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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Verschiedenartige Batterien sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine derartige Batterie zeigt beispielsweise die
DE 10 2007 063 190 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.
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Beispielsweise ist aus der genannten
DE 10 2007 063 190 A1 eine Batterie bekannt, bei der die Wärmeabfuhr aus der Batterie durch eine als Kühlplatte ausgebildete Temperiereinheit gewährleistet wird. Diese Kühlplatte enthält Aussparungen vergleichbar einer Kühlrippe, wobei die Batteriezellen in den Aussparungen aufnehmbar sind. Zwischen einer Batteriezelle und der Aussparung der Kühlplatte befindet sich eine gut wärmeleitfähige Vergussmasse, die den Wärmeübergang zwischen Batteriezelle und Kühlplatte gewährleistet und für die Fixierung der Batteriezelle innerhalb der Aussparung des Kühlkörpers sorgt. Weiterhin kann die Batteriezelle in der Aussparung mit Hilfe eines U-förmigen Einlegestücks fixiert sein, dass zusätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, um einen guten Wärmeübergang zwischen Batteriezelle und Kühlkörper herzustellen. An dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass die Batteriezelle nicht im direkten Kontakt zur Kühlplatte steht und sowohl zur Wärmeübertragung als auch zur Fixierung der Batteriezelle innerhalb der Aussparung des Kühlkörpers eines Hilfsmittels in Form einer außerhalb des Gehäuses befindlicher Vergussmasse oder eines außerhalb des Gehäuses befindlichen Einlegestücks bedarf. Fehlt die wärmeleitfähige Vergussmasse oder das wärmeleitfähige Einlegestück, findet weder eine gute Wärmeübertragung von der Batteriezelle zur Kühlplatte noch eine ausreichende Fixierung der Batteriezelle in der Aussparung der Kühlplatte statt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Batteriezelle anzugeben, die effektiv gekühlt und einfach mit einem Kühlkörper verbunden werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie einfach mit einem Kühlkörper verbunden werden kann und in direktem Kontakt zu diesem steht, wodurch die Wärme hocheffizient aus der Batterie abgeführt werden kann.
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Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse ein Federelement enthält, das eine auswärts gerichtete Kraft auf zumindest einen ersten Abschnitt des Gehäuses ausübt. Vorteilhaft erfolgt durch die auswärts gerichtete Kraft des Federelementes eine nach außen auftretende Auswölbung des Gehäuses der Batteriezelle. Für die Kühlung der Batteriezelle wird beispielsweise ein Kühlkörper verwendet, der Aussparungen aufweist. In diese Aussparungen wird die Batteriezelle gesteckt. Aufgrund der Auswölbung des Gehäuses im Bereich des Federelementes wird vorteilhaft eine Klemmwirkung zwischen Batteriezelle und Kühlkörper erzeugt, wodurch einerseits die Gehäusewand der Batteriezelle durch die auswärts gerichtete Kraft an den Kühlkörper gepresst wird und somit eine gute Wärmeübertragung zur Folge hat und andererseits eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Batteriezelle und Kühlkörper erzielt wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Federelement innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und nicht aus diesem herausragt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Batteriezelle am Durchtrittsort des Federelementes aufwändig abzudichten oder das Federelement außerhalb des Gehäuses mit der Batteriezelle zu verbinden.
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Gleiche Vorteile ergeben sich erfindungsgemäß entsprechend Anspruch 11 für das beanspruchte Batteriesystem.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhaft ist der erste Abschnitt, auf den das Federelement eine auswärts gerichtete Kraft ausübt, ein erster Endabschnitt des Gehäuses. Die Batteriezelle wird vorteilhaft mit dem ersten Endabschnitt in Aussparungen eines Kühlkörpers eingesteckt.
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Vorteilhaft stützt sich das Federelement an gegenüberliegenden Gehäusewänden ab. Durch die Abstützung wird ein gleichmäßiger Druck auf die gegenüberliegenden Gehäusewänden erzeugt, der zu einer gleichmäßigen Auswölbung der Gehäusewände führt. Dadurch ist eine gute Positionierbarkeit der Batteriezelle in Aussparungen eines Kühlkörpers gegeben.
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Vorteilhaft weisen die gegenüber liegenden Gehäusewände nach innen liegende Halteelemente auf, über die das Federelement gehaltert wird. Durch die Halterung des Federelements wird gewährleistet, dass dieses sich nicht räumlich verschieben kann und die auswärts gerichtete Kraft stets auf den gleichen Punkt des Gehäuses ausgeübt wird.
