 wird auch dem umgebenden Medium, z. B. Luft, Wärme entzogen, was zu einer Reduzierung des Temperaturniveaus im gesamten Kopfbereich der Einzelzellen 4 dient.
  • Die Zellverbinderplatine 1 besteht aus einem mehrschichtigen Aufbau, um zum einen die Kühlkanäle 7 zu bilden und zum anderen die Zellverbinder 3 zu fixieren und die Leiterbahnen zu routen. Auf der Zellverbinderplatine 1 befestigte elektronische und/oder elektrische Bauelemente 6, die auch beidseitig angeordnet sein können, werden vorteilhafterweise ebenfalls gekühlt.
  • Die Zellverbinderplatine 1 ist als ein Multifunktionsbauteil ausgebildet und ermöglicht eine Kühlung der Batterie, eine elektrische Verschaltung und Kontaktierung der Einzelzellen 4 und der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 6 und dient als Halteelement der Einzelzellen 4 und der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 6.
  • Die Verlustwärme der Einzelzellen 4 wird somit auf die Zellverbinderplatine 1 übertragen, so dass sie über das Wärmeleitmedium im Kühlkanal 7 aus der Batterie abtransportiert werden kann.
  • Die Einzelzellen 4 können als Rundzellen, Flachzellen oder in weiteren Zellformen, z. B. vieleckig oder oval, ausgeführt sein. Durch die dargestellte runde Ausbildung der Einzelzellen 4 bzw. die Ausbildung als Flachzellen ist eine Grundfläche der Batterie und der Zellverbinderplatine 1 bauraumoptimiert genutzt.
  • Zur optimalen Nutzung des vorhandenen Bauraums, was insbesondere beim Einsatz der Batterie als Fahrzeugbatterie aufgrund des nur beschränkt vorhandenen Bauraums im Fahrzeug sehr wichtig ist, sind die Einzelzellen 1 in einer besonders günstigen Ausführungsform mit ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet.
  • Da in einer erfindungsgemäßen Batterie gleichartige Einzelzellen 4 eines Typs verwendet werden, führt dies neben einer Reduzierung der Komplexität der Batterie ebenfalls zu einer Reduzierung von Fertigungsaufwand und Kosten.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein Querschnitt der Einzelzellen 4 rund, oval oder vieleckig, insbesondere wabenförmig, wobei vorzugsweise eine Wandstärke eines Zellbechers der Einzelzellen 4 in Umfangsrichtung unterschiedlich stark ist. Diese derart teilweise aufgedickten Zellbecher sind sehr gut zur Wärmeleitung geeignet, so dass über die Zellbecher die Verlustwärme an die Oberseite der Einzelzellen 4 und darüber zur Zellverbinderplatine 1 leitbar ist. Der Querschnitt der Einzelzellen 4 ist beispielsweise so wählbar, dass eine optimale Packungsdichte der Einzelzellen 4 in der Batterie erreichbar ist. Insbesondere Einzelzellen 4 mit wabenförmigem Querschnitt sind derart eng nebeneinander anordbar, dass ein Bauraum der Batterie optimal nutzbar ist bzw. eine Bauform der Batterie optimierbar ist. Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz dieser Batterie in Hybridfahrzeugen von großer Bedeutung, da in diesen Fahrzeugen eine Mehrzahl dieser Batterien erforderlich ist, aber Bauraum für die Batterien nur in begrenztem Umfang vorhanden ist. Um den benötigten Bauraum der Einzelzellen 4 und damit der Batterie möglichst gering zu halten, sind diese vorzugsweise mit ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet.
  • Zu einer Herausführung der Anschlusselemente, insbesondere der elektrischen Anschlusselemente und der Kühlkanalanschlüsse, 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.
  • 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 Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Mangan-Hydrid-Batterien, erfolgt vorzugsweise zum zumindest teilweisen Antrieb eines Kraftfahrzeugs zur Personenbeförderung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zellverbinderplatine
    2
    Kühlkanalstruktur
    3
    Zellverbinder
    4
    Einzelzelle
    5
    Polkontakt
    6
    elektronische und/oder elektrische Bauelemente
    7
    Kühlkanal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 1000374 C1 [0007]

Claims (13)

  1. Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (4) und polseitig auf den Einzelzellen (4) angeordneten Zellverbindern (3), wodurch die Einzelzellen (4) seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind, gekennzeichnet durch eine Zellverbinderplatine (1), an welcher die Zellverbinder (3) form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet sind, wobei eine für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kühlkanalstruktur (7) in der Zellverbinderplatine (1) integriert ist und die Zellverbinder (3) mit der Zellverbinderplatine (1) Wärme leitend verbunden und mit dieser thermisch gekoppelt sind.
  2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalstruktur (7) aus einem Wärme leitenden und elektrisch isolierendem Werkstoff gebildet ist, welcher undurchlässig gegenüber dem Wärmeleitmedium ist.
  3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalstruktur (7) in Kühlkanalanschlüssen in einem Bereich eines Randes der Zellverbinderplatine (1) mündet.
  4. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium als ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel ausgebildet ist.
  5. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalstruktur (7) einen runden, ovalförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweist.
  6. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalstruktur (7) in mehreren nebeneinander liegenden Reihen mäanderförmiger Windungen in der Zellverbinderplatine (1) ausgeformt ist.
  7. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Einzelzellen (4) rund, oval oder vieleckig, insbesondere wabenförmig, ist.
  8. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (4) mit ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet sind.
  9. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (3) aus Elektrokupfer gefertigt sind.
  10. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (3) aus aufeinander gestapelten dünnen Kupferblechen gefertigt sind.
  11. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (3) mit der Zellverbinderplatine (1) vernietet, verklebt und/oder verschraubt sind.
  12. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (3) mit den Polkontakten (5) der Einzelzellen (1) verschraubt, vernietet, verlötet, verschweißt und/oder pressgeschweißt sind.
  13. Batterie nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug, ist.
DE102009035465A 2009-07-31 2009-07-31 Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie Withdrawn DE102009035465A1 (de)

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