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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie für ein Fahrzeug sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie.
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Bei einer herkömmlichen Batterie sind Wärmeleitbleche vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, Wärme von der Batterie zu einer Wärmesenke zu transportieren und im umgekehrten Fall Wärme von der als Wärmequelle betriebenen Wärmesenke zu der Batterie zu transportieren.
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Die Druckschrift
US 2009/0214941 A1 beschreibt einen Zellenstapel mit zwischen den Zellen angeordneten Kühlblechen, die dazu ausgebildet sind, Wärme aus den Zellen zu einem Kühlkörper zu transportieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Batterie für ein Fahrzeug sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Batterie zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auch eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen kann. Kontaktfahnen an Batteriezellen, die dazu ausgelegt sind hohe Ströme zu leiten können ebenso Wärme direkt von einem Entstehungsort der Wärme in der Batteriezelle zu einem Kühlkörper leiten. Ebenso können die Kontaktfahnen Wärme von einer Wärmequelle in die Batteriezelle leiten.
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Vorteilhafterweise kann durch eine Kühlung oder Erwärmung einer Batteriezelle über Kontaktfahnen Material für zusätzliche Wärmeleitbleche eingespart werden. Zusätzlich zu einem Raumgewinn und einer Gewichtsreduktion aufgrund der Einsparung kann eine Fertigung der Batterie aufgrund weniger zu montierender Teile vereinfacht werden. Die Batterie kann so kostengünstiger bereitgestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Batterie für ein Fahrzeug, mit folgenden Merkmalen:
zumindest einer Batteriezelle;
zumindest einem Ableiter zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezelle, wobei der Ableiter aus einem thermisch leitfähigem Material besteht und eine Wärmeübergangsfläche aufweist, wobei der Ableiter dazu ausgebildet ist, thermische Energie zwischen der Wärmeübergangsfläche und der Batteriezelle zu transportieren; und
zumindest einer Wärmesenke, die mittels einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Klebefolie mit der Wärmeübergangsfläche des zumindest einen Ableiters verbunden ist.
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Unter einer Batterie kann eine Vorrichtung zum chemischen Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie mittels zumindest eines Speichermediums verstanden werden. Das zumindest eine Speichermedium kann in einzelnen Batteriezellen durch eine Außenhülle elektrisch isoliert sein. Mehrere Batteriezellen können parallel und/oder seriell miteinander verbunden werden, um einen Strom und/oder eine Spannung einer Batteriezelle zu vervielfältigen. Ein Ableiter kann als ein Pol der Batteriezelle durch die Außenhülle der Batteriezelle in das Speichermedium hineinragen. Außerhalb der Batteriezelle kann der Ableiter mit elektrischen Leitungen verbunden werden, innerhalb der Batteriezelle kann der Ableiter in das Speichermedium eingebettet sein. Die Batteriezelle kann einen weiteren Pol aufweisen, der lediglich zur elektrischen Kontaktierung bestimmt sein kann. Eine Wärmeübergangsfläche kann eine Kontaktfläche sein, die eine vorbestimmte Größe aufweist, um einen vorbestimmten Wärmestrom pro Fläche nicht zu überschreiten, und so einen Wärmeübergangswiderstand zu der Wärmesenke gering zu halten. Eine Wärmesenke kann beispielsweise ein Kühlkörper oder ein Wärmeübertrager sein. Die Wärmesenke kann dazu ausgebildet sein Wärme aufzunehmen und abzuführen und Wärme bereitzustellen und abzugeben. Eine Klebefolie kann zumindest einen Klebefilm umfassen. Die Klebefolie kann auch eine Membran zwischen Klebefilmen aufweisen. Der Klebefilm kann beispielsweise durch Druck oder Wärme aktiviert werden. Ebenso kann der Klebefilm mittels einer chemischen Reaktion zumindest zweier Komponenten eine Klebewirkung entfalten.
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Die Batteriezelle kann prismatisch sein. Durch eine Prismatische Ausführung der Batteriezelle kann eine hohe Packungsdichte bei mehreren Batteriezellen erreicht werden. Dadurch kann die Batterie mit einem kleinen Platzbedarf hergestellt werden.
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Der Ableiter kann aus einem Plattenmaterial hergestellt werden. Ein Ableiter aus Plattenmaterial, beispielsweise Blech oder Folie kann einfach in Form gebracht werden und leicht bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Ableiter gestanzt und/oder gebogen werden.
