DE102010055601A1

DE102010055601A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102010055601A1
Application number: DE201010055601
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Andersson Nils; Norbert Bachmann; Dr. Kaufmann Rainer; Dr.-Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Thate Denis; Dipl.-Ing. Wiesheu Norbert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit wenigstens einem Zellblock (3), der mehrere elektrisch seriell miteinander verschaltete und stapelweise hintereinander angeordnete Batteriezellen (2) umfasst, die jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse (4) und zwei an einer Kontaktierungsseite des Zellblocks (3) aus dem Zellgehäuse (4) herausgeführte metallische Polkontakte (5, 6) aufweisen. Die beiden Polkontakte (5, 6) einer Batteriezelle (2) sind als flächige Kontaktfahnen ausgebildet, wobei ein erster Polkontakt (5) ein Pluspol ist und der zweite Polkontakt (6) ein Minuspol ist. Die Batterie umfasst ferner wenigstens eine Kühlplatte (10), die von einem Kühlmittel durchströmbar ist und mit Batteriezellen (2) in thermischem Kontakt steht. Die Polkontakte (5, 6) jeder Batteriezelle (2) weisen jeweils ein flächiges Endstück (5.1, 6.1) auf, das parallel zu der Kontaktierungsseite des Zellblocks (3) verläuft. Für jedes Paar benachbarter Batteriezellen (2) eines Zellblocks (3) grenzen genau zwei Endstücke (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) unterschiedlicher Polarität aneinander und sind miteinander verschweißt, so dass niemals mehr als zwei Endstücke (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) miteinander verschweißt sind. Jede Kühlplatte (10) steht mit miteinander verschweißten Endstücken (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) in thermischem Kontakt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem Zellblock gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, einen Zellblock aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen auf.
Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung eingesetzt, wobei am Zellblock der Batterie eine von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmte Kühlplatte angeordnet ist, die mit den Batteriezellen in thermischem Kontakt steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer verbesserten Batteriekühlung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Batterie weist wenigstens einen Zellblock auf, der mehrere elektrisch seriell miteinander verschaltete und stapelweise hintereinander angeordnete Batteriezellen umfasst, die jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse und zwei an einer Kontaktierungsseite des Zellblocks aus dem Zellgehäuse herausgeführte metallische Polkontakte aufweisen. Die beiden Polkontakte einer Batteriezelle sind als flächige Kontaktfahnen ausgebildet, wobei ein erster Polkontakt ein Pluspol und der zweite Polkontakt ein Minuspol ist. Ferner weist die Batterie wenigstens eine Kühlplatte auf, die von einem Kühlmittel durchströmbar ist und mit Batteriezellen in thermischem Kontakt steht. Die Polkontakte jeder Batteriezelle weisen jeweils ein flächiges Endstück auf, das parallel zu der Kontaktierungsseite des Zellblocks verläuft. Für jedes Paar benachbarter Batteriezellen eines Zellblocks grenzen genau zwei Endstücke von Polkontakten unterschiedlicher Polarität aneinander und sind miteinander verschweißt, so dass niemals mehr als zwei Endstücke von Polkontakten miteinander verschweißt sind. Jede Kühlplatte steht mit miteinander verschweißten Endstücken von Polkontakten in thermischem Kontakt.
Die Verschweißung von Polkontakten benachbarter Batteriezellen ermöglicht dabei vorteilhaft einen guten und sicheren elektrischen Kontakt dieser Polkontakte. Die miteinander verschweißten Endstücke der Polkontakte werden erfindungsgemäß ferner zur Abfuhr von Wärme aus den Batteriezellen an eine oder mehrere Kühlplatten genutzt. Dazu stehen die Kühlplatten mit den Polkontakten in thermischem Kontakt. Die Polkontakte der Batteriezellen werden also erfindungsgemäß zur elektrischen Verschaltung der Batteriezellen und zur Ableitung von Wärme aus den Batteriezellen genutzt. Dadurch wird die Bauweise der Batterie vorteilhaft vereinfacht und verbilligt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung zweier benachbarter Batteriezellen eines Zellblocks einer Batterie mit Flachrahmen für die Batteriezellen und einer zwischen den Batteriezellen angeordneten Spannmatte,
2 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung eines Zellblocks einer Batterie mit zwei Kühlplatten,
3 schematisch einen Kühlkreislauf eines Fahrzeuges,
4 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung dreier Zellblöcke einer Batterie mit jeweils zwei Kühlplatten und deren Kühlverschaltung und eine Bodenwanne der Batterie und
5 bis 9 verschiedene Strömungsführungen in einer Kühlplatte.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung zweier benachbarter Batteriezellen 2 eines Zellblocks 3 einer Batterie 1 für ein Fahrzeug.
