DE102011082199A1

DE102011082199A1 - Batterie mit Temperiereinheit

Info

Publication number: DE102011082199A1
Application number: DE201110082199
Authority: DE
Inventors: Xiaofeng Yan; Christian Pankiewitz; Sylvain Guenon; Christian Loew; Achim Schmidt
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: DE102011082199B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen (12), einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen (12), die einen Kühlkanal (20) für ein Temperiermedium umfasst, und einem Gehäuse zur Aufnahme der Lithium-Ionen-Zellen. Die Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass die Lithium-Ionen-Zellen (12) einen Teil einer Wandung des Kühlkanals (20) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen und einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen, die einen Kühlkanal für ein Temperiermedium umfasst.
Stand der Technik
In Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen werden in Batteriepacks zusammengefasste Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Metallhybrid-Batterien in zunehmendem Maße eingesetzt. Üblicherweise dient dabei ein Batteriemanagementsystem in Kombination mit einer Batteriezustandserkennung zur Sicherheitsüberwachung und zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer.
Die in Batteriemodulen zusammengefassten Lithium-Ionen-Zellen werden dann zu Batteriesystemen kombiniert, wobei Letztere in Gehäusen untergebracht sind, die ihrem Schutz, Transport und ihrer Temperierung dienen.
Zur Temperierung eines Batteriesystems ist in DE 602 08 862 T2 eine Lösung zum Wärmeaustausch von prismatischen Batteriezellen in einem Batteriezellenstapel über eine Wärmeleitplatte genannt. Um einen guten Wärmekontakt zwischen der Wärmeleitplatte und dem Batteriesystem zu gewährleisten, umfasst Letzteres ein Wärmeübertragungsteil mit herausstehenden, laschenförmigen Enden. Im montierten Zustand liegen diese Enden an der Wärmeleitplatte an und bewirken den Wärmeaustausch zwischen dem Gehäuse und der Wärmeleitplatte.
Ein allgemeines Konzept, Kühlsysteme unter Verwendung von Kühlplatten herzustellen, findet sich in der DE 10 2008 054 947 A1 . Hier wird eine wiederaufladbare Batterie vorgeschlagen. Sie besteht aus mindestens einem Batterieelement, einer Wärmetransporteinrichtung zum Heizen und/oder Kühlen der Batterie und mindestens einer Wärmeleiteinrichtung zum innerhalb der Batterie erfolgenden Wärmetransfer mittels Wärmeleitung zwischen dem Batterieelement und der Wärmetransporteinrichtung. Zur Erhöhung des Effekts der Wärmeleitung zwischen einem Batterieelement und einer Wärmeleiteinrichtung fungiert hier eine Spannvorrichtung.
Die bekannten Temperierungen von Batteriesystemen auf der Basis der Lithium-Ionen-Technologie erfordern in der Regel aufwendige konstruktive Maßnahmen, bei denen der Wärmepfad für eine schnelle und qualitativ auf optimalem und gleichbleibendem Niveau einstellbare Wärmeleitung zu lang gewählt ist. Es wäre stattdessen sinnvoll, die Konstruktion eines die Batteriezellen aufnehmenden Gehäuses eines Batteriesystems und/oder ein Kontaktelement zur unmittelbaren Wärmeübertragung innerhalb des Gehäuses mit einem Kühlmittelkreislauf zu verbinden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Batterie mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen, einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen, die einen Kühlkanal für ein Temperiermedium umfasst, und einem Gehäuse zur Aufnahme der Lithium-Ionen-Zellen. Die Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass die Lithium-Ionen-Zellen einen Teil einer Wandung des Kühlkanals bilden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein direkter Kontakt der Lithium-Ionen-Zellen mit dem im Kühlkanal zirkulierenden Kühlmittel die Effektivität der Kühlung wesentlich verbessert. Das Gehäuse der Zellen bildet demnach einen für das Kühlmittel dichten Abschnitt des Kühlkanals, so dass das Kühlmittel diesen Bereich der Zellgehäuse umströmen kann. Durch die wesentliche Verbesserung der Kühlung kann auf eine innere Wärmeleitstruktur innerhalb des Batteriemoduls/der Batterie verzichtet werden, so dass das Gewicht der Batterie sinkt. Mit der erfinderischen Lösung können ferner Gewichtsvorteile dadurch erreicht werden, als dass die Bauteile für das Gehäuse oder die Kühlplatte aus Kunststoffen bestehen können.
Vorzugsweise weist der Kühlkanal eine Kühlplatte mit Ausnehmungen auf, wobei die Ausnehmungen dichtend von den Lithium-Ionen-Zellen abgedeckt sind. Insbesondere kann die Kühlplatte ein Muster aus Stegen und Ausnehmungen aufweisen. Mit anderen Worten, die Zellen werden auf den Ausnehmungen der Kühlplatte, die Teil des Kühlkanals ist, platziert. Die Abmessungen der Ausnehmungen orientieren sich grundsätzlich an der Form der Aufstandsfläche der Zellen, so dass die für den direkten Wärmeaustausch bereitstehende Fläche möglichst groß ist.
