DE102010062858A1

DE102010062858A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102010062858A1
Application number: DE201010062858
Authority: DE
Inventors: Stefan Pfeiffer; Kai Kuhlmann; Thomas Kretschmar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-12-11
Also published as: US9742044B2; JP5710019B2; JP2013545250A; DE102010062858B4; EP2649667A1; WO2012076233A1; US20130316216A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die ein Gehäuse, mindestens zwei elektrische Speicherelemente und ein Kühlleitblech umfasst, wobei die mindestens zwei Speicherelemente und das Kühlleitblech im Gehäuse angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Verschiedenartige Batterien sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine derartige Batterie zeigt beispielsweise die DE 10 2008 059 952 A1 . Eine Batterie (bzw. ein Batteriesystem), wie sie beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt, besteht üblicherweise aus mehreren Batteriemodulen, die wiederum aus einzelnen Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen) zusammengesetzt sind. Eine einzelne Batteriezelle weist ein Gehäuse und elektrische Speicherelemente (die auch als galvanische Zellen oder vereinfacht als Zellen bezeichnet werden) auf, die im Gehäuse angeordnet sind. Die während des Lade- und Entladevorgangs der Batteriezelle durch Stromfluss entstehende Verlustwärme muss durch Kühlung abgeführt werden. Aufgrund der teilweise hohen Leistungsdichte werden hohe Anforderungen an die Kühlung gestellt. Es ist eine Reihe von Vorschlägen zur effizienten Kühlung von Batteriezellen bekannt, die aber oft zu aufwändig, in der Herstellung zu teuer oder bezüglich ihrer Leistung beschränkt sind.
Beispielsweise ist aus der genannten DE 10 2008 059 952 A1 eine Batterie bekannt, bei der die Wärmeabfuhr aus der Batterie durch flaches Aufsetzen der einzelnen Batteriezelle auf eine Kühlplatte, die sich außerhalb des Gehäuses befindet, gewährleistet wird. Die Voraussetzung für einen guten Wärmeübergang zwischen Batteriezelle und Kühlplatte ist eine hohe Ebenheit der Kontaktflächen. An dieser Vorrichtung ist jedoch nachteilig, dass durch die Erwärmung der Batteriezelle beim Be- und Entladen eine Druckerhöhung innerhalb des Gehäuses erfolgt. Diese Druckerhöhung hat ein Auswölben der Gehäusewandungen zur Folge. Durch die Wölbung der Gehäusewandungen wird die Kontaktfläche zwischen Batteriezelle und Kühlplatte verkleinert, was zu einer Reduktion der Kühlwirkung führt. Weiterhin ist nachteilig, dass die Verlustwärme, die beim Be- und Entladen innerhalb der elektrischen Speicherelemente der Batteriezelle entsteht, erst durch Wärmeleitung zur Kontaktfläche zwischen Gehäuse und Kühlplatte gelangen muss, um dort schließlich abgeführt zu werden. Die Verlustwärme wird nachteilig also nicht in nächster Nähe der elektrischen Speicherelemente abgeführt, woraus eine mangelhafte Kühlwirkung der Batteriezelle folgt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Batteriezelle anzugeben, die eine effektive Kühlung der elektrischen Speicherelemente der Batteriezelle bereitstellt und einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die während des Be- und Entladens entstehende Verlustwärme aus den elektrischen Speicherelementen der Batteriezelle hocheffizient abgeführt wird.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens zwei Speicherelemente und ein Kühlleitblech im Gehäuse angeordnet sind. Da die Verlustwärme beim Be- und Entladen direkt in den elektrischen Speicherelementen der Batteriezelle entsteht, ist es vorteilhaft, das Kühlleitblech gemeinsam mit den Speicherelementen im Gehäuse anzuordnen. Durch diese Anordnung kann die Verlustwärme der elektrischen Speicherelemente über das Kühlleitblech schneller abgeführt werden, wodurch vermieden wird, dass sich die elektrischen Speicherelemente und somit die Batteriezelle zu stark erhitzen. Zusätzlich kann das Gehäuse der Batteriezelle vorteilhaft in der Wandstärke reduziert werden, da die Wärmeabfuhr nicht über das Gehäuse erfolgt. Eine Gewichtsreduzierung und damit verbundene Kostenreduktion ist die Folge.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Vorteilhaft befinden sich die mindestens zwei elektrischen Speicherelemente im Kontakt mit dem Kühlleitblech. Der Kontakt gewährleistet den Wärmeübertrag und ist entweder ein direkter Kontakt, bei dem sich die Speicherelemente und das Kühlleitblech direkt berühren oder ein Kontakt bei dem es auch zum Wärmeübertrag kommt, wenn sich zwischen den Speicherelementen und dem Kühlleitblech ein Wärmeüberträger wie beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder eine Schutzfolie oder Schutzschicht oder ähnliches befindet . Aufgrund dieses Kontaktes findet eine effiziente Wärmeübertragung zwischen Kühlleitblech und den zwei elektrischen Speicherelementen statt, wodurch die Wärme hocheffizient aus den elektrischen Speicherelementen geführt werden kann.
