DE102010005097A1

DE102010005097A1 - Temperierbare Batteriezellenanordnung

Info

Publication number: DE102010005097A1
Application number: DE102010005097A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. 06130 Busch; Sven 06114 Wüstenhagen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Beschrieben wird eine temperierbare Batteriezellenanordnung mit einer Vielzahl einzelner Batteriezellen, einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Trägerstruktur sowie einem mit der Trägerstruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen aufweist, von denen jede Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige Taschenwände vorsieht, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist, und dass jeweils zwei lagenweise benachbarte Aufnahmetaschen so miteinander zusammengefügt sind, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Elektrische Energiespeicher sind die Schlüsselkomponente für die verstärkte Nutzung elektrischer Systeme. Unter dem nachfolgend gewählten Begriff der „Batterie” oder „Batteriezellen” soll in diesem Zusammenhang sowohl eine nicht wiederaufladbare und insbesondere eine wiederaufladbare Speichereinheit verstanden werden.
Unter den verfügbaren Speichertechnologien stellen insbesondere Batterien auf der Basis von Lithium-Ionen-Zellen derzeit eine interessante Option dar. Insbesondere Li-Ionen-Batterien können jedoch nur in einem bestimmten Temperaturfenster um eine „Wohlfühltemperatur” der Zellen herum effizient betrieben werden, und der Temperaturgradient in einer Batteriezelle und innerhalb der Batterie von Zelle zu Zelle sollte ebenfalls nur gering differieren. Bei unzureichender oder nicht homogener Temperierung geht ihre Leistung und Kapazität teilweise ganz erheblich zurück, und die Zellen erreichen nur eine deutlich verringerte Lebensdauer.
Die Erfindung bezieht sich auf eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl von Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie ein mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbares Temperiermedium.
Stand der Technik
Je nach Zelltyp, Einsatzanforderung, Montagefreundlichkeit und Kostenaspekten gelangen verschiedene Varianten temperierbarer Batterieanordnungen zur Anwendung. Man unterscheidet zwischen Temperierung durch Luft und Temperierung über einen thermischen Kontakt. Bei der Lufttemperierung umströmt die temperierte Luft die Zelle und temperiert dabei deren frei zugängliche Oberflächen. Bei der Temperierung über einen thermischen Kontakt stehen die Zellen in direktem thermischem Kontakt zu einem Wärmeableiter, über den die Wärme abgeleitet wird. Die Temperierung über thermischen Kontakt ist der Lufttemperierung insbesondere hinsichtlich Bauraum und Temperiereffizienz überlegen. Bei der Gestaltung der thermischen Kontaktierung ist sie jedoch aufwändiger. Für eine gute Wärmeableitung ist einerseits ein guter Kontakt zwischen Zellen und Wärmeableiter erforderlich. Andererseits ändern die Zellen ihre Dicke im Betrieb: die Zellen „atmen”. Dieses Atmen sollte nicht oder zumindest nicht nennenswert behindert werden, da es sonst zur katastrophalen Zerstörung der Zelle kommen kann. Die Zelle sollte sich dementsprechend möglichst frei ausdehnen und zusammen ziehen können, ohne dabei aber den guten thermischen Kontakt zum Wärmeableiter zu verlieren. Dies ist konstruktiv bislang unzureichend gelöst. Als weiteres Problem kommt hinzu, dass häufig aus Sicherheitsgründen eine elektrische Isolierung des Zellengehäuses erforderlich ist, die meisten guten Wärmeableiter aber auch gute elektrische Leiter sind, so dass dies häufig nicht ohne weiteres gegeben ist.
Bei der Temperierung über thermischen Kontakt sind mehrere Varianten bekannt: Besteht das Zellengehäuse aus einem gut Wärme leitenden Material, kann das Gehäuse selbst für die Wärmeableitung verwendet werden, indem die Zellen z. B. einfach auf eine temperierte Platte als Wärmeableiter gestellt werden. Wenn der Wärmetransport durch das Zellgehäuse nicht ausreichend ist, werden Wärmeableiter zwischen den Zellen in Form von Wärmeleitrippen oder Flüssigkeit führenden Platten eingebracht. Diese Varianten führen zu einem hohen Montageaufwand in der Serienfertigung, weil sehr viele solcher Platten bei der Montage der Zellen in der Batterie dicht verbunden werden müssen. Die Flüssigkeit führenden Platten können außerdem entweder reine Temperierplatten sein, die die Wärme zwischen der sie durchströmenden temperierten Flüssigkeit und der zu temperierenden Zellwand austauschen, oder sie können aktiv kühlende Platten, z. B. Plattenverdampfer oder Heatpipes, sein, wobei in dieser Fall jedoch nur eine Kühlung oder eine Erwärmung möglich ist. Eine effiziente Variante stellt die Temperierung des Zellinneren direkt über die Ableiter und die Elektroden der Zelle, d. h. über den direkten metallischen Pfad und damit den Weg entlang einer guten Wärmeleitfähigkeit in den Elektrodenstapel hinein, dar.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist der DE 10 2005 017 057 A1 zu entnehmen, die in einem Druckgehäuse eine Vielzahl darin untergebrachter Batteriezellen vorsieht. Das Druckgehäuse ist an einen Strömungskanal angeschlossen, über den mittels einer Pumpe druckbeaufschlagt Kühlluft in das Gehäuse einströmt, die in thermischen Oberflächenkontakt mit den einzelnen Batteriezellen gelangt und anschließend über Austrittsöffnungen aus dem Gehäuse nach Außen strömt.