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Vorteilhaft ist ein Kühlleitblech zwischen mindestens zwei Speicherelementen angeordnet, wobei das Federelement Teil des Kühlleitblechs ist. Über das Kühlleitblech kann überschüssige Wärme, die während des Be- und Entladens der Batterie entsteht, abgeführt werden. Dabei wird die Wärme von dem Kühlleitblech an das Federelement übertragen. Von diesem wird die Wärme an das Gehäuse weitergeleitet und schließlich an den Kühlkörper abgegeben, wodurch eine effiziente Kühlwirkung gewährleistet ist.
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Vorteilhaft ist das Federelement innerhalb des ersten Endabschnitts des Gehäuses kreisförmig oder kreissegmentförmig gebogen. Die kreisförmige bzw. kreissegmentförmige Form des Federelementes ist besonders einfach durch die entsprechende Biegung des Kühlleitblechs herstellbar. Zusätzlich wird aufgrund der kreisförmigen bzw. kreissegmentförmigen Ausbildung des Federelementes eine gleichmäßig verteilte, auswärts gerichtete Kraft auf den ersten Abschnitt des Gehäuses bewirkt.
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Vorteilhaft weist das Kühlleitblech mehrere, das Federelement bildende Kühlleitblechabschnitte auf, wobei die Kühlleitblechabschnitte in wechselnder Reihenfolge in jeweils entgegen gesetzte Richtung aufgebogen sind. Die Unterteilung des Kühlleitblechs in einzelne Kühlleitblechabschnitte wird durch einfaches schlitzförmiges Einschneiden des Kühlleitblechs bewirkt. Werden die einzelnen Kühlleitblechabschnitte in wechselnder Reihenfolge in jeweils entgegen gesetzte Richtung aufgebogen, entsteht das Federelement. Diese Art der direkten Herstellung des Federelementes aus dem Kühlleitblech ist einfach, ohne viel Materialaufwand zu bewerkstelligen und zudem kostengünstig.
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Vorteilhaft sind die Kühlleitblechabschnitte so aufgebogen, dass sie tangential am Gehäuse anliegen. Durch das tangentiale Anliegen der Kühlleitblechabschnitte wird eine gute Wärmeübertragung von dem Federelement auf das Gehäuse und schließlich von dem Gehäuse auf den Kühlkörper gewährleistet. Weiterhin wird eine punktuelle Kraftübertragung von dem Federelement auf die Gehäusewand, wodurch letztere beschädigt werden könnte, vermieden.
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Vorteilhaft liegt ein zweiter Endabschnitt dem ersten Endabschnitt gegenüber, wobei das Kühlleitblech sich im Kontakt mit dem zweiten Endabschnitt des Gehäuses befindet. Dadurch wird eine Kraft, mit der der zweite Endabschnitt beaufschlagt wird, direkt an das Federelement übertragen. Wird die Batteriezelle in die Aussparung eines Kühlkörpers gesteckt, wird während des Steckens eine Kraft auf das Gehäuse der Batteriezelle ausgeübt, um sie einerseits in die Aussparung zu drücken und andererseits dort über die Federwirkung des Federelementes festzuklemmen. Ist die Gehäusewand der Batteriezelle allerdings sehr dünn ausgeführt, kann es bei dem Steckvorgang zu unerwünschter Gehäuseverformung kommen. Durch den Kontakt des Kühlleitblechs mit dem zweiten Endabschnitt des Gehäuses wird die Kraft, mit der das Gehäuse in die Aussparung eines Kühlkörpers gepresst wird, vorteilhaft direkt auf das Kühlleitblech übertragen und somit auf das Federelement übertragen. Dadurch wird eine Krafteinwirkung auf den zweiten Endabschnitt vorteilhaft über das Kühlleitblech auf das Federelement und schließlich den ersten Endabschnitt des Batteriezellengehäuses weitergeleitet, ohne dass es zu einer unerwünschten Gehäuseverformung kommen kann. Zusätzlich führt die Kraft zu einer Aufweitung des Federelementes und damit einer verstärkten auswärts gerichteten Kraft des Federelementes. Dementsprechend bewirkt eine dauerhafte Krafteinwirkung auf den zweiten Endabschnitt einer verstärkte Klemmwirkung und somit eine verbesserte kraftschlüssige Verbindung zwischen Batteriezelle und Kühlkörper.