Vorteilhaft ist das Kühlleitblech in einem ersten Kühlleitblechabschnitt zwischen den mindestens zwei elektrischen Speicherelementen angeordnet. Über das Kühlleitblech kann somit sowohl die Wärme des einen als auch des anderen Speicherelementes abgeführt werden. Eine Druckerhöhung innerhalb der Batteriezelle, die mit einem Auswölben der Gehäusewandungen verbunden ist, hat keinen Einfluss auf die Wärmeübertragung.
Vorteilhaft weist das Gehäuse eine Öffnung auf, die durch ein Kühlleitblech mit einem zweiten Kühlleitblechabschnitt durchgriffen wird und durch eine Vergussmasse abgedichtet wird. Die Vergussmasse bewirkt eine Fixierung des Kühlleitblechs und der mindestens zwei elektrischen Speicherelemente im Gehäuse. Weiterhin wird vorteilhaft durch die Vergussmasse gewährleistet, dass keine Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen kann.
Vorteilhaft befindet sich jeweils eines der mindestens zwei elektrischen Speicherelemente mit mindestens 30% seiner Oberfläche im Kontakt mit dem Kühlleitblech. Über diese Oberfläche findet der Wärmeübergang zwischen elektrischem Speicherelement und Kühlleitblech statt, wodurch eine effiziente Kühlung erfolgt.
Vorteilhaft weist das Kühlleitblech im zweiten Kühlleitblechabschnitt eine Umformung auf, die sich aus einer Ebene des Kühlleitblechs erhebt. Diese Umformung dient dem besseren Halt in der Vergussmasse. Zusätzlich wird durch die Umformung bewirkt, dass das Eindringen von Feuchtigkeit in die Batteriezelle zusätzlich erschwert wird und ein besserer Feuchtigkeitsabschluss vorliegt.
Vorteilhaft ist das Kühlleitbleich in einem außerhalb des Gehäuses befindlichen dritten Kühlleitblechabschnitt an einem von einem kühlenden Fluid durchströmten Kühlkörper festgelegt. Der dritte Kühlleitblechabschnitt, der aus der Vergussmasse herausragt, befindet sich im Kontakt mit dem von einem kühlenden Fluid durchströmten Kühlkörper und überträgt an diesen die aus der Batteriezelle abgeführte Wärme. Über das den Kühlkörper durchströmende kühlende Fluid wird die Wärme schließlich vorteilhaft aus dem Kühlkörper abgeführt.
Vorteilhaft weist das Kühlleitbleich im dritten Kühlleitblechabschnitt mindestens eine Durchbrechung auf. Die Durchbrechung eignet sich, um die Batteriezelle mit Hilfe des Kühlleitblechs an einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einem Kühlkörper, innerhalb eines Batteriemoduls, welches sich aus mehreren Batteriezellen zusammensetzt, festzulegen. Somit kann die Batteriezelle relativ zu anderen gleichartigen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls räumlich fixiert werden. Durch die Festlegung der Batteriezelle an einer geeigneten Vorrichtung kann zusätzlich Wärme von der Batteriezelle auf die Vorrichtung übertragen werden, wodurch eine Kühlwirkung der Batteriezelle eintritt.