Die DE 10 2006 059 989 A1 beschreibt eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie. Die einheitlich ausgebildeten Einzelzellen sind von zylindrischer Bauart und jeweils parallel nebeneinander zu einem Bündel zusammengestellt. In den von den Einzelzellen einander begrenzten Zwickelräumen sind Füllstücke von hoher Wärmeleitfähigkeit eingebracht, die einseitig stirnseitig zu den Einzelzellen auf einem ein Temperiermedium führenden Leitungssystem montiert sind. Das Bündel der zylindrischen Zellen wird zudem durch ein Zugband mit den Füllstücken in gegenseitigem Formschluss gehalten, wodurch eine Volumenänderung der Einzellzellen in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand, das so genannte „Atmen”, möglich ist. Nachteilig sind jedoch der mangelnde Formschluss und der damit verbundene variierende thermische Oberflächenkontakt zwischen den Einzellzellen und den Füllstücken in Abhängigkeit der jeweiligen Volumenänderung der Einzellzellen.
Die DE 101 30 369 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für Fahrzeugbatterien, die stapelbare, mit einem Temperiermedium, vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, durchströmbare, plattenförmige Kühlelemente vorsieht, die Zwischenräume einschließen, die die gleichfalls plattenförmigen Batteriezellen aufnehmen, so dass sie zusammen mit den Kühlelementen eine Stapelanordnung bilden. Die plattenförmigen Kühlelemente sind über Verbindungen miteinander starr für ein gesamtheitliches Durchströmen mit der Kühlflüssigkeit verbunden. Die starre Ausbildung der einzelnen plattenförmigen Kühlelemente mit festem Abstand zueinander hat zur Folge, dass die zwischen den Kühlelementen befindlichen Zellen bei einer Volumenvergrößerung unter Druck geraten, d. h. das Atmen der Zellen wird erheblich behindert, oder dass bei einer Volumenverringerung der Flächenkontakt zwischen den Kühlelementen und den Zellen verringert wird oder ganz verloren geht.
Die WO 2007/08766 beschreibt eine Hochleistungsbatterie, deren elektrochemische Zellen in einer regelmäßigen Anordnung parallel mit Zwischenraum aufgestellte Zylinder sind. Zur Kühlung der Zylinder ist eine Hülle vorgesehen, die aus einem Schlauch besteht, der um die Zellen der Batterie gewickelt ist, wobei der Schlauch mit jeder Windung eine Zelle nach der anderen zumindest teilweise umschlingt. Beispielsweise umschlingt der die Hülle bildende Schlauch eine Zelle in einem Halbkreis außen und eine benachbarte Zelle in einem Halbkreis innen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium derart weiterzubilden, dass das Atmen der Zellen nicht oder zumindest nicht nennenswert behindert wird und zugleich unabhängig von ihrem Volumenzustand, den sie beim Atmen einnehmen, eine zuverlässige Temperierung der Batteriezellen möglich wird, d. h. Sorge dafür getragen wird, dass der thermische Kontakt zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem Temperiermedium unabhängig vom Atmen der Batterie weitgehend erhalten bleibt. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sollen mit möglichst kostengünstigen und montagetechnisch einfach zu handhabenden Mitteln realisierbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
Lösungsgemäß zeichnet sich eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium dadurch aus, dass die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen aufweist, wobei jede Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige, flexible Taschenwände vorsieht, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist. Jeweils zwei lagenweise unmittelbar benachbarte Aufnahmetaschen sind so mittel- oder unmittelbar miteinander gefügt, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist.
Die vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial bestehende Aufnahmestruktur umschließt die einzelnen Batteriezellen möglichst großflächig mit möglichst dünnwandig, gleichsam einer Folie ausgebildeten Taschenwänden, durch die die Batteriezellen vor einem unmittelbaren bzw. direkten Kontakt mit dem Temperiermedium geschützt sind. Die möglichst dünnwandige Ausbildung der Taschenwände sorgt zum einen für eine möglichst gute Wärmeankopplung zwischen den Batteriezellen und dem Temperiermedium, das gasförmig oder von flüssiger Natur sein kann, zum anderen gewährleistet die der Taschenwände zu eigene Flexibilität das Atmen der Batteriezellen, d. h. die folienartig ausgebildeten Taschenwände bleiben trotz Volumenänderung der Batteriezellen in stetem Flächenkontakt mit der Oberfläche der jeweiligen Batteriezelle.
Selbstverständlich ist es möglich die Aufnahmestruktur oder zumindest Teile oder Bereiche der Aufnahmestruktur auch aus metallischen Werkstoffen zu fertigen, bspw. die einzelnen Taschenwände aus Metallfolien oder beschichteten Metallfolien auszubilden, sofern die vorstehenden Anforderungen bezgl. der Flexibilität sowie der guten thermischen Leitfähigkeit, erfüllt sind.
