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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Batterie.
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Batterien, insbesondere Hochvolt- oder Hochleistungs-Batterien, wie sie als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, sind häufig in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet. Diese Batterien – beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie – aber auch in anderen Batterietechnologien benötigen dabei eine aktive Kühlung der Batterie, um entstehende Abwärme abzuführen und die Batterien auf einem möglichst gleichmäßigen Temperaturniveau zu halten. Dadurch lässt sich eine Überhitzung der Batterieeinzelzellen, aus welcher die Batterie aufgebaut ist, verhindern und so eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie erreichen.
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Die
DE 10 2008 034 867 A1 beschreibt eine derartige Batterie. Sie besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche zu einem Verbund zusammengefasst sind. Eine Kühlplatte als im Wesentlichen flächig ausgeführtes Kühlelement dient dabei als Wärmetauscher, welche wiederum direkt oder indirekt gekühlt, beispielsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird. Dieses Kühlelement ist dabei gegen den Verbund aus Batterieeinzelzellen gepresst, um so die im Bereich der Batterieeinzelzellen anfallende Wärme abführen zu können.
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Aus der
DE 10 2008 034 862 A1 ist eine weitere Batterie bekannt, welche ebenfalls über einen derartigen flächigen Wärmetauscher als Kühlelement gekühlt ist. Zusätzlich sind zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen der Batterie Wärmeleitelemente, hier in Form von Wärmeleitblechen, angeordnet. Diese nehmen die aus dem Bereich der Batterieeinzelzellen austretende Wärme auf und leiten diese Wärme in den Bereich des flächigen Kühlelements ab.
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Der typische Aufbau einer derartigen Batterie weist also einen Verbund aus zusammengefassten Batterieeinzelzellen auf, beispielsweise einen Stapel aus im Wesentlichen prismatischen Batterieeinzelzellen, oder eine Anordnung von runden Batterieeinzelzellen. Über separate Wärmeleitelemente wie beispielsweise Kühlbleche oder Kühlstäbe oder durch entsprechend ausgeführte Elemente der Zelle, zum Beispiel Elektroden, Ableiterbleche oder Hüllbleche bei bipolaren Rahmenflachzellen oder auch becherförmige Elektroden bei gewickelten runden Zellen, wird die im Bereich der Zellen entstehende Wärme auf eine Seite des Verbunds abgeleitet. Diese Seite des Verbunds steht dann an ihrer Oberfläche entweder direkt oder über eine zwischengelegte wärmeleitende, jedoch elektrisch isolierende Zwischenschicht, beispielsweise eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie, mit dem im Wesentlichen flächig ausgeführten Kühlelement in Kontakt. Bei diesem Kontakt wird das wenigstens eine Kühlelement mit einer seiner Oberflächen gegen den Verbund gepresst. Um den notwendigen Kontakt aufrechtzuerhalten und die entsprechenden Klemmkräfte an dem Kühlelement aufbringen zu können, wird dieses entsprechend verspannt, beispielsweise in seinen Seitenbereichen über Schrauben im Bereich des Verbunds befestigt. Hierbei kommt es häufig zu einer durch die Klemmkräfte bedingten Verformung des Kühlelements, sodass das Kühlelement nicht über die gesamte Fläche homogen gegen den Verbund gepresst ist. Dadurch kommt es zu einer inhomogenen Anlage, welche die Berührungsfläche zwischen Kühlelement und Verbund einschränkt und damit nachteiligen Einfluss auf die übertragbare Kühlleistung hat.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin, eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und bei einfachem Aufbau eine sichere und zuverlässige Kühlung der Batterie durch das im Wesentlichen flächig ausgeführte Kühlelement gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Letztlich gibt der Anspruch 10 eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie, vorzugsweise einer Batterie mit Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie, sieht es vor, dass das wenigstens eine Kühlelement an seiner dem Verbund der Batterieeinzelzellen zugewandten und gegen diesen gepressten Oberfläche und/oder die gegen das wenigstens eine Kühlelement gepresste Oberfläche des Verbunds bombiert ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist also wenigstens eine der gegeneinander gepressten. Flächen bombiert ausgeführt. Die Bombierung, also eine wölbende Ausgestaltung der Oberfläche, ist dabei in idealer Weise so ausgeführt, dass es im verpressten Zustand zu einer möglichst großflächige Anlage zwischen den Oberflächen des Verbunds und des Kühlelements kommt. Durch die bombierte Ausgestaltung eines der Elemente oder beider der Elemente lässt sich so sehr einfach und effizient ein Aufbau erreichen, welcher eine bei der Verpressung auftretende Verformung wenigstens teilweise kompensiert. Dadurch entsteht ein möglichst gleichmäßiger und großflächiger Kontakt zwischen dem Kühlelement und dem Verbund aus den Batterieeinzelzellen. Dies führt zu einem optimierten Wärmeübergang.