Vorteilhaft wird die mindestens eine Durchbrechung des Kühlleitblechs von dem Kühlkörper durchgriffen. Einerseits wird somit die Batteriezelle mit Hilfe des Kühlleitblechs an dem Kühlkörper fixiert und kann daher relativ zu weiteren Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls angeordnet werden. Andererseits wird nicht nur die Fixierung der Batteriezelle gewährleistet, sondern auch die Wärmeübertragung zwischen Kühlleitblech und dem das Kühlleitblech durchgreifenden Kühlkörper verbessert. Zusätzlich ermöglicht dieses Kühlkonzept einen schnellen Wechsel von defekten Batteriezellen, da diese wie Perlen auf einer Kette auf den Kühlkörper aufgezogen und dementsprechend schnell wieder von diesem abgezogen werden können.
Vorteilhaft ist die mindestens eine Durchbrechung als beidseitig offene Hülse ausgeführt. Durch diese Form der Durchbrechung liegt eine größere Kontaktfläche zwischen Kühlleitblech und Kühlkörper vor, weshalb die Wärmeübertragung zwischen Kühlleitblech und Kühlkörper verbessert ist. Somit findet eine effizienter Wärmeabfuhr aus dem Kühlleitblech und somit den elektrischen Speicherelementen statt. Zusätzlich ist die Batteriezelle durch die als beidseitig offene Hülse ausgeführte Durchbrechung gegen Verkippung stabilisiert, wenn der Kühlkörper die Durchbrechung durchgreift und das Kühlleitblech somit am Kühlkörper festgelegt ist.
Vorteilhaft wird bei der in dem unabhängigen Anspruch beschriebenen Batteriezelle genau ein Kühlleitblech im Gehäuse angeordnet. Dadurch wird eine Gewichtsreduktion und eine Reduktion der Herstellungskosten erreicht.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung einer Batteriezelle.
2 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung mehrerer hintereinander angeordneter Batteriezellen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batteriezelle 11 in perspektivischer Schnittdarstellung. Die Batteriezelle 11 ist im Wesentlichen rechteckig und flach ausgeführt und weist eine geringe Dicke auf. Die Batteriezelle 11 weist zwei fahnenartige aus ihrem Gehäuse 12 an dessen Kopfseite herausgeführte Polkontakte 22 und 32 auf, über die sie elektrisch kontaktierbar ist. Es befinden sich zwei elektrische Speicherelemente 13, 14 in einem ersten Kühlleitblechabschnitt 16 im direkten Kontakt mit dem Kühlleitblech 15. Der erste Kühlleitblechabschnitt 16 ist hierbei der gesamte Bereich, innerhalb dessen das Kühlleitblech 15 zwischen die Speicherelemente 13, 14 angeordnet ist. Die Speicherelemente 13, 14 können insbesondere als Lithium-Ionen-Speicherzellen in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle (”Jelly Rolls” oder ”Coffee Bag”) ausgeführt sein. Das Kühlleitblech 15 und die elektrischen Speicherelemente 13, 14 befinden sich im Gehäuse 12 der Batteriezelle 11. Das Gehäuse 12 besitzt einseitig eine Öffnung 27, die von dem Kühlleitblech 15 durchgriffen wird. Das Kühlleitblech 15 weist in einem im Gehäuse 12 befindlichen zweiten Kühlleitblechabschnitt 17, der nicht von den zwei elektrischen Speicherelementen 13, 14 kontaktiert wird, eine Umformung 19 auf. Diese Umformung 19 erhebt sich aus der Ebene 26 des ansonsten flachen Kühlleitblechs 15 und kann beispielsweise eine Wellenform aufweisen. Im Bereich des zweiten Kühlleitblechabschnitts 17 ist die Öffnung 27 des Gehäuses 12 durch eine Vergussmasse 23 abgedichtet. Diese Vergussmasse 23 besteht beispielsweise aus Kunststoff. In einem dritten Kühlleitblechabschnitt 18 weist das Kühlleitblech 15 eine Durchbrechung 20 auf, die in Form einer beidseitig offenen Hülse 21 ausgeformt ist. Mittels dieser Hülse 21 ist das Kühlleitblech 15 und somit die gesamte Batteriezelle 11 an einem Kühlkörper 24 festgelegt. Der Kühlkörper 24 kann als Kühlrohr bzw. Kühlrohrsystem ausgebildet sein. Der Kühlkörper 24 weist zwei Anschlussstellen 28 und 29 zum Zu- und Abführen eines kühlenden Fluids auf. Über die Anschlussstellen 28 und 29 ist der Kühlkörper 24 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf anschließbar, über den die von dem kühlenden Fluid aufgenommene Abwärme aus der Batteriezelle abführbar ist.