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Der Ableiter kann einen Knick aufweisen, an dem der Ableiter quer zu einer Austrittsrichtung des Ableiters aus der Batteriezelle abgeknickt ist. Die Wärmeübergangsfläche kann durch den Knick quer zu einer Haupterstreckungsebene der Batteriezelle ausgerichtet sein. Dadurch kann die Wärmesenke mit einer flachen Kontaktfläche ausgeführt sein, was niedrige Bereitstellungskosten für die Wärmesenke bedingen kann.
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Die Batterie kann zumindest einen weiteren Ableiter zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezelle aufweisen, wobei der weitere Ableiter aus einem thermisch leitfähigem Material besteht und eine weitere Wärmeübergangsfläche aufweist, wobei der weitere Ableiter dazu ausgebildet ist, thermische Energie zwischen der weiteren Wärmeübergangsfläche und der Batteriezelle zu transportieren. Der weitere Ableiter kann durch die Außenhülle der Batteriezelle in das Speichermedium hineinragen und durch das Speichermedium von dem zumindest einen Ableiter beabstandet sein. Durch einen Abstand zwischen dem Ableiter und dem weiteren Ableiter kann ein Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle verhindert werden. Der weitere Ableiter kann den zweiten Pol ersetzen, und ebenfalls außerhalb der Batteriezelle mit elektrischen Leitungen verbunden werden. Die weitere Wärmeübergangsfläche kann mit der gleichen Wärmesenke verbunden sein oder mit einer weiteren Wärmesenke verbunden sein.
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Der Ableiter und der weitere Ableiter können auf einer Schmalseite der Batteriezelle angeordnet sein. Durch eine Anordnung auf einer Seite der Batteriezelle kann die Batteriezelle beispielsweise in einer Schutzhülle angeordnet werden, die eine Trogform aufweist und die Batterie so vor Umwelteinflüssen schützen kann. Der Ableiter und der weitere Ableiter können mit derselben Wärmesenke verbunden sein.
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Der Ableiter kann auf einer ersten Schmalseite der Batteriezelle angeordnet sein, und der weitere Ableiter kann auf einer, der ersten Schmalseite gegenüberliegenden zweiten Schmalseite der Batteriezelle angeordnet sein. Durch eine gegenüberliegende Anordnung der Ableiter können zumindest zwei Wärmesenken verwendet werden, um die Batterie zu temperieren.
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Der weitere Ableiter kann einen Knick aufweisen, an dem der weitere Ableiter quer zu einer Austrittsrichtung des weiteren Ableiters aus der Batteriezelle abgeknickt ist, wobei der weitere Ableiter in eine entgegengesetzte Richtung zu einer Richtung des Ableiters abgeknickt ist. Durch gegenseitig ausgerichtete Knicke können mehrere Batteriezellen einfach in Reihe geschaltet werden.
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Das Material des Ableiters auf der Kathodenseite ist vorzugsweise Aluminium, das Material auf der Anodenseite ist vorzugsweise Kupfer. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten dieser unterschiedlichen Materialien können die Ableiter auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite durchaus eine unterschiedliche Gestaltung hinsichtlich der Abmessungen, wie der Breite, der Dicke und/oder der Länge aufweisen. Vorzugsweise können die Ableiter mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten ausgeführt sein, um eine Vereinheitlichung des thermischen Leitungswiderstandes zu begünstigen.
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Die Batterie kann zumindest eine weitere Batteriezelle aufweisen, wobei die Batteriezellen mit einander zugewandten Flachseiten aneinander anliegen, wobei ein Ableiter einer der Batteriezellen elektrisch mit dem weiteren Ableiter der anderen der Batteriezellen verbunden ist. Durch die elektrische Verbindung von dem Ableiter mit dem weiteren Ableiter sind die Batteriezellen in Reihe geschalten. Die Ableiter können einander überlappen. Die Ableiter können stoffschlüssig miteinander verbunden werden, beispielsweise durch ein Schweißverfahren. Beim Verwenden eines Ultraschallschweißverfahrens kann eine Wärmebelastung der Batteriezellen beim Schweißen klein gehalten werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen zumindest einer Batteriezelle, die zumindest eine Wärmeübergangsfläche auf einem Ableiter zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezelle und zum Transportieren von thermischer Energie zwischen der Wärmeübergangsfläche und der Batteriezelle aufweist;
Bereitstellen einer Wärmesenke;
Bereitstellen einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Klebefolie; und
Verbinden der Wärmesenke mit der Wärmeübergangsfläche am Ableiter mittels der Klebefolie.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Regelung des thermischen Widerstandes durch Beeinflussung der Ableitergeometrie vorgenommen wird, um einen gewünschten thermischen widerstand einzustellen.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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Die 1a und 1b je eine Darstellung einer Batteriezelle gemäß zwei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines Ausschnitts aus einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine räumliche Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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Die 1a und 1b zeigen je eine Darstellung einer Batteriezelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batteriezelle 100 weist jeweils einen prismatischen, quaderförmigen Grundkörper auf. Aus der Batteriezelle 100 ragen je zwei Ableiter 102 zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezelle 100, die dazu ausgebildet sind, thermische Energie von und zu einem Speichermedium innerhalb der Batteriezelle 100 zu transportieren. Die Ableiter 102 sind als Blechfahnen ausgeführt und weisen eine rechteckige Form auf. Die Ableiter 102 sind speziell für den Aspekt einer direkten Kontaktierung und Kühlung der Ableiter 102 ausgelegt.