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Die Lösung, welche eine Verformung im montierten Endzustand bewusst zulässt und diese so einkalkuliert, dass diese durch die bombierte Ausgestaltung zumindest teilweise ausgeglichen wird, erlaubt ferner eine Ausführung sowohl des Verbunds als insbesondere auch des Kühlelements in einer mechanisch nicht so stabilen Art, als wenn versucht werden würde, die Verformung beim Verpressen gänzlich auszuschließen. Dadurch entsteht insgesamt ein sehr viel leichterer Aufbau, da auf die Steifheit des Kühlelements erhöhendes Material bei der erfindungsgemäßen Lösung verzichtet werden kann.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Batterieeinzelzellen als prismatische Zellen ausgebildet sind, welche zu dem Verbund gestapelt sind. Dieser an sich bekannte Aufbau, welcher den Verbund durch ein Stapeln der Zellen schafft, ist typischerweise platzsparend und einfach in der Montage der Batterieeinzelzellen. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die prismatischen Batterieeinzelzellen jeweils einen Rahmen aufweisen, wobei der dem Kühlelement zugewandte Bereich des Rahmens bombiert ausgebildet ist, und wobei die Wärmeleitelemente im verpressten Zustand zwischen Rahmen und Kühlelement zu liegen kommen. Diese Ausgestaltung, bei der in jedem Fall der Rahmen auf seiner dem Kühlelement zugewandten Oberfläche eine bombierte Ausgestaltung aufweist, ist hinsichtlich der Herstellung sehr einfach. Die Rahmen werden typischerweise aus einem Kunststoffmaterial beispielsweise durch Spritzgießen oder dergleichen hergestellt. Die bombierte Ausgestaltung der entsprechenden Oberfläche ist dadurch sehr einfach und effizient zu realisieren. Beim Einsatz von Wärmeleitelementen werden diese im verpressten Zustand zwischen dem Rahmen und dem Kühlelement eingeklemmt. Die Wärmeleitelemente selbst müssen also nicht bombiert ausgeführt sein, sondern werden durch den zumindest bombiert ausgeführten Rahmen sowie den optional ebenfalls bombiert ausgeführten Teil des Kühlelements entsprechend eingeklemmt und so möglichst vollflächig und sicher wärmeleitend an das Kühlelement angebunden.
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Der Aufbau der Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie lässt, wie bereits erwähnt, einen entsprechend leichten und kostengünstigen Aufbau zu. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr gute und gleichmäßige Kühlung der Batterie sichergestellt. All diese Vorteile prädestinieren die Vorrichtung in ihrer Verwendung für die Kühlung einer Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann beispielsweise ein reines Elektrofahrzeug oder auch ein Hybridfahrzeug sein, welches zumindest einen Teil seiner elektrischen Energie aus einer Batterie bezieht. Eine derartige Batterie muss dabei bei den hohen zu erwartenden Stückzahlen in der Fahrzeugindustrie möglichst einfach und kostengünstig in der Herstellung sein und muss außerdem eine ideale Kühlung sicherstellen, um eine ausreichend große Lebensdauer der Batterieeinzelzellen gewährleisten zu können. Der oben beschriebene Aufbau, welcher all diese Dinge in sich vereint, ist daher ideal geeignet, um eine Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug zu kühlen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine Batterie als Verbund von Batterieeinzelzellen gemäß dem Stand der Technik;
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2 die Batterie gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung;
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3 eine Ausschnittsvergrößerung eines Querschnitts durch Rahmen und Kühlelement der Batterie gemäß dem Stand der Technik;
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4 einen Ausschnitt analog der Darstellung in 3 im unverspannten Zustand gemäß der Erfindung;
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5 einen Ausschnitt analog der Darstellung in 3 im verspannten Zustand gemäß der Erfindung;
