DE102011109306A1

DE102011109306A1 - Modulares Plattenträgerkonzept zum Anbringen und eingebetteten Kühlen von Beutelzellenbatterieanordnungen

Info

Publication number: DE102011109306A1
Application number: DE201110109306
Authority: DE
Inventors: Stephen Raiser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: DE102011109306B4; CN102376920A; US8343650B2; US20120040225A1; CN102376920B

Abstract

Eine modulare Anordnung zum Aufnehmen von Batteriezellen. Die modulare Anordnung umfasst mehrere U-förmige Elemente mit Kühlfluidkanälen, wobei die U-förmigen Elemente in gestapelter Weise miteinander befestigt sind. Jeder Kühlfluidkanal umfasst eine Einlass- und Auslassöffnung, wobei die Öffnungen in den gestapelten U-förmigen Elementen miteinander fluchten. Die modulare Anordnung umfasst auch mehrere wärmeleitende Trägerplatten, wobei an und zwischen gegenüberliegenden Trägerplatten eine Batteriezelle angebracht ist. In gegenüberliegenden Sicherungsschlitzen in gegenüberliegenden U-förmigen Elementen sind Seitenränder der Trägerplatten aufgenommen, wobei in dem U-förmigen Element ein Kühlfluidkanal in dem Sicherungsschlitz vorgesehen ist, so dass ein durch den Kühlfluidkanal und die U-förmigen Elemente strömendes Kühlfluid die Trägerplatten kontaktiert und ihnen Wärme entzieht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine modulare Anordnung zum Verpacken und Kühlen von Batteriezellen einer Lithiumbatterie und insbesondere eine modulare Anordnung zum Verpacken und Kühlen von Batteriezellen einer Lithiumbatterie, wobei die Anordnung mehrere Plattenträger, an denen die Beutelzellen angebracht sind, und mehrere U-förmige Elemente, an denen die Plattenträger angebracht sind und durch die ein Kühlfluid strömt, umfasst.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Im Allgemeinen umfasst eine Lithiumbatterie eine oder mehrere miteinander verbundene Lithiumzellen, wobei jede Zelle für gewöhnlich separat abgedichtet ist. Bei bestimmten Anwendungen, wie etwa verschiedenen Fahrzeuganwendungen, einschließlich Brennstoffzellenfahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen, können hundert oder mehr Zellen in Reihe geschaltet sein, um die erforderliche Leistung zu erbringen.
Entsprechend der Art des verwendeten Elektrolyten werden sekundäre Lithiumbatterien als Lithium-Ionen-Batterien, die einen flüssigen Elektrolyten verwenden, und Lithium-Polymer-Batterien, die einen Polymerelektrolyten verwenden, klassifiziert. Sekundäre Lithiumbatterien können in verschiedenen Formen hergestellt werden. Typische Formen von sekundären Lithiumbatterien sind ein Zylinder und ein Prisma, die recht häufig sind. In letzter Zeit hat eine biegsame beutelartige Lithium-Polymer-Batterie Aufmerksamkeit erregt, da sie von veränderlicher Form, ausgezeichneter Sicherheit und einer Struktur geringen Gewichts ist.
Der Elektrolyt einer Lithiumbatterie kann ein Festpolymer sein, das ein dissoziierbares Lithiumsalz trägt, doch häufig ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit, in der ein Lithiumsalz aufgelöst ist. Die Flüssigkeit imprägniert üblicherweise ein poröses Polymerseparatorlaminat, das vielschichtig sein kann, oder in manchen Fällen ist der poröse Separator selbst ein Lithiumsalz enthaltendes Polymerlaminat. Die Flüssigkeit, in der das Lithiumsalz aufgelöst ist, kann Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder andere Alkylradikal tragende Carbonate oder eine ähnliche organische Verbindung sein, die einen Siedepunkt oberhalb von 50°C und einen relativ niedrigen Dampfdruck bei Raumtemperatur aufweist. Die Elektrolytschicht befindet sich zwischen den Elektroden. Laminare Lithiumbatterien sind aus mindestens drei Schichten konstruiert, und die Schichtkonstruktion zusammen mit Stromführungen sind in einem biegsamen Polymerlaminatbehältnis eingewickelt, das somit einen Beutel bildet.
Eine Art zum Abdichten einer Lithiumzelle ist das Einschließen der Zelle in einem mit Kunststofflaminat bedeckten Folienbeutel, wobei die Folie für gewöhnlich aus Aluminium besteht. Die Zelle weist eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und positive sowie negative Stromabnehmer oder Leitungen auf, die in einem Folienbeutel eingeschlossen sind. Die Stromabnehmer sehen zwischen der positiven und negativen Elektrode und einer Außenseite des Beutels elektrische Verbindung vor.
Der Folienbeutel weist eine mit einem Folymerlaminat beschichtete Innenfläche auf, um sowohl die Folie vor dem Elektrolyten zu schützen als auch einen Kurzschluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode und den Leitungen zu verhindern. Der Folienbeutel ist vorzugsweise auch an seiner Außenfläche mit einem Polymerlaminat beschichtet.