Die Batteriezellen 2 sind als so genannte Flachzellen ausgebildet und stapelweise hintereinander angeordnet. Sie weisen jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse 4 auf, aus dem an einer eine Oberseite des Zellblocks 3 bildenden Kontaktierungsseite des Zellblocks 3 zwei metallische Polkontakte 5, 6 der Batteriezelle 2 aus dem Zellgehäuse 4 herausgeführt sind. Die Polkontakte 5, 6 sind als flächige Kontaktfahnen ausgebildet, wobei ein erster Polkontakt 5 ein Pluspol und der zweite Polkontakt 6 ein Minuspol ist. Die Polkontakte 5, 6 sind jeweils in einer Ebene senkrecht zu der Kontaktierungsseite des Zellblocks 3 aus dem Zellgehäuse 4 herausgeführt und oberhalb des Zellgehäuses 4 um 90 Grad abgewinkelt, so dass sie jeweils ein flächiges Endstück 5.1, 6.1 aufweisen, das parallel zu der Kontaktierungsseite des Zellblocks 3 verläuft. Dabei sind die beiden Polkontakte 5, 6 einer Batteriezelle 2 jeweils in entgegen gesetzte Richtungen abgewinkelt. Ferner sind Polkontakte 5, 6 zweier benachbarter Batteriezellen 2 jeweils derart angeordnet und abgewinkelt, dass die Polkontakte 5, 6 entgegen gesetzter Polarität entlang des Zellblocks 3 hintereinander angeordnet sind und für jedes Paar benachbarter Batteriezellen 2 genau zwei Endstücke 5.1, 6.1 von Polkontakten 5, 6 unterschiedlicher Polarität zueinander weisen.
Mit anderen Worten bilden die Polkontakte 5, 6 der Batteriezellen 2 eines Zellblocks 3 zwei zueinander parallele Reihen von Polkontakten 5, 6, in denen sich jeweils Plus- und Minuspole miteinander abwechseln und benachbarte Plus- und Minuspole jeweils abwechselnd zueinander hin und voneinander weg abgewinkelt sind, wobei die Abwinkelungen in den beiden Reihen zueinander versetzt sind. Ferner grenzen zueinander hin abgewinkelte Endstücke 5.1, 6.1 aneinander und sind miteinander verschweißt, so dass die Batteriezellen 2 eines Zellblocks 3 elektrisch seriell miteinander verschaltet sind.
Die Batteriezellen 2 sind in Flachrahmen 7 verspannt, die seitliche Führungsöffnungen 7.1 aufweisen, durch die entlang des Zellblocks 3 stabförmige Positionierungselemente 8 zum stapelweisen Positionieren der Flachrahmen 7 und Batteriezellen 2 geführt sind.
Zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 ist jeweils eine rechteckförmige Spannmatte 9 zum Ausgleichen zeitlicher Dickenänderungen der Batteriezellen 2 angeordnet. Die Spannmatten 9 sind beispielsweise aus einem Filz gefertigt.
2 zeigt eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung eines Zellblocks 3 einer Batterie 1 mit zwei Kühlplatten 10.
Der Zellblock 3 umfasst eine Anzahl gemäß 1 stapelweise hintereinander angeordneter und miteinander verschalteter Batteriezellen 2. An den Enden des Zellblocks 3 ist jeweils eine Abschlussplatte 14 angeordnet, die seitlich Halterungen 14.1 zur Aufnahme der Positionierungselemente 8 aufweist.
Die Kühlplatten 10 verlaufen parallel zueinander entlang einer Längsrichtung des Zellblocks 3 auf dessen Oberseite (Kontaktierungsseite). Sie weisen jeweils einen mäanderförmigen Kühlkanal 11 auf, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist und jeweils zwei Kühlkanalanschlüsse 12 zur Zu- und Ableitung von Kühlmittel in den Kühlkanal 11 aufweist. Die Kühlkanalanschlüsse 12 sind rohrförmig ausgebildet und jeweils an einem Ende der Kühlplatte 10 aus dieser senkrecht nach unten zu korrespondierenden Anschlussausnehmungen 15 in der am entsprechenden Ende des Zellblocks 3 angeordneten Abschlussplatte 14 herausgeführt. Die Kühlkanalanschlüsse 12 sind beispielsweise durch Reibschweißung, Rändelung, Verklebung, Einpressung oder Einschraubung wasserdicht in der Kühlplatte 10 befestigt.