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6 einen Schnitt durch eine mögliche Ausführungsform des Rahmens gemäß der Erfindung;
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7 eine dreidimensionale Ansicht einer Batterieeinzelzelle mit Wärmeleitblech;
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8 eine dreidimensionale Ansicht eines Schnitts durch einen Zellverbund aus Zellen analog 7;
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9 eine Schnittdarstellung analog 8 in Explosionsdarstellung;
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10 eine dreidimensionale Ansicht eines Verbunds aus Batterieeinzelzellen in Form von bipolaren Rahmenflachzellen;
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11 eine Explosionsdarstellung der Ansicht aus 10; und
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12 eine Schnittdarstellung analog der in 10 in Explosionsdarstellung.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 in einer dreidimensionalen Darstellung zu erkennen. Diese Batterie 1 entspricht dabei einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik. Der Aufbau ist in der in 2 dargestellten Explosionsdarstellung nochmals besser zu erkennen. Batterieeinzelzellen 2 sind dabei als sogenannte Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen ausgeführt. Diese Ausführungsform, welche rein beispielhaft gewählt ist, zeigt einen prismatischen Zellaufbau, bei welchem der Elektrodenstapel in einem Beutel dicht eingeschweißt ist. Neben der elektrischen Kontaktierung weist der Aufbau der Batterieeinzelzellen 2 Wärmeleitelemente 3 auf, welche aus der Batterieeinzelzelle 2 herausragen und welche die Ableitung der Wärme einerseits und die Leitung der elektrischen Leistung andererseits übernehmen. Dementsprechend hat jede der Batterieeinzelzellen 2 zwei derartige Wärmeleitelemente 3, welche mit der Anode einerseits und der Kathode andererseits in wärmeleitender und elektrisch leitender Verbindung stehen. Die einzelnen Batterieeinzelzellen 2 werden bei dem hier beispielhaft dargestellten Aufbau über Rahmen 4 mechanisch stabilisiert. Eine größere Anzahl derartiger Rahmen mit dazwischen eingelegten Batterieeinzelzellen 2 ist dann über zwei Druckbrillen 5 und entsprechende Zuganker 6 miteinander zu dem Verbund der Batterieeinzelzellen 2 zusammengefügt.
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In dem in der Darstellung der 2 oberen Bereich der jeweiligen Rahmen 4 sind entsprechende Ausnehmungen 7 zu erkennen, in deren Bereich die Wärmeleitelemente 3 zu liegen kommen. Die Wärmeleitelemente 3 sind dafür so ausgebildet, dass diese aus aus der Batterieeinzelzelle 2 herausragenden und dann in die eine beziehungsweise in die andere Richtung abgekanteten Blechelementen ausgeführt sind. Im zusammengebauten Zustand des Verbunds der Batterieeinzelzellen 2 ergibt sich so eine elektrisch leitende und die Wärme aus den Batterieeinzelzellen 2 ableitende Fläche aus den abgekanteten Teilen der Wärmeleitelemente 3 für die Elektrode und für die Kathode. Diese Flächen liegen in der Darstellung der 2 seitlich nebeneinander und erstrecken sich in derselben Richtung wie die Zuganker 6 des Verbunds aus den Batterieeinzelzellen 2. Auf diesen Bereichen werden dann Wärmeleitfolien 8 angeordnet, welche aus wärmeleitendem, jedoch elektrisch isolierendem Material bestehen. Diese stellen eine elektrische Isolation zwischen den Wärmeleitelementen 3 und flächig ausgebildeten Kühlelementen beziehungsweise Kühlplatten 9 sicher, welche über zahlreiche Schrauben 10 mit den Rahmen 4 verbunden werden. Dadurch werden die dem Verbund aus Batterieeinzelzellen 2 zugewandten Flächen der Kühlplatten 9 gegen die Wärmeleitfolie 8 und über diese gegen die Wärmeleitelemente 3 gepresst, um so einen flächigen Kontakt zu schaffen und Wärme aus dem Bereich der Wärmeleitelemente 3 in den Bereich der Kühlplatten 9 ableiten zu können.