Aus nahe liegenden Gründen sind Lithiumbatterien feuchtigkeits- und luftkorrosionsempfindlich. Daher werden die Polymerbeutel abgedichtet, für gewöhnlich durch Ausüben von Druck und Wärme um die Ränder des Polymerlaminats. Das Wärmeversiegeln eines Polymerlaminats mit einem anderen Polymerlaminat sieht für gewöhnlich eine zufrieden stellende Bindung vor; die zwischen den Polymerschichten austretenden Metallleitungen oder Stromabnehmer können aber eine unvollständige Abdichtung vorsehen, was möglicherweise trotz aller Bemühungen, eine sichere Abdichtung zu erreichen, zu einem Austreten der Elektrolytflüssigkeit führt.
Auch wenn abgedichtete Beutelzellen zahlreiche Vorteile in Verbindung mit ihrer Konstruktion und ihrem relativ dünnen Profil haben, werden sie leichter beschädigt als in einem härteren Gehäuse eingeschlossene Zellen. Daher besteht im Stand der Technik Bedarf, die Beutelzellen mit mechanischer Stabilität zu versehen. Eine solche mechanische Stabilität sollte aber so erfolgen, dass der erforderliche Platz- und Materialumfang minimiert wird und für jeden einzelnen Beutel eine Kühlfunktion vorgesehen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine modulare Anordnung zum Aufnehmen von Batteriezellen offenbart. Die modulare Anordnung umfasst mehrere U-förmige Elemente mit Kühlfluidkanälen, wobei die U-förmigen Elemente in gestapelter Weise zusammen angebracht sind. Jeder Kühlfluidkanal umfasst eine Auslass- und Einlassöffnung, wobei die Öffnungen in den gestapelten U-förmigen Elementen miteinander fluchten. Die modulare Anordnung umfasst auch mehrere wärmeleitende Trägerplatten, wobei eine Batteriezelle an und zwischen gegenüberliegenden Trägerplatten angebracht ist. Seitenränder der Trägerplatten sind in gegenüberliegenden Rückhalte- bzw. Sicherungsschlitzen in gegenüberliegenden U-förmigen Elementen aufgenommen, wobei ein Kühlfluidkanal in dem U-förmigen Element in dem Sicherungsschlitz so vorgesehen ist, dass ein durch den Kühlfluidkanal und die U-förmigen Elemente strömendes Kühlfluid die Trägerplatten kontaktiert und ihnen Wärme entzieht.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines U-förmigen Elements für eine modulare Anordnung, die Batteriezellen aufnimmt;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer modularen Anordnung, die eine Trägerplatte vor dem Einsetzen zwischen zwei U-förmige Elemente zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten modularen Anordnung, die Batteriebeutelzellen umfasst;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der modularen Anordnung, die mehrere Trägerplatten und Batteriezellen vor dem Einsetzen zwischen mehrere U-förmige Elemente zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht der modularen Anordnung, die mehrere aufeinander gestapelte U-förmige Elemente zeigt; und
6 ist eine Vorderansicht im Schnitt einer zweiten Ausführungsform eines U-förmigen Elements.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG der AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine modulare Anordnung zum Verpacken und Kühlen von Batteriezellen einer Lithiumbatterie gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Nutzungsmöglichkeiten beschränken.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines U-förmigen Elements 10, das Teil einer modularen Anordnung zum Aufnehmen einer Lithiumbatterie ist, wie nachstehend näher beschrieben wird. Das U-förmige Element 10 umfasst gegenüberliegende Seitenabschnitte 12 und 14, die durch einen unteren Abschnitt 16 miteinander gekoppelt sind, wobei alle eine allgemeine quadratische oder rechteckige Querschnittform aufweisen. Andere Ausführungsformen können andere Querschnittformen für die Seitenabschnitte 12 und 14 und den unteren Abschnitt 16 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung umfassen. Befestigungslöcher 18 und 20 erstrecken sich wie gezeigt an oberen und unteren Positionen durch die Seitenabschnitte 12 und 14 für das Miteinanderbefestigen von mehreren der U-förmigen Elemente 10 mit (nicht gezeigten) Bolzen oder dergleichen, wie für den Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung offenkundig wird. Ferner umfassen die Seitenabschnitte 12 und 14 und der untere Abschnitt 16 einen darin ausgebildeten Sicherungsschlitz 28 an sowohl einer vorderen als auch einer hinteren Stelle, die zu einer Innenseite des U-förmigen Elements 10 offen sind. Ein Kühlfluidkanal 24