Mit der Forderung, dass die Aufnahmestruktur aus Lagen einzelner stapelförmig aneinander gefügter Aufnahmetaschen besteht, die die einzelnen Batteriezellen zumindest teilweise umschließen, soll zum Ausdruck kommen, dass die Batteriezellen jeweils innerhalb der Aufnahmestruktur in den Aufnahmetaschen lagenweise, d. h. ebenenweise übereinander zu einem Stapel angeordnet sind, wobei jeweils die der unteren und oberen Stapelseite zugewandte Oberfläche der Batteriezellen mit dem Taschenwänden in direktem Kontakt sind. Am Beispiel platten- bzw. quaderförmig ausgebildeter Batteriezelle sei hierzu angenommen, dass pro Lage, d. h. pro Aufnahmetasche ist eine Batteriezelle enthalten, deren in der Stapelanordnung jeweils untere und obere Batteriezellenoberfläche von einer folienartigen Taschenwand bedeckt ist. Ferner sei angenommen, dass die Batteriekontaktelektroden längs einer stirnseitigen Batteriezellenseitenkante angebracht sind. Vorzugsweise die übrigen drei Batterieseitenkanten sind hermetisch von der Aufnahmestruktur umschlossen, die vorzugsweise mit den folienartigen Taschenwänden aus einem einheitlichen Material besteht. In der Stapelanordnung sind die jeweils stirnseitig angebrachten Kontaktelektroden aller Batteriezellen einheitlich an einer gemeinsamen Stapelseite angeordnet.
Um für einen möglichst effizienten Wärmekontakt und einen damit verbundenen wirksamen Wärmeaustausch zwischen den lageweise übereinander angeordneten Batteriezellen und dem Temperiermedium zu sorgen, ist jeweils zwischen zwei im Stapel benachbarten Aufnahmetaschen ein Durchgangskanal vorgesehen, der von dem Temperiermedium durchströmbar ist. Hierzu sind jeweils die im Stapel untere Taschenwand einer oberen Lage bzw. Aufnahmetasche von der oberen Taschenwand einer unmittelbar benachbarten unteren Lage bzw. Aufnahmetasche vorzugsweise beabstandet zueinander angeordnet. Auf diese Weise gelangt das Temperiermedium in mittelbaren Flächenkontakt, getrennt durch die folienartigen Taschenwände, zu den jeweils oberen und unteren Batteriezellenoberflächen und vermag diese in geeigneter Weise zu temperieren.
In besonders vorteilhafter Weise münden die zwischen den einzelnen Lagen vorgesehenen Durchgangskanäle zweiseitig offen an zwei sich gegenüberliegenden Stapelseiten, die nicht jener Stapelseite entsprechen, an der die stirnseitig angebrachten Kontaktelektroden aller Batteriezellen einheitlich angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine sichere räumliche Abtrennung zwischen den Bereichen der Zu- und Abführung des Temperiermediums und des unmittelbaren Zugangs an die einzelnen Batteriezellen geschaffen werden. Wie aus der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf ein konkretes Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, erfolgt zumindest die Zuführung des Temperiermediums mit Hilfe einer an die Stapelanordnung fluiddicht adaptierbaren Verteilereinheit, deren Gehäuse ein Volumen umschließt, in das wenigstens eine Zuleitung für das Temperiermittel mündet und das über zu den Eintrittsöffnungen der einzelnen Durchgangskanäle korrespondierende Öffnungen verfügt.
Zur Illustration der lösungsgemäßen temperierbaren Batteriezellenanordnung ist vorstehend von plattenförmig bzw. quaderförmig ausgebildeten Batteriezellen ausgegangen worden, gleichwohl eignet sich die temperierbare Batteriezellenanordnung auch für anders gestaltete Batteriezellengeometrien, bspw. für zylinderförmige oder stabförmige Batteriezellen. Bei derartigen Batteriezellen bietet es sich an mehrere Batteriezellen pro Lage nebeneinander anzuordnen, jeweils mit gleichgerichteten Stirnseiten mit Kontaktelektroden. In dieser Anordnung werden die pro Lage zu einem Flächenarrangement zusammen angeordneten Batteriezellen an ihrer „oberen” und „unteren” Batteriezellenoberfläche jeweils mit den folienartig ausgebildeten Taschenwänden beidseitig vorzugsweise konturgetreu überdeckt, d. h. im Falle von Zylinderförmigen Batterien bilden sich somit jeweils wellige Taschenwandkonturen pro Aufnahmetasche aus. In gleicher Weise fügen sich die Aufnahmetaschen mit den jeweils welligen Taschenwänden unter Einschluss der beschriebenen Durchgangskanäle für das Temperiermedium zu einem Stapelverbund zusammen. In besonders vorteilhafter Weise trägt die wellige Ausbildung der Taschenwände, die jeweils einen zwischen zwei Aufnahmetaschen im Stapelverbund eingeschlossenen Durchgangskanal beidseitig begrenzen dazu bei, dass sich vermehrt Strömungswirbel beim Durchtritt des Temperiermediums durch die Durchgangskanäle ausbilden, die zu einem verbesserten Wärmeaustausch zwischen den Oberflächen der Trennschichten und dem Temperiermedium führen.
In einer vorteilhaften weiteren Ausbildung vermögen zusätzlich jeweils an den dem Durchgangskanal zugewandten Oberflächen der Taschenwände angebrachte Strukturelemente, die den Strömungsquerschnitt des Durchgangskanals lokal reduzieren, für einen verbesserten Wärmeaustausch, insbesondere in Fällen, in denen die Taschenwände eben und glatt ausgebildet sind.
Auch kann es für eine verbesserte Wärmespeicherung vorteilhaft sein in die Durchgangskanäle zusätzlich Phasenwechselmaterialien, kurz PCM, vorzugsweise in Form dünner Schichten einzubringen.