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Der Aufbau aus Kühlplatte 9, Wärmeleitfolie 8, Rahmen 4 sowie dem Wärmeleitelement 3 und den Schrauben 10 ist in einem Querschnitt in 3 nochmals vergrößert dargestellt. In diesem Detail ist außerdem zu erkennen, dass die Kühlplatte 9 Leitungselemente 11 aufweist, durch welche beispielsweise ein flüssiges Kühlmedium oder das Kältemittel einer Klimaanlage strömt, um die Kühlplatte 9 aktiv zu kühlen. Aus der vergrößerten Darstellung der 3 ist außerdem zu erkennen, dass die Anlage zwischen der Kühlplatte 9 und dem Wärmeleitelement 3 über die elektrisch isolierende Wärmeleitfolie 8 nicht ideal ist, da es durch das Verspannen der Kühlplatte 9 über die Schrauben 10 zu einer Durchbiegung der Kühlplatte 9 kommt, sodass diese im Randbereich stärker anliegt als im mittleren Bereich.
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In der Darstellung der 4 ist nun eine erfindungsgemäße Lösung zu erkennen. Die Kühlplatte 9 ist dabei so ausgeführt, dass ihre dem Verbund der Batterieeinzelzelle 2 beziehungsweise dem Rahmen 4 zugewandte Oberfläche 12 bombiert ausgebildet ist. Eine solche bombierte Oberfläche 12 der Kühlplatte 9 ist in dem hier dargestellten unverspannten Zustand also in Richtung des Rahmens 4 mittig auf diesem zugewölbt. Wird diese im Bereich der Oberfläche 12 bombiert ausgestaltete Kühlplatte 9 nun über die Schrauben 10 mit dem Rahmen 4 verspannt, so kommt es zu einer Durchbiegung der Kühlplatte 9 analog der in 3 dargestellten Durchbiegung. Durch die bombierte Ausgestaltung der Oberfläche 12 stellt sich nach dem Verspannen dann jedoch eine gleichmäßige Verpressung der Wärmeleitfolie 8 ein, wie sie in der Darstellung der 5 zu erkennen ist. Die Bombierung wird also durch die beim Verpressen der Kühlplatte 9 mit dem Rahmen 4 auftretende Verformung ausgeglichen, sodass die Bombierung der Oberfläche 12 eine möglichst großflächige und gleichmäßige Verspannung beziehungsweise Verpressung der Flächen der Kühlplatte 9 und des Verbunds aus den Batterieeinzelzellen 2 im verspannten Zustand sicherstellt. Damit ist eine großflächige und gleichmäßige Anlage gewährleistet, welche eine ideale Kühlung des Verbunds aus Batterieeinzelzellen 2' durch die Kühlplatte 9 ermöglicht.
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Ergänzend oder alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass der Rahmen 4 selbst im Bereich der Ausnehmungen 7 eine bombierte Oberfläche 13 aufweist. Dies ist in der Darstellung der 6 prinzipmäßig angedeutet. Die bombierte Oberfläche 13 hat dabei den gleichen Zweck wie die oben beschriebene bombierte Oberfläche der Kühlplatte 9 selbst. Gegebenenfalls ist eine derartige Bombierung im Bereich des typischerweise aus einem Kunststoffspritzgussmaterial hergestellten Rahmen 4 einfacher zu realisieren als im Bereich der Kühlplatte 9. Prinzipiell ist es dabei auch möglich, sowohl die eine als auch die andere Oberfläche 12, 13 zu bombieren, es kann jedoch auch ausreichend sein, eine der Oberflächen 12, 13 entsprechend zu bombieren.
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Das Wärmeleitelement 3 selbst muss dabei nicht bombiert ausgeführt sein, sondern wird zwischen der oder den bombiert ausgeführten Oberflächen 12, 13 der Kühlplatte 9 und/oder des Rahmens 4 entsprechend eingeklemmt und so möglichst vollflächig verpresst. Damit lässt sich die Abwärme aus dem Bereich der Batterieeinzelzellen 2 ideal in den Bereich der Kühlplatte 9 ableiten.