2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine perspektivische Schnittdarstellung mehrerer Batteriezelle 11, 11_1 und 11_2 aus 1. In einem dritten Kühlleitblechabschnitt 18 weist das Kühlleitblech 15 eine Durchbrechung 20 auf, die in Form einer beidseitig offenen Hülse 21 ausgeformt ist. Mittels dieser Hülse 21 ist das Kühlleitblech 15 und somit die gesamte Batteriezelle 11 an einem Kühlkörper 24 festgelegt. Der Kühlkörper 24 kann als Kühlrohr bzw. Kühlrohrsystem ausgebildet sein. Der Kühlkörper 24 weist zwei Anschlussstellen 28 und 29 (letzterer hier nicht gezeigt) zum Zu- und Abführen eines kühlenden Fluids auf. Über die Anschlussstellen 28 und 29 ist der Kühlkörper 24 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf anschließbar, über den die von dem kühlenden Fluid aufgenommene Abwärme aus der Batteriezelle abführbar ist. Der Kühlkörper 24 ermöglicht die zueinander parallele und hintereinander aufgereihte Anordnung der Batteriezellen, die je nach Anwendung parallel oder/und seriell miteinander verschaltbar sind. Durch diese Art der Verbindung von Kühlleitblech 15 mit Kühlkörper 24 werden die Batteriezellen 11 relativ zueinander räumlich fixiert und sind im Falle eines Defektes schnell austauschbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059952 A1 [0002, 0003]

Claims

Batteriezelle (11), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend ein Gehäuse (12), mindestens zwei elektrische Speicherelemente (13, 14) und ein Kühlleitblech (15), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Speicherelemente (13, 14) und das Kühlleitblech (15) im Gehäuse (12) angeordnet sind.
Batteriezelle (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei elektrischen Speicherelemente (13, 14) im Kontakt mit dem Kühlleitblech (15) befinden.
Batteriezelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlleitblech (15) einen ersten Kühlleitblechabschnitt (16) aufweist und zwischen mindestens zwei elektrischen Speicherelementen (13, 14) angeordnet ist.
Batteriezelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Öffnung (27) aufweist, die durch einen zweiten Kühlleitblechabschnitt (17) des Kühlblechs (15) durchgriffen und durch eine Vergussmasse (23) abgedichtet wird.
Batteriezelle (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlleitblech (15) im zweiten Kühlleitblechabschnitt (17) eine Umformung (19) aufweist, die sich aus einer Ebene (26) des Kühlleitblechs (15) erhebt.
Batteriezelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eines der elektrischen Speicherelemente (13, 14) mit mindestens 30% seiner Oberfläche im Kontakt mit dem Kühlleitblech (15) befindet.
Batteriezelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlleitblech (15) in einem außerhalb des Gehäuses (12) befindlichen dritten Kühlleitblechabschnitt (18) an einem von einem kühlenden Fluid durchströmten Kühlkörper (24) festgelegt ist.
Batteriezelle (11) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlleitblech (15) im dritten Kühlleitblechabschnitt (18) mindestens eine Durchbrechung (20) aufweist.
Batteriezelle (11) nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (24) die mindestens eine Durchbrechung (20) des Kühlleitblechs (15) durchgreift.
Batteriezelle (11) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchbrechung (20) des Kühlleitblechs (15) als beidseitig offene Hülse (21) ausgeführt ist.
Batteriezelle (11) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Kühlleitblech (15) und genau zwei elektrische Speicherelemente (13, 14) im Gehäuse (12) angeordnet sind.