Die Kühlplatten 10 sind jeweils an ihren Seiten durch zwei Reihen von Befestigungselementen 13 an den Flachrahmen 7 befestigt, wobei jeder Flachrahmen 7 durch jeweils zwei Befestigungselemente 13 an jeder der Kühlplatten 10 befestigt ist. Die Befestigungselemente 13 sind beispielsweise als Schraubelemente ausgebildet, die jeweils durch eine Kühlplatte 10 geführt und in ein Schraubgewinde in einem Flachrahmen 7 geschraubt werden.
Die Kühlplatten 10 werden durch die Befestigungselemente 13 verspannend an die Oberseite des Zellblocks 3 gedrückt, so dass sie in thermischem Kontakt mit den miteinander verschweißten Endstücken 5.1, 6.1 von Polkontakten 5, 6 der Batteriezellen 2 des Zellblocks 3 stehen. Durch diese Befestigung der Kühlplatten 10 an dem Zellblock 3 wird vorteilhaft gleichzeitig eine mechanische Stabilisierung des Zellblocks 3 erreicht und die Wärmeleitung zwischen den Batteriezellen 2 und den Kühlplatten 10 über die Polkontakte 5, 6 der Batteriezellen 2 verbessert.
Die Kühlplatten 10 werden aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise aus Metall, aus Gewichtsgründen besonders bevorzugt aus Aluminium, gefertigt. Alternativ können sie jedoch auch aus metallgefülltem Kunststoff oder Wärme leitender Keramik gefertigt werden. In dem Fall, dass sie aus Metall gefertigt sind, werden die Kühlplatten 10 gegenüber den Polkontakten 5, 6 elektrisch isoliert. Dadurch wird vorteilhaft ein Kurzschluss über den Zellblock 3 verhindert. Diese elektrische Isolierung wird beispielsweise mittels so genannter Wärmeleitfolien realisiert, die zwischen den Kühlplatten 10 und den Polkontakten 5, 6 angeordnet werden.
Die Kühlkanäle 11 sind beispielsweise als Kanaleinfräsungen in die Kühlplatten 10 ausgebildet, wobei sie nach der Fräsung jeweils mittels eines Deckels schweißtechnisch dicht verschlossen werden.
Dabei kann der Deckel selbst die Kanaleinfräsung aufweisen. Alternativ können zwei Platten aneinander gefügt werden, wobei eine dickere der beiden Platten die Kanalstruktur beinhaltet und die dünnere Platte den Deckel bildet. Um die Platten aneinander zu fügen, können sie beispielsweise durch eine Rundumnaht mittels Laserschweißen aneinander geschweißt werden. Weitere Alternativen zur Herstellung der Kühlplatten 10 sind, ein gebogenes Rohr in Aluminium einzugießen oder zwei Bleche zu einer Kanalstruktur umzuformen und diese, beispielsweise mittels Laser- oder Rollnahtschweißen, miteinander zu verschweißen, oder eine Kühlplatte 10 als Strangpressprofil mit parallelen Längskanälen herzustellen, das an beiden Enden mit einem Verteilerdeckel abgeschlossen wird. Statt Platten miteinander zu verschweißen, können sie auch miteinander verklebt werden.
3 zeigt schematisch einen Kühlkreislauf eines Fahrzeuges, in dem ein Kühlmittel strömt. Der Kühlkreislauf umfasst einen Fahrzeugkühler 16, der über einen Ausdehnungsbehälter 18, ein Absperrventil 19 und ein Mehrwegeventil 22 an eine Fahrzeugklimaanlage 17 mit einem Wärmetauscher 23 und ein Batteriekühlungssystem 24 angeschlossen ist. Das Batteriekühlungssystem 24 umfasst eine Kühlmittelpumpe 20 und ein Batteriesystem 21 mit einer anhand der anderen Figuren beschriebenen Batterie 1. Die Kühlplatten 10 werden an den Kühlkreislauf angeschlossen und von Kühlmittel durchströmt, wobei die Strömung durch die Kühlmittelpumpe 20 erzeugt wird. Das Kühlmittel nimmt über die Polkontakte 5, 6 der Batteriezellen 2 an die Kühlplatten 10 abgegebene Wärme auf, transportiert sie ab und gibt sie in dem Fahrzeugkühler 16 wieder ab.