Für eine kostengünstige Herstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten temperierbaren Batteriezellenanordnung eignet sich thermoplastisch verarbeitbarer Kunststoff, der mit den bekannten Spritzgusstechniken verarbeitbar ist. Bei bekannter Batteriezellengeometrien lässt sich die Trägerstruktur vollständig als Halbfertigprodukt herstellen, so dass es zur Endmontage lediglich erforderlich ist die einzelnen Batteriezellen in die vorgesehenen Ausnehmungen bzw. Taschen, wie sie auch nachstehend bezeichnet werden, einzufügen. Denkbar ist es auch die Batteriezellen im Rahmen eines Gießprozesses in die Trägerstruktur zu integrieren, bspw. unter Verwendung einer selbsthärtenden Vergußmasse, wie Epoxidharz o. ä..
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b Ausführungsbeispiele für Aufnahmetaschen
2a–d Ausführungsbeispiele für Aufnahmestrukturen
3 Ausführungsbeispiel für eine temperierbare Batteriezellenanordnung für platten- bzw. quaderförmig ausgebildete Batteriezellen in modularer Darstellung,
4 Ausführungsbeispiel gemäß 3 in zusammengefügter Bauform,
5 wie 4 mit Deckelelement und
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Zur Illustration einer Aufnahmetasche in Alleinstellung sei auf 1a und b verwiesen. Die Aufnahmetaschen 4, die in vielfacher stapelförmiger Aneinanderreihung als Grundelement zur Ausbildung einer lösungsgemäßen Aufnahmestruktur dient kann einzeln gefertigt und danach einzeln zur Aufnahmestruktur zusammengefügt werden. In diesem Fall können die einzelnen Aufnahmetaschen entweder aus einer einzigen Struktur, bspw. in Form einer Hülle bestehen, siehe 1a oder aus einzelnen Elementen bestehen, die nachträglich zusammengefügt werden, siehe 1b. Im Unterschied zur Aufnahmetasche 4 gemäß 1a, die eine Aufnahmetasche zum Einfügen einer plattenförmigen Batteriezelle (nicht dargestellt) vorsieht und demzufolge über zwei ebene Taschenwände 4', 4'' verfügt, ist die Aufnahmetasche gemäß 1b aus zwei über eine Fügebene F zusammengefügten und zur Aufnahme von zylinderförmig ausgebildeten Batteriezellen konturierten Taschenwänden 4', 4'' zusammengesetzt.
Die Aufnahmetaschen müssen nicht notwendig zunächst als einzelne Elemente gefertigt und dann zur Aufnahmestruktur zusammengefügt werden. Die Aufnahmestruktur kann alternativ dazu auch ”aus einem Stück” gefertigt werden, so dass alle Aufnahmetaschen und sämtliche von jeweils im Stapel benachbarte Durchgangskanäle erst im Fertigungsprozess, z. B. einem Gießprozess, gleichzeitig und miteinander verbunden entstehen.
In den 2a bis d sind unterschiedliche Ausführungsformen für die Ausbildung einer Aufnahmestruktur für eine Vielzahl von Batteriezellen dargestellt. 2a zeigt eine Aufnahmestruktur 1 mit drei Lagen bzw. drei stapelförmig aneinander gefügte Aufnahmetaschen 4 zur Aufnahme von plattenförmigen Batteriezellen. 2b zeigt eine Aufnahmestruktur 1 mit vier Lagen bzw. vier stapelförmig aneinander gefügte Aufnahmetaschen 4 zur Aufnahme von zylinderförmig ausgebildeten Batteriezellen. 2c zeigt eine einzige Aufnahmetasche, stellvertretend für eine Vielzahl von stapelförmig aneinander gefügter Aufnahmetaschen, mit zwei seitlich deckelförmig abschließenden Abschlusselementen 4'''. 2d illustriert einen Ausschnitt einer Ausführungsform, bei der die Taschenwände einzelner Aufnahmetaschen an zwei die Taschenwände beidseitig seitlich begrenzende Verteilereinheiten 6, 7 gasdicht angrenzen.
Die in 2d gezeigte Ausführungsform zeigt zwei Aufnahmetaschen 10, 20, die jeweils von den Taschenwänden 10'/10'' sowie 20'/20'' seitlich begrenzt werden. Die Seitenkanten s der Taschenwände 10'/10'' sowie 20'/20'' sind gasdicht an die den Aufnahmetaschen zugewandten Seitenwände der Verteilereinheiten 6, 7 angefügt. Die Taschenwände 10'/10'' sowie 20'/20'' schließen jeweils eine Aufnahmetasche ein, in die im perspektivisch dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2d von vorne nach hinten jeweils eine plattenförmige Batteriezelle (nicht dargestellt) einschiebbar sind. Längs ihrer Vorder- und Hinterkanten v, h sind die Taschenwände 10'/20'' der benachbarten Aufnahmetaschen gasdicht miteinander verbunden. Die gilt in der Stapelanordnung auch für alle übrigen Aufnahmetaschen. So schließt oberhalb der Aufnahmetasche 20 eine weitere Aufnahmetasche (nicht dargestellt) an, von der lediglich die untere Taschenwand 30' dargestellt ist, deren Vorder- und Hinterkante v, h mit jenen der Taschenwand 20'' gasdicht gefügt (G) sind. Gleiches gilt auch für die untere Taschenwand 9''.