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In der Darstellung der 7 ist eine alternative Ausführungsform zu erkennen. Die in der dreidimensionalen Ansicht der 7 dargestellte Batterieeinzelzelle 2 soll ebenfalls als Pouch- beziehungsweise Coffeebag-Zelle ausgebildet sein. Sie ist mit einem Wärmeleitelement in Form eines Kühlblechs 14 verbunden, beispielsweise verklebt. In der Darstellung der 8 ist der Aufbau mit mehreren derartigen Batterieeinzelzellen 2 und jeweils dazwischen angeordneten Kühlblechen 14 zu erkennen. Der Verbund ist dabei auf einer Kühlplatte 9 angeordnet und mit Schrauben 10 und Gegenelementen 15 zur Aufnahme der Schrauben 10 mit dieser entsprechend verspannt. Dies ist in der Schnittdarstellung der 9 nochmals detaillierter zu erkennen. Die Kühlplatte 9 weist dabei zwei Abschnitte ihrer Oberfläche 12 auf, welche in der Schnittdarstellung der 9 mit 12.1 und 12.2 bezeichnet sind. Diese Abschnitte 12.1 und 12.2 der Oberfläche 12 sind jeweils bombiert ausgeführt, während in dem Bereich, in dem die Schrauben 10 später angeordnet werden, keine Bombierung vorgesehen ist. Eine einzige Kühlplatte 9 wird über im Querschnitt gesehen drei Spannstellen dabei mit den Wärmeleitelementen in Form der Kühlbleche 14 entsprechend verspannt. Die Abschnitte 12.1 und 12.2 liegen dabei jeweils zwischen den einzelnen Spannstellen und sind jede für sich bombiert ausgeführt, um eine möglichst vollflächige Anlage der Kühlplatte 9 über die gesamte Breite und idealerweise über die gesamte Fläche hinweg zu gewährleisten.
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Eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in den 10 bis 12 zu erkennen. 10 zeigt wieder einen Ausschnitt aus einem Verbund an Batterieeinzelzellen 2 in einer dreidimensionalen Darstellung. Die Batterieeinzelzellen 2 sollen dabei in an sich bekannter Art und Weise als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet werden, deren Hüllbleche 16, von denen hier lediglich eines zu erkennen ist, auf der einen und der anderen Seite des Rahmens 4 jeweils unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Durch ein einfaches Stapeln der Batterieeinzelzellen 2 hintereinander kommt es so zu einem elektrischen Kontakt zwischen den Hüllblechen 16 und damit zu einer Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen. Die Hüllbleche 16 enden dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Unterseite der Batterieeinzelzellen 2 im Bereich der Kühlplatte 9 oder weisen in dem Bereich des Rahmens abgekantete Teilelemente auf, über welche die Wärme aus dem Bereich der Hüllbleche 16 in den Bereich der Kühlplatte 9 abgeleitet werden kann.
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Wie aus der Explosionsdarstellung der 11 zu erkennen ist, ist auch hier eine Wärmeleitfolie 8 zwischen der Kühlplatte 9 und dem Stapel der als bipolaren Rahmenflachzellen 2 ausgebildeten Batterieeinzelzellen angeordnet. Die Kühlplatte 9 ist durchgängig über die gesamte Breite des Stapels ausgeführt und weist lediglich an ihren beiden Außenkanten eine entsprechende Verspannung über Schrauben 10 auf.
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In der Darstellung der 12 ist in einem Querschnitt durch die Kühlplatte 9 nochmals zu erkennen, dass diese an ihrer Oberfläche 12 zwischen den beiden die Verspannung ausbildenden Schrauben 10 bombiert ausgebildet ist, um so im verspannten Zustand eine möglichst vollflächige Anlage der gesamten Kühlplatte 9 in ihrer Breite und in ihrer flächigen Ausdehnung an der Wärmeleitfolie 8 und damit auch an den die wärmeableitenden Bereichen der Batterieeinzelzellen 2 zu gewährleisteten.
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Durch die bombierte Ausgestaltung der Kühlplatte 9 in dem Bereich, in dem diese mit den wärmeleitenden Abschnitten des Verbunds verpresst wird, entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher mit minimalem Materialeinsatz eine bestmögliche flächige Anlage der Kühlplatte 9 an dem Verbund aus Batterieeinzelzellen 2 ermöglicht und so eine ideale Kühlung der Batterie 1 gewährleisten kann.
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Der hier am Beispiel von prismatischen Batterieeinzelzellen 2 dargestellte Aufbau lässt sich so selbstverständlich auch auf andersartige Batterien 1 und anders ausgeformte Batterieeinzelzellen 2, beispielsweise einen Verbund aus runden Batterieeinzelzellen analog übertragen. Auch hier gilt dann, dass über eine geeignete Bombierung, beispielsweise der Kühlplatte 9, eine möglichst großflächige Anlage für einen idealen Wärmetransport von dem Verbund aus Batterieeinzelzellen 2 auf die Kühlplatte 9 mit minimalem Materialeinsatz bei der Kühlplatte 9 gewährleistet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034867 A1 [0003]
- DE 102008034862 A1 [0004]