4 zeigt eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung dreier Zellblöcke 3 einer Batterie 1 mit jeweils zwei Kühlplatten 10 und deren Kühlverschaltung. Die Kühlkanäle 11 der Kühlplatten 10 sind durch Kühlmittelführungselemente 25 an den in 3 dargestellten Kühlkreislauf des Fahrzeuges angeschlossen und untereinander verbunden. Die Kühlmittelführungselemente 25 sind beispielsweise als Rohre oder Schläuche ausgebildet. Die Kühlkanalanschlüsse 12 sind an Enden der Kühlmittelführungselemente 25 angeschlossen. Im Falle, dass die Kühlmittelführungselemente 25 Schläuche sind, sind die Kühlkanalanschlüsse 12 vorzugsweise an den Enden, an denen die Schläuche angeschlossen sind, mit jeweils einer entsprechenden Wulst versehen. Alternativ oder zusätzlich können Schnellkupplungen zum Anschließen von Schlauchenden an die Kühlkanalanschlüsse 12 vorgesehen sein. Die Zellblöcke 3 sind in einer Bodenwanne 26 der Batterie 1 angeordnet.
Die 5 bis 9 zeigen alternative Strömungsführungen innerhalb der Kühlplatten 10, die zu entsprechenden alternativen Ausführungen der Kühlkanäle 11 korrespondieren. 5 zeigt eine einfache geradlinige Strömungsführung. 6 zeigt eine mäanderartige Strömungsführung. 7 zeigt eine geradlinig doppelflutige Strömungsführung, die entsprechend auch als mäanderartige doppelflutige Strömungsführung ausgeführt werden kann. 8 zeigt eine kammartige Strömungsführung von einem Strömungsverteiler 27 durch einen Strömungskamm 28 zu einem Strömungssammler 29. 9 zeigt eine eierschachtelartige Strömungsführung um Strömungswiderstände 30 herum.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Batteriezelle
3: Zellblock
4: Zellgehäuse
5: erster Polkontakt
5.1: erstes Endstück
6: zweiter Polkontakt
6.1: zweites Endstück
7: Flachrahmen
7.1: Führungsöffnung
8: Positionierungselement
9: Spannmatte
10: Kühlplatte
11: Kühlkanal
12: Kühlkanalanschluss
13: Befestigungselement
14: Abschlussplatte
14.1: Halterung
15: Anschlussausnehmung
16: Fahrzeugkühler
17: Fahrzeugklimaanlage
18: Ausdehnungsbehälter
19: Absperrventil
20: Kühlmittelpumpe
21: Batteriesystem
22: Mehrwegeventil
23: Wärmetauscher
24: Batteriekühlungssystem
25: Kühlmittelführungselement
26: Bodenwanne
27: Strömungsverteiler
28: Strömungskamm
29: Strömungssammler
30: Strömungswiderstand

Claims

Batterie (1) mit wenigstens einem Zellblock (3), der mehrere elektrisch seriell miteinander verschaltete und stapelweise hintereinander angeordnete Batteriezellen (2) umfasst, die jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse (4) und zwei an einer Kontaktierungsseite des Zellblocks (3) aus dem Zellgehäuse (4) herausgeführte metallische Polkontakte (5, 6) aufweisen, wobei die beiden Polkontakte (5, 6) einer Batteriezelle (2) als flächige Kontaktfahnen ausgebildet sind und ein erster Polkontakt (5) ein Pluspol ist und der zweite Polkontakt (6) ein Minuspol ist, und mit wenigstens einer Kühlplatte (10), die von einem Kühlmittel durchströmbar ist und mit Batteriezellen (2) in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Polkontakte (5, 6) jeder Batteriezelle (2) jeweils ein flächiges Endstück (5.1, 6.1) aufweisen, das parallel zu der Kontaktierungsseite des Zellblocks (3) verläuft, für jedes Paar benachbarter Batteriezellen (2) eines Zellblocks (3) genau zwei Endstücke (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) unterschiedlicher Polarität aneinander grenzen und miteinander verschweißt sind, so dass niemals mehr als zwei Endstücke (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) miteinander verschweißt sind, und jede Kühlplatte (10) mit miteinander verschweißten Endstücken (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) in thermischem Kontakt steht.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kühlplatte (10) aus Metall gefertigt und gegen die mit ihr in thermischem Kontakt stehenden verschweißten Endstücke (5.1, 6.1) von Polkontakten (5, 6) elektrisch isoliert ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kühlplatte (10) aus wärmeleitender Keramik gefertigt ist oder ein Gehäuse aus Kunststoff aufweist.
Verwendung einer Batterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Fahrzeug, wobei jede Kühlplatte (10) von einem Kühlmittel eines Kühlkreislaufes des Fahrzeuges durchströmt wird.