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Vorteilhaft weist das Gehäuse im ersten Endabschnitt eine geringere Breite als im zweiten Endabschnitt auf. Diese Verjüngung innerhalb des ersten Endabschnittes der Batterie ermöglicht, dass mehrere Batteriezellen dicht nebeneinander in dafür vorgesehene Aussparungen eines Kühlkörpers eingepasst und dort festgeklemmt werden können. Es ist somit eine vorteilhafte Raumausnutzung innerhalb eines Batteriemoduls möglich.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kühlleitblechs.
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3 zeigt eine Aufsicht eines geschlitzten Kühlleitblechs.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kühlleitblechs mit aufgebogenen Kühlleitblechabschnitten.
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5 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Batteriezelle und eines Kühlkörpers.
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6 stellt eine weitere schematische Darstellung von zwei nebeneinander angeordneten Batteriezellen und Kühlkörpern dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batteriezelle 11 in Schnittdarstellung. Die Batteriezelle 11 ist im Wesentlichen rechteckig und flach ausgeführt und weist eine geringe Dicke auf. Es befinden sich zwei elektrische Speicherelemente 24, 25 im Gehäuse 12 der Batteriezelle 11, die insbesondere als Lithium-Ionen-Speicherzellen in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle (”Jelly Rolls” oder ”Coffee Bag”) ausgeführt sind. Weiterhin befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 ein Federelement 16. Das Federelement 16 ist als kreissegmentförmig gebogenes Blech ausgeführt, welches tangential auf der Innenseite des Gehäuses 12 anliegt und eine auswärts gerichtete Kraft auf einen ersten Abschnitt 15, der an einem Endabschnitt 29 des Gehäuses 12 der Batteriezelle 11 angeordnet ist, ausübt. Um zu vermeiden, dass sich das Federelement 16 aufgrund der Federkraft räumlich verschiebt, weisen die gegenüber liegenden Gehäusewände 17, 18 innen liegende Halteelemente 19, 20, die beispielsweise in Form von Ausbuchtungen ausgeführt sind, auf, über die das Federelement 16 räumlich fixiert bzw. gehaltert wird. Die Batteriezelle 11 wird mit dem Endabschnitt 29 in einen Kühlkörper 13 gesteckt, der eine oder mehrere Aufnahmen 14, z. B. in Form einer Kühlrippe aufweist. Aufgrund der Federkraft des Federelementes 16 wölbt sich das Gehäuse 12 der Batteriezelle 11 im Endabschnitt 29 nach außen und erzeugt somit im eingesteckten Zustand in der Aufnahme 14 des Kühlkörpers 13 zwischen Batteriezelle 11 und Kühlkörper 13 eine Klemmwirkung, die für die kraftschlüssige Verbindung von Batteriezelle 11 und Kühlkörper 13 sorgt. Durch die kraftschlüssige Verbindung von Batteriezelle 11 und Kühlkörper 13 werden die Gehäusewände 17, 18 an den Kühlkörper gepresst, womit ein guter Wärmeübergang ermöglicht wird.
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2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kühlleitblech 21, wobei das Federelement 16 Teil des Kühlleitblechs 21 ist. Das Kühlleitblech 21 wird an einer Seite kreisförmig oder kreissegmentförmig gebogen. Der kreisförmige bzw. kreissegmentförmig gebogene Abschnitt des Kühlleitblechs 21 stellt das Federelement 16 dar. Das Kühlleitblech 21 befindet sich mit dem flachen Abschnitt 33 gemäß 2 zwischen zwei oder mehreren Speicherelementen 24, 25 (hier nicht dargestellt), wohingegen das Federelement 16 auf der Innenseite des Gehäuses 12 tangential an der Gehäusewand 17, 18 anliegt. Dabei übt das Federelement mit dem kreisförmigen bzw. kreissegmentförmigen Federelement 16 eine auswärts gerichtete Kraft auf einen Endabschnitt 29 des Gehäuses 12 der Batteriezelle 11 aus.
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3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kühlleitblech 21, das mehrere, das Federelement 16 bildende Kühlleitblechabschnitte 27 aufweist. Die Kühlleitblechabschnitt 27 werden durch Einschneiden des Kühlleitblechs 21 hergestellt, indem schlitzförmige Einschnitte 26 im Kühlleitblech 21 vorgenommen werden.