Durch die gasdichte Fügung sämtlicher Taschenwände an die seitlichen Verteilereinheiten 6, 7 schließen die Taschenwände jeweils zweier im Stapel benachbarter Taschenwände 9''/10', 10''/20', 20''/30' etc. einen Zwischenraum ein, der dem vorstehend erläuterten Durchgangskanal 5 entspricht, der jeweils seitlich an Öffnungen 6'', 7'' innerhalb der ansonsten einen Hohlraum einschließenden Verteilereinheiten 6, 7 angrenzt. Die Verteilereinheit 6 weist eine Zuleitungsöffnung 6' und die Verteilereinheit 7 eine Ableitungsöffnung 7' auf. Es ist aus der figürlichen Darstellung gemäß 2d ersichtlich, dass ein Temperiermedium, bspw. Kühlluft oder eine Kühlflüssigkeit, durch die Zuleitung 6' in die Verteilereinheit 6 gelangen kann und anschließend über die mit den Zwischenräumen korrespondierenden Öffnungen 6'' in die Durchgangskanäle 5 zwischen zwei Aufnahmetaschen. Auf der linken Seite gelangt das Temperiermedium über die Öffnungen 7'' in die Verteilereinheit 7 und kann über die Ableitung 7' abgeführt werden.
Um für einen möglichst effizienten Wärmekontakt und eine damit verbundene wirksame Wärmeableitung zwischen den lagenweise übereinander in den Aufnahmetaschen angeordneten Batteriezellen und dem Temperiermedium zu sorgen, ist jeweils zwischen zwei im Stapel benachbarten Lagen respektive Aufnahmetaschen ein Durchgangskanal 5 vorgesehen, der von dem Temperiermedium durchströmbar ist. Die Durchgangskanäle 5 für das Temperiermedium entstehen dadurch, dass die Ränder R der beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils benachbarter Aufnahmetaschen dicht miteinander verbunden werden. Auf diese Weise entsteht die gesamte Aufnahmestruktur für eine beliebige Anzahl Batteriezellen aus den einzelnen Aufnahmetaschen.
An eine der beiden im Stapel außen liegenden Aufnahmetaschen oder an beiden außen liegenden Aufnahmetaschen der Aufnahmestruktur kann ein Abschlusselement 4''', z. B. eine dünne Folie, in derselben Weise wie eine weitere Aufnahmetasche angebracht werden, das auf diese Weise für die in der äußersten Aufnahmetaschen befindlichen Batteriezellen beidseitig einen Durchgangskanal 5 für das Temperiermedium bildet, siehe 2c und somit eine beidseitige Temperierung dieser Batteriezellen ermöglicht. Die in 2c dargestellte einzige Aufnahmetasche 4 soll vorzugsweise stellvertretend für eine Vielzahl stapelförmiger Aufnahmetaschen stehen.
Die Taschenwände der Aufnahmetaschen bilden zugleich die Trennschicht zum Temperiermedium im Durchgangskanal 5. Durch die möglichst dünnwandige Ausbildung der Taschenwände respektive Trennschicht ist eine gute Wärmeableitung zwischen den Batteriezellen und dem Temperiermedium, das gasförmig oder von flüssiger Natur sein kann, gegeben, die durch die Auswahl eines Taschenwand-Materials mit guter Wärmeleitfähigkeit unterstützt werden kann.
Durch die möglichst dünnwandige Ausbildung der Taschenwände und deren geometrische Gestaltung wird eine hohe Flexibilität erreicht, die einerseits ein freies Atmen der Batteriezellen gestattet und zugleich dafür sorgt, dass die Aufnahmetaschen trotz Volumenänderung der Batteriezellen in stetem Flächenkontakt mit der Oberfläche der jeweiligen Batteriezelle bleibt. Dies kann durch die Auswahl eines elastischen Taschenwandmaterials unterstützt werden.
Durch den Druck des den Durchgangskanal 5 durchströmenden Temperiermediums wird die Taschenwand jeweils an die Batterieoberfläche gedrückt, was ebenfalls den direkten Kontakt der Taschenwand mit der Batterieoberfläche befördert.
In besonders vorteilhafter Weise münden die zwischen den einzelnen Lagen vorgesehenen Durchgangskanäle 5 zweiseitig offen an zwei sich gegenüberliegenden Stapelseiten, die beide nicht der Stapelseite entsprechen, an der die stirnseitig angebrachten Kontaktelektroden aller Batteriezellen einheitlich angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine sichere räumliche Abtrennung zwischen den Bereichen der Zu- und Abführung des Temperiermediums und des unmittelbaren Zugangs an die einzelnen Batteriezellen geschaffen werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine temperierbare Batteriezellenanordnung für eine Vielzahl platten- bzw. quaderförmig ausgebildete Batteriezellen 1, die jeweils eine vordere bzw. obere 1' und eine hintere bzw. untere 1'' Batteriezellenoberfläche aufweisen und jeweils von vier Seitenkanten begrenzt sind, von denen die sogenannte Stirnseite 1''' die Batteriezellenkontaktelektroden 2 aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen quadratisch ausgebildet und stapelförmig, jeweils flächig deckungsgleich hintereinander angeordnet.
In 3 senkrecht unterhalb der Batteriezellenanordnung ist die Aufnahmestruktur 3 dargestellt, die als eine zusammenhängende Struktur aus stapelförmig aneinandergereihter, schlitzartiger Aufnahmetaschen 4 ausgebildet ist, vergleichbar jener in den 2a–c. Jede einzelne Aufnahmetasche 4 weist eine Aufnahme für eine Batteriezelle 1 derart auf, dass die in eine Aufnahmetasche 4 gefügte Batteriezelle 1 vorzugsweise hermetisch mit Ausnahme der Stirnseite von der Aufnahmetasche 4 bzw. der Aufnahmestruktur umgeben ist. Jede einzelne Aufnahmetasche 4 ist von zwei folienartig ausgebildeten Trennwänden 4', 4'' beidseitig begrenzt. Typischerweise weisen die Trennwände 4', 4'' eine Schichtdicke von 50 bis 1000 μm auf. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Aufnahmetaschen die Batteriezellen nicht in der vorstehenden Weise hermetisch umgeben müssen, es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass der Zu- und Abfluss sowie das Durchströmen des Temperiermediums durch die Durchgangskanäle vollständig fluidisch getrennt zu den Batteriezellen zu erfolgen hat.
Zwischen zwei Aufnahmetaschen 4 zur Aufnahme jeweils einer Batteriezelle 1 sieht die Aufnahmestruktur 3 jeweils einen Durchgangskanal 5 für das Temperiermedium vor. Die Durchgangskanäle 5 durchragen die Trägerstruktur 3 seitlich von rechts nach links gemäß der Bilddarstellung in 3. Auf diese Weise ist für eine räumliche Trennung der Zu- und Abführung des Temperiermediums von den Kontaktelektroden 1''' der Batteriezellen 1 gesorgt.
In vorteilhafter Weise sorgen jeweils an den dem Durchgangskanal für das Temperiermedium zugewandten Oberflächen der Taschenwände angebrachte Strukturelemente (nicht dargestellt), die den Strömungsquerschnitt des Durchgangskanals lokal reduzieren, für einen verbesserten Wärmeaustausch, insbesondere in Fällen, in denen die Trennschichtoberflächen ansonsten eben und glatt ausgebildet sind. Der Strömungswiderstand wird dabei vorzugsweise möglichst niedrig gehalten.
Alternativ zu einer Strukturierung der Oberflächen der Taschenwände können in den Durchgangskanälen für das Temperiermedium durchströmbare Elemente (nicht dargestellt), z. B. in Form von Platten, eingebracht werden. Ein solches Element weist vorzugsweise eine Strukturierung derart auf, dass das Temperiermedium strömungstechnisch günstig durch das Element strömt in dem Sinne, dass ein möglichst großer Wärmeaustausch erfolgt. Der Strömungswiderstand wird dabei vorzugsweise möglichst niedrig gehalten. Die Geometrie der Elemente soll dabei derart sein, dass das Atmen der Zellen durch die eingeschobenen Elemente nicht oder nicht nennenswert behindert wird.
Auch kann es für ein verbessertes Wärmemanagement vorteilhaft sein, in die Durchgangskanäle zusätzlich Phasenwechselmaterialien (nicht dargestellt), kurz PCM, als Latentwärmespeicher einzubringen. Diese PCM können beispielsweise in die zuvor beschriebenen durchströmbaren Elemente, die in den Durchgangskanal eingebracht werden, integriert sein.
Durch das mediendichte wechselweise Zusammenfügen der Folien zu „Aufnahmetaschen” kommen das Temperiermedium und die Batteriezellen nicht direkt miteinander in Kontakt, sondern das Temperiermedium strömt, durch die dünne Folie getrennt, flächig ohne direkten Kontakt an den Batteriezellen vorbei. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige und effiziente Kühlung jeder Batteriezelle von beiden Seiten durch die Folien als Wärmeüberträger möglich. Die folienartigen Taschenwände werden von der Seite des Temperiermediums her durch den Staudruck des Temperiermediums an die Oberfläche der Zellen angepresst, sodass diese ständig unmittelbaren flächigen Kontakt zu den Zellen haben. Die dünnen Folien sind flexibel, sodass sie einer Ausdehnung der Zellen im Betrieb („Atmen”) nachgeben können, ohne dabei den direkten Kontakt zu den Zellen, der für eine gute Wärmeübertragung erforderlich ist, zu verlieren.
Die Anbindung des Temperiermediums an den Zellenstapel erfolgt zweckmäßig durch eine plattenförmige Struktur, nachfolgend Verteilereinheit 6 sowie Aufnahmeeinheit 7 für das Temperiermittel genannt, die auf beiden offenen Seiten der Durchgangskanäle 5 für die Temperiermedien mediendicht an den Stapel angebracht werden. Die Verteilereinheit 6 weist eine Zuleitung 6' sowie zur Anzahl und Form der Durchgangskanäle 5 korrespondierende Öffnungen auf, durch die das Temperiermedium in die Durchgangskanäle fluiddicht eingespeist werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite der Aufnahmestruktur 3 befindet sich die Aufnahmeeinheit 7, über die das Temperiermedium fluiddicht aus den Durchgangskanälen 5 abgeführt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine für das Temperiermedium durchströmbare, nach außen dichte Struktur. Durch eine fluiddichte und feste Anbindung der Verteilereinheit 6 sowie Aufnahmeeinheit 7 an die Aufnahmestruktur 3 erhält der Stapel zugleich eine verbesserte Strukturfestigkeit.
Die Zu- und Abführung des Temperiermediums in die Aufnahmestruktur 3 erfolgt vorteilhaft mit Hilfe von an die Stapelanordnung bzw. Aufnahmestruktur fluiddicht adaptierbaren Verteilereinheiten 6, 7, in die jeweils eine Zu- bzw. Ableitung 6', 7' für das Temperiermittel münden und die über zu den Eintrittsöffnungen der einzelnen Durchgangskanäle 5 in der Aufnahmestruktur 3 korrespondierende Öffnungen verfügen. Auf diese Weise gelangt das Temperiermedium in mittelbaren Flächenkontakt, getrennt durch die folienartigen Taschenwände, zu den jeweils oberen und unteren Batteriezellenoberflächen und vermag diese in geeigneter Weise sehr effizient zu temperieren.
Die Aufnahmestruktur 3 mit oder ohne Verteilereinheiten 6, 7 kann anschließend noch in ein Gehäuse 8 eingebracht und mit einem Deckel 9 versehen werden, siehe 4 und 5.
Durch das Zusammenfügen der Aufnahmetaschen in der zuvor beschriebenen Art zu einem die Aufnahmestruktur bildenden Stapel lassen sich das Atmen, die Schutzfunktion sowie die Medienführung für Kühlung und elektrische Kontaktierung in einer industriell produzierbaren Baugruppe zusammenführen. Bei bekannter Batteriezellengeometrie lässt sich die Aufnahmestruktur mit den Verteilereinheiten als Halbprodukt herstellen. Die einzelnen Batteriezellen können nach der Endmontage in die Zellentaschen eingebracht und bei Bedarf danach auch einzeln wieder entnommen oder ausgetauscht werden.
Für eine gute Wärmeableitung und eine hohe Eigenelastizität der Trennschichten zwischen den Batteriezellen und den Durchgangskanälen ist eine möglichst dünnwandige Ausbildung der Taschenwände erforderlich. Andererseits erfordert ein hinreichendes Durchströmen des Temperiermediums durch die Durchgangskanäle je nach konkreter Ausführung einen teilweise erheblichen Eingangsdruck und eine hohe Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang. Durch ein Gehäuse mit Deckel, das die Aufnahmestruktur vollständig umschließt und den Druck aufnimmt, kann die Aufnahmestruktur mechanisch so stabilisiert werden, dass sie auch mit dünnwandigen Taschenwänden höhere Eingangsdrücke und Druckdifferenzen durch das Temperiermedium ertragen kann.
Zum einfachen Einbringen der Aufnahmestruktur in ein Gehäuse und ihre Fixierung darin können in vorteilhafter Weise Führungselemente im Gehäuse und/oder der Aufnahmestruktur und/oder der Verteilerstruktur vorgesehen werden. So können die Führungselemente z. B. als Feder-Nut-System ausgeführt werden, z. B. in Form schwalbenschwanzartiger Führungsnuten auf dem Verteilerelementen und dazu passenden Federn an den entsprechenden Stellen im Gehäuse.
Für eine kostengünstige Herstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten temperierbaren Batteriezellenanordnung bestehend aus der Aufnahmestruktur mit den Aufnahmetaschen, den Verteilereinheiten, dem Deckel sowie einem Gehäuse eignet sich Kunststoff, insbesondere thermoplastisch verarbeitbarer Kunststoff, der mit den bekannten Extrusions-, Spritzguss- und Tiefziehtechniken verarbeitbar ist. Denkbar ist es auch, die Batteriezellen im Rahmen eines Gießprozesses in die Zellentaschen zu bringen, bspw. unter Verwendung einer selbsthärtenden Vergussmasse, wie Epoxidharz o. ä..
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Aufnahmestruktur oder zumindest Teile oder Bereiche der Aufnahmestruktur oder der weiteren Komponenten des Batteriemoduls auch aus metallischen Werkstoffen zu fertigen, bspw. die einzelnen Trennschichten aus Metallfolien oder beschichteten Metallfolien auszubilden, sofern die vorstehenden Anforderungen bzgl. der Flexibilität sowie der guten thermischen Leitfähigkeit erfüllt sind.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezellen
1': Obere, vordere Batteriezellenoberfläche
1'': Untere, hintere Batteriezellenoberfläche
1''': Stirnseite
2: Kontaktelektroden
3: Aufnahmestruktur
4: Aufnahmetasche
4', 4'': Taschenwände
4''': Abschlusselement
5: Durchgangskanal
6, 7: Verteilereinheit
6', 7': Zu-, Ableitung
6'': Öffnungen
8: Gehäuse
9: Deckel
9'': Taschenwand
10: Aufnahmetasche
20: Aufnahmetasche
10', 10'': Taschenwand
20', 20'': Taschenwand
v, h: Vordere, Hintere Taschenwandkante
s: Seitliche Taschenwandkanten
R: Rand
G: Gasdichte Fügung
F: Fügeebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017057 A1 [0006]
DE 102006059989 A1 [0007]
DE 10130369 A1 [0008]
WO 2007/08766 [0009]

Claims

Temperierbare Batteriezellenanordnung für eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen, mit einer die Batteriezellen jeweils einzeln, wenigstens teilweise flächig umschließenden Aufnahmestruktur sowie einem mit der Aufnahmestruktur in thermischen Kontakt bringbaren Temperiermedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmestruktur lagenweise angeordnete Aufnahmetaschen aufweist, von denen jede Aufnahmetasche wenigstens zwei flächige, flexible Taschenwände vorsieht, zwischen denen wenigstens eine Batteriezelle einbringbar ist, und dass jeweils zwei lagenweise benachbarte Aufnahmetaschen so mittel- oder unmittelbar miteinander gefügt sind, dass zwischen den jeweils benachbarten Aufnahmetaschen jeweils wenigstens ein von dem Temperiermedium durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist.
Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen jeweils wenigstens eine Stirnseite aufweisen, an der wenigstens eine Kontaktelektrode vorhanden ist, dass die wenigstens eine Stirnseite sämtlicher in den Aufnahmetaschen der Aufnahmestruktur angeordneten Batteriezellen einer gemeinsamen Ebene zugewandt orientiert sind, und dass der wenigstens eine Durchgangskanal parallel zu den Stirnseiten der Batteriezellen orientiert ist.
Batteriezellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmestruktur von quaderförmiger Gestalt ist und über einen schicht- oder lagenförmigen Aufbau der nachfolgenden Art verfügt: – in einer ersten Lage sieht eine Aufnahmetasche zwei quadratische oder rechteckförmig, folienartig ausgebildete, deckungsgleich übereinander angeordnete Taschenwände vor, die zwischenliegend wenigstens eine Batteriezelle oberflächenbündig bedecken, – eine zur ersten Aufnahmetasche gleichartig ausgebildete zweite Aufnahmetasche schließt sich deckungsgleich unter Ausbildung eines Lagenstapels, an die erste Aufnahmetasche an, wobei zwischen der ersten und zweiten Aufnahmetasche der wenigstens eine Durchgangskanal eingeschlossen ist, der den Lagenstapel von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite des Lagenstapels offen durch ragt, – eine Vielzahl weiterer Aufnahmetaschen schließt sich an die erste und zweite Aufnahmetasche unter Ausbildung eines quaderförmigen Lagenstapels, der eine Vorder- und Rückseite sowie zwei Seitenflächen vorsieht, derart an, dass sämtliche mit wenigstens einer Kontaktelektrode versehenen Stirnseiten aller Batteriezellen längs der Vorderseite des quaderförmigen Lagenstapels angeordnet sind, und dass die den Durchgangskanälen jeweils zuordenbaren Ein- bzw. Austrittsöffnungen jeweils an den Seitenflächen des quaderförmigen Lagenstapels münden.
Batteriezellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Batteriezelle pro Lage zumindest beidseitig zu den Seitenflächen hermetisch umschlossen ist.
Batteriezellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einseitig an eine Seitenfläche des quaderförmigen Lagenstapels eine Verteilereinheit für das Temperiermittel fluiddicht angrenzt, die ein Volumen umschließt, in die wenigstens eine Leitung für das Temperiermittel mündet und die über zu den Ein- bzw. Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle korrespondierende Öffnungen aufweist.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen plattenförmig ausgebildet sind und eine Plattenober- und -unterseite sowie jeweils eine Stirnseite mit zwei Kontaktelektroden aufweisen, dass pro Lage die wenigstens eine Batteriezelle sowohl an der Plattenober- und unterseite jeweils von einer folienartig ausgebildeten Taschenwand vollständig bedeckt ist, als auch an den die Batteriezelle umgebenden Seitenrändern mit Ausnahme der Stirnseite hermetisch von der Aufnahmestruktur umschlossen ist, und dass zwischen jeweils zwei Lagen ein jeweils stirnseitig zugewandter Randbereich und ein diesem gegenüberliegender Randbereich der sich im Stapel gegenüberliegenden, folienartig ausgebildeter Taschenwände fluiddicht miteinander verbunden sind und den Durchgangskanal zwischen zwei Lagen seitlich fluiddicht abschließen.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen länglich stab- oder zylinderförmig ausgebildet sind, jeweils eine Längsachse und eine Stirnseite mit zwei Kontaktelektroden aufweisen, dass pro Lage wenigstens zwei Batteriezellen mit parallelen zueinander orientierten Längsachsen und gleicher Orientierung bezüglich ihrer Stirnseiten angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Batteriezellen durch eine Trennebene, die durch die Längsachsen der wenigstens zwei Batteriezellen aufgespannt wird, in eine obere und untere Halbebene unterteilbar sind, dass die in der oberen Halbebene zugehörigen Oberflächen der Batteriezellen sowie die in der unteren Halbebene zugehörigen Oberflächen der Batteriezellen jeweils zumindest teilweise von einer folienartig ausgebildeten Taschenwand möglichst konturgetreu bedeckt sind, und dass zwischen jeweils zwei Lagen ein jeweils stirnseitig zugewandter Randbereich und ein diesem gegenüberliegender Randbereich der sich im Stapel gegenüberliegenden, folienartig ausgebildeter Taschenwände fluiddicht mittel- oder unmittelbar miteinander verbunden sind und den Durchgangskanal zwischen zwei Lagen seitlich fluiddicht abschließen.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einen Durchgangskanal einschließenden folienartig ausgebildeten Taschenwände zu Seiten des Durchgangskanals strukturiert sind.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einem Durchgangskanal Wärme speicherndes Material, so genanntes Phasenwechselmaterial (PCM) eingebracht ist.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmestruktur aus einem Kunststoff oder einem Kunststoff-Metall Hybridwerkstoffverbund besteht.
Batteriezellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Aufnahmestruktur umschließendes Gehäuse vorgesehen ist, das zumindest die Aufnahmetaschen umfasst und diese quer zur Taschenwanderstreckung mittelbar oder unmittelbar abstützt.