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In 1a sind die Ableiter 102 auf gegenüberliegenden Schmalseiten der Batteriezelle 100 angeordnet. Die Ableiter 102 sind fast so breit wie die Schmalseiten, aus denen sie hervorstehen. Dadurch steht eine grolle Querschnittsfläche zur Wärmeleitung in den Ableitern 102 zur Verfügung.
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In 1b sind die Ableiter 102 auf der gleichen Schmalseite aus der Batteriezelle 100 herausgeführt. Zwischen den Ableitern 102 befindet sich ein Abstand. Auch in 1b sind die Ableiter 102 breiter als hoch, um eine grolle Querschnittsfläche zum Wärmetransport zur Verfügung zu stellen.
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2 zeigt ein Detail aus einer Batterie 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt sind Ausschnitte aus zwei aneinander anliegenden Batteriezellen 100, wie sie beispielsweise in den 1a und 1b dargestellt sind. Die beiden Batteriezellen 100 liegen an Flachseiten aneinander an. In dieser Darstellung ragt je ein Ableiter 102 aus jeder der Batteriezellen 100 oben mittig aus einer Schmalseite der Batteriezelle 100 heraus. Dabei ist einer der Ableiter 102 ein Pluspol und der andere Ableiter 102 ein Minuspol. Der Ableiter 102a ist in Richtung der Batteriezelle 100b rechtwinklig abgebogen, wobei zwischen der Schmalseite der Batteriezelle 100a und dem Ableiter 102a ein Abstand gewahrt bleibt. Der Ableiter 102b ist in Richtung der Batteriezelle 100a rechtwinklig abgebogen, so dass der Ableiter 102b über dem Ableiter 102a angeordnet ist, diesen überlappt und auf diesem aufliegt. Die beiden Ableiter 102 sind mittels einer Schweißverbindung 202 stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden. Die Schweißverbindung 202 verbindet eine Wärmeübergangsfläche des Ableiters 102a mit dem Ableiter 102b. Auf einer entgegengesetzt ausgerichteten, nach oben weisenden Wärmeübergangsfläche 204 des Ableiters 102b ist mittels einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 206 eine Wärmesenke 208 aufgeklebt. Durch die Ableiter 102a und 102b kann Verlustwärme aus den Batteriezellen 100 in die Wärmesenke 208 fließen und abgeführt werden. Umgekehrt kann Wärme aus der Wärmesenke 208 über die Ableiter 102 in die Batteriezellen 100 fließen, um die Batteriezellen 100 vorzuwärmen.
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Mit anderen Worten zeigt 2 eine Zellkühlung und Zellkontaktierung mittels verschraubten oder verschweißten folienartigen Ableiterfahnen 102, die aus den Zellen 100 herausgeführt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einer herkömmlichen Kühlung über Metallbleche bleibt der Wärmeleitpfad der Ableiter 102 größtenteils ungenutzt, woraus zusätzliches Gewicht und erhöhter Bauraumbedarf resultieren. Eine Kühlung über die elektrischen Ableiter 102 macht eine Wärmeübergangsfläche 204 zwischen Kühler 208 und Ableiter 102 notwendig. Die Wärmeübergangsfläche 204 ist so großzügig dimensioniert, dass eine Wärmestromdichte so gering ist, dass ein ausreichend kleiner Temperatursprung realisiert werden kann. Ableiterseitig werden diese vergrößerten Flächen mittels eines erhöhten Materialeinsatzes von Kupfer dargestellt. Da spezielle Wärmeleitbleche entfallen, wird das vorhandene Metall besser ausgenutzt, als bei einer reinen elektrischen Kontaktierung. Durch den Einsatz einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 206 wird die Gefahr von Kurzschlüssen auf der grollen Fläche zwischen Kühler 208 und Ableiter 102 verringert. Die elektrische Kontaktierung der Ableiter 102 und die thermische Anbindung kann in unterschiedlichen Prozessschritten durchgeführt werden. Beispielsweise können spezielle Werkzeuge in der Montage-Linie, z. B. Distanzstücke oder Folie zwischen Kühler 208 und Ableiter 102, verwendet werden.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz kann Wärme aus einer prismatischen Batteriezelle 100 mit dem Schwerpunkt der Wärmeabfuhr über die elektrischen Ableiter 102 abgeleitet werden ohne diesen elektrisch kurzzuschließen. Durch die Verteilung der Wärme auf eine größere Fläche, kann der Wärmeübergangswiderstand reduziert werden. Durch eine Verringerung der Anzahl der Teile wird die Montage der Batterie 200 vereinfacht. Durch die Möglichkeit ”kalte” Schweißverfahren wie z. B. Ultraschallschweißen einzusetzen kann ein Wärmeintrag in die Batteriezelle 100 bei der Montage reduziert werden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Batterie 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batterie ist aus einer Vielzahl von Batteriezellen 100, wie sie in den 1a und 1b dargestellt sind, im Zellverbund aufgebaut. Die einzelnen Batteriezellen 100 sind wie in 2 über Ableiter 102 miteinander elektrisch verbunden. Die Batteriezellen 100 sind über die Ableiter 102 auch thermisch mit zwei Wärmesenken 208 auf einer Oberseite der Batterie 200 und einer Unterseite der Batterie 200 verbunden. Die Wärmesenken 208 sind durch eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie 206 mit den Ableitern 102 verklebt.