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4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung das Kühlleitblech 21 aus 4, wobei die Kühlleitblechabschnitte 27 in wechselnder Reihenfolge in jeweils entgegen gesetzte Richtung aufgebogen werden. Durch Aufbiegen der Kühlleitblechabschnitte 27 entsteht das Federelement 16, welches Teil des Kühlleitblechs 21 ist. Dabei liegen die aufgebogenen Kühlleitblechabschnitte 27 tangential auf der Innenseite des Gehäuses auf den gegenüber liegenden Gehäusewänden 17, 18 an und üben eine auswärts gerichtete Kraft auf diese aus.
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5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batteriezelle 11 in seitlicher Aufsicht. Die Batteriezelle 11 ist im Wesentlichen rechteckig und flach ausgeführt und weist eine geringe Dicke auf. Es befinden sich zwei elektrische Speicherelemente 24, 25 im Gehäuse 12 der Batteriezelle 11, die insbesondere als Lithium-Ionen-Speicherzellen in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle (”Jelly Rolls” oder ”Coffee Bag”) ausgeführt sind. Weiterhin befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 ein Kühlleitblech 21, das zwischen den Speicherelementen 24, 25 angeordnet ist. Ein Federelement 16 ist Teil des Kühlleitblechs 21, wobei das Federelement vergleichbar zu 4 Kühlleitblechabschnitte 27 aufweist, die in wechselnder Reihenfolge in jeweils entgegen gesetzte Richtung aufgebogen sind oder als kreissegmentförmig gebogenes Blech ausgeführt ist (hier nicht dargestellt). Das Federelement 16 berührt das Gehäuse 12 auf der Innenseite des Gehäuses 12 tangential und übt auf dieses in einem ersten Abschnitt 15, der einen ersten Endabschnitt 29 des Gehäuses 12 der Batteriezelle 11 darstellt, eine auswärts gerichtete Kraft aus. Wird die Batteriezelle 11 mit dem ersten Endabschnitt 29 in einen Kühlkörper 13 gesteckt, der Aufnahmen 14 ähnlich einer Kühlrippe aufweist, so entspricht der erste Endabschnitt 29 dem Gehäuseboden 22. Dem ersten Endabschnitt 29 liegt ein zweiter Endabschnitt 30 gegenüber, der dem Gehäusedeckel 23 entspricht. Der zweite Endabschnitt 30 bzw. der Gehäusedeckel 23 befindet sich mit dem Kühlleitblech 21 im Kontakt, so dass eine Kraft, mit der der zweite Endabschnitt 30 beaufschlag wird, direkt an das Federelement 16 übertragen wird. Die Kraft tritt beispielsweise auf, wenn die Batteriezelle 11 in eine Aufnahme 14 eines Kühlkörpers 13 gesteckt wird. Beim Einstecken der Batteriezelle 12 überträgt sich die Kraft ausgehend vom zweiten Endabschnitt 30 bzw. Gehäusedeckel 23 über das Kühlleitblech 21 auf das Federelement 26 und schließlich auf den ersten Endabschnitt 29 der Batteriezelle. Über das Kühlleitbleich 21 wird somit die Einpresskraft eingeleitet, mit der die Batteriezelle 11 in die Aufnahme 14 des Kühlkörpers gesteckt wird. Aufgrund der Federkraft des Federelementes 16 wölbt sich das Gehäuse 12 der Batteriezelle 11 im Endabschnitt 29 nach außen und erzeugt somit im eingesteckten Zustand in der Aufnahme 14 des Kühlkörpers 13 zwischen Batteriezelle 11 und Kühlkörper 13 eine Klemmwirkung, die für die kraftschlüssige Verbindung von Batteriezelle 11 und Kühlkörper 13 sorgt.
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6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batteriezelle 11 gemäß 5 in seitlicher Aufsicht, die neben einer weiteren Batteriezelle 11_2 angeordnet ist. Beide Batteriezellen 11 und 11_2 weisen im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 5 im ersten Endabschnitt 29 eine geringere Breite als im gegenüber liegenden zweiten Endabschnitt 30 auf. Somit ist das jeweilige Gehäuse 12 als zweistufig gezogenes Metallgehäuse ausgeführt. Durch diese Art der Verjüngung des Gehäuses im ersten Endabschnitt 29 ist die Anordnung mehrerer solcher Batteriezellen 11, 11_2 dicht nebeneinander möglich. Die Kühlkörper 13, 13_1, in denen die Batteriezelle 11, 11_2 eingesteckt sind, können jeweils separat vorliegen oder miteinander verbunden sein oder als ein einziger Kühlkörper 13 ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063190 A1 [0002, 0003]