Ferner ist bevorzugt, wenn zwischen der Kühlplatte und den Lithium-Ionen-Zellen ein Dichtelement angeordnet ist. Das Dichtelement kann eine Flachdichtung, ein O-Ring oder ein Dichtmittel (Kleber) sein. Die flüssigkeitsdichte Abschirmung des Bauraums der Batterie wird demnach mittels einer Zwischenlage von Dichtungen zwischen den Ausnehmungen des Kühlkanals und den Lithium-Ionen-Zellen oder durch Verklebung gewährleistet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft eine doppelseitige Kühlung, bei der die Lithium-Ionen-Zellen sowohl an einer ersten Seite des Kühlkanals als auch an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Kühlkanals angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich ein besonders kompakter Aufbau der Batterie erreichen, mit dennoch effektiver Kühlung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Lithium-Ionen-Zellen oder ein Zellenverbund aus mehreren Zellen durch Verspannelemente fixiert. Damit ist ihre feste Lage innerhalb des Gehäuses garantiert, wodurch beispielsweise auch Erschütterungen während des Fahrbetriebs eines Elektrokraftfahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges mit der Batterie nicht negativ auf die Abdichtung wirken können.
Die erfindungsgemäße Batterie findet vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Hybrid- bzw. Elektrokraftfahrzeug, Anwendung.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Batterie nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Kombination einer Lithium-Ionen-Zelle mit einer Flachdichtung zwischen der Grundfläche einer Lithium-Ionen-Zelle und der Oberseite einer Kühlplatte,
3 wie 2, jedoch mit doppelt eingelegtem O-Ring,
4 eine Draufsicht auf eine Kühlplatte mit Ausnehmungen,
5 eine doppelseitig mit Ausnehmungen versehene Kühlleitung für zwei Batteriemodule, und
6 eine Batterie nach einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt zwei Komponenten eines Batteriesystems, nämlich ein Batteriemodul 10, bestehend aus Lithium-Ionen-Zellen 12, und einen Kühlkanal 20, der Teil einer Temperiereinheit ist. Ein Kühlmittel wird über einen Kühlmittelaus- und Kühlmitteleintritt 22, 24 durch den Kühlkanal 20 gespült. Die Oberseite des Kühlkanals bildet eine Kühlplatte 26, die von mehreren Ausnehmungen 28 durchbrochen ist. Die Lithium-Ionen-Zellen 12 sind bodenseitig über diesen Ausnehmungen 28 auf einer Kühlplatte 26 platziert. Dadurch erhalten die Lithium-Ionen-Zellen 12 einen direkten Kontakt zum in dem Kühlkanal 20 strömenden Kühlmittel zwecks Realisierung eines von einem Batteriemanagement (nicht näher dargestellt) überwachten und gesteuerten Wärmeaustausches. Die Grundflächen der einzelnen Lithium-Ionen-Zellen 12 des Batteriemoduls 10 sind gegenüber den Ausnehmungen 28 in dem Kühlkanal 20 durch Dichtungen 30 gegen Kühlmittelaustritt in den Bauraum der Batterie abgedichtet. Der Kühlkanal 20 ist über den Kühlmittelaus- und Kühlmitteleintritt 22, 24 mit einem fahrzeugseitigen Kühl-/Heizkreislauf eines Kraftfahrzeuges oder mit einem externen Temperiersystem verbunden.
Gemäß den 2 und 3 sind Einzelheiten bezüglich der gewählten Abdichtungen zwischen den Grundflächen der Lithium-Ionen-Zellen 12 und der Kühlplatte 26 mit den Ausnehmungen 28 dargestellt.
2 zeigt dabei zwischen der Grundfläche einer Lithium-Ionen-Zelle 12 und einer Ausnehmung 28 eine Flachdichtung 32, wohingegen nach 3 ein doppelt verwendeter O-Ring 34 in Nuten der Oberseite der Kühlplatte 26 eingelegt ist. Alternativ kann eine dichtende Verklebung der Lithium-Ionen-Zellen 12 auf der Kühlplatte 26 erfolgen, jedoch ist dann der Wechsel einzelner Zellen erschwert.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Kühlplatte 26 mit einem Muster aus länglichen Ausnehmungen 28 und Stegen 29.
5 zeigt die Möglichkeit, an einen Kühlkanal 20 von beiden Seiten Lithium-Ionen-Zellen 12 in der vorbeschriebenen Art anzubringen. Dadurch lassen sich besonders kompakte Batterien aufbauen. Innerhalb des Kühlmittel durchströmten Kühlkanals 20 können zusätzlich Turbulatoren und/oder Stege zur gezielten Strömungsführung des Kühlmittels hin zu den Grundflächen der Lithium-Ionen-Zellen 12 angeordnet sein. Ein Verspannelement 40 sorgt für einen permanenten Anpressdruck der beiden Batteriemodule 10 an die Kühlplatten 26. Der Kühlkanal 20 lässt sich aus Kunststoff oder Metall mit unterschiedlichen Möglichkeiten der Verarbeitung ausführen. Beispielhaft seien genannt:

– ebene Bleche mit umlaufendem Rand als Abstandshalter, wobei Einzelteile des Kühlkanals miteinander verlötet sind,
– geprägte Bleche, die miteinander verlötet oder verschweißt sind,
– Kunststoffspritzteile, die miteinander verklebt oder verschweißt sind.

6 zeigt eine Batterie 50 mit einem Gehäuse 52, das ein Batteriemodul 10 aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen 12 aufnimmt. Die einzelnen Lithium-Ionen-Zellen 12 sind innerhalb des Gehäuses 52 miteinander verklebt und dichtend an ihrer Polseite und an ihrer Grundfläche jeweils fest miteinander verbunden, wobei sie als kompaktes Batteriemodul 10 mittels Verspannelementen 40 in ihrer Lage, aufsitzend auf einer Kühlplatte 26 gehalten sind. Es besteht somit ein direkter Kühlmittelkontakt über die Grundflächen der Lithium-Ionen-Zellen 12, die die Oberseite des Kühlkanals 20 bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60208862 T2 [0004]
DE 102008054947 A1 [0005]

Claims

Batterie mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen (12), einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen (12), die einen Kühlkanal (20) für ein Temperiermedium umfasst, und einem Gehäuse zur Aufnahme der Lithium-Ionen-Zellen (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Zellen (12) einen Teil einer Wandung des Kühlkanals (20) bilden.
Batterie nach Anspruch 1, bei der der Kühlkanal (20) eine Kühlplatte (26) mit Ausnehmungen (28) umfasst und die Ausnehmungen (28) dichtend von den Lithium-Ionen-Zellen (12) abgedeckt sind.
Batterie nach Anspruch 2, bei der die Kühlplatte (26) ein Muster aus Stegen (29) und Ausnehmungen (28) aufweist.
Batterie nach Anspruch 1, bei der zwischen der Kühlplatte (26) und den Lithium-Ionen-Zellen (12) ein Dichtelement (30) angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 4, bei der das Dichtelement (30) eine Flachdichtung (32), ein O-Ring (34) oder ein Dichtmittel ist.
Batterie nach Anspruch 1, bei der Lithium-Ionen-Zellen (12) an einer ersten Seite des Kühlkanals (20) und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite des Kühlkanals (20) angeordnet sind.
Batterie nach Anspruch 1, bei der die Lithium-Ionen-Zellen (12) oder ein Zellenverbund aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen (12) durch Verspannelemente (40) fixiert sind.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7.