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In 3 wurde die prismatische Form der Batteriezellen 100 vorausgesetzt und ausgenutzt. Die prismatische Form erlaubt die Bildung eines Zellstapels. Zur Ableitung von Abwärme werden die Stromableiter 102 der Zelle 100 genutzt. Damit ist die hier vorgestellte Batterie 200 bereits für typische Anwendungen, wie beispielsweise in Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen geeignet. Beispielsweise sollen in Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen die Ableiter 102 hochstromfähig ausgeführt werden, weshalb die Ableiter 102 mit einen vergrößerten, für die Wärmeleitung ausreichenden Querschnitt ausgeführt werden. Durch den vergrößerten Querschnitt werden gleichzeitig geringe Übergangswiderstände im thermischen Pfad bis zur Anbindung an eine Wärmesenke 208 ermöglicht. Die Ableiter 102 der Batteriezellen 100 werden an gegenüberliegenden Seiten, wie in 1a gezeigt, oder an einer Seite, wie in 1b gezeigt, aus den Zellen 100 herausgeführt. Die Ableiter 102 sind so ausgeführt, dass sich nach dem Aufbau des Zellverbundes eine großflächige Auflage 204 für die Wärmesenke 208 ergibt, also z. B. L-förmig, wie in 2 gezeigt. Die elektrische Kontaktierung der Ableiter 102, die über die gesamte Ableiterlänge oder in einem oder mehreren Ableiterabschnitten erfolgen kann, wird vorzugsweise mit einem stoffschlüssigen Verfahren, wie beispielsweise Ultraschallschweißen hergestellt. Die Wärmeleitfolie 206 dient der elektrischen Isolierung und der thermischen Kontaktierung zwischen den Ableitern 102 und der Wärmesenke 208. Die Verbindung zwischen Ableiter 102 und Wärmeleitfolie 206 bzw. zwischen Wärmeleitfolie 206 und Wärmesenke 208 kann vorzugsweise durch Kleben hergestellt werden. Die Anzahl der zu verbauenden Elemente während der Montage wird minimiert. Die Zellen 100 können auch verschraubt werden. Der Kühler 208 kann durch Distanzelemente vorpositioniert werden und mit Kunstharz vergossen werden, um eine thermische Anbindung zu erzielen. Durch die Ableiterkühlung fallen die Kühlrippen oder Kühlbleche weg. Es ergeben sich eine thermisch effiziente Anbindung des Kühlers 208 und ein vereinfachter mechanischer Aufbau.
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4 zeigt eine räumliche Ansicht einer Batterie 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 sind die prismatischen Batteriezellen 100 im Zellverbund angeordnet und werden über die Ableiter 102 gekühlt. Im Gegensatz zu der Darstellung in 3 weisen die Ableiter 102 als Pluspol und Minuspol auf der gleichen Seite aus den Batteriezellen 100. Zwei Wärmesenken 208 sind auf zwei nebeneinander angeordneten Reihen von Ableitern 102 mittels elektrisch isolierender Wärmeleitfolie 206 befestigt.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Batteriezelle
- 102
- Ableiter
- 200
- Batterie
- 202
- Schweißverbindung
- 204
- Wärmeübergangsfläche
- 206
- Wärmeleitfolie
- 208
- Wärmesenke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0214941 A1 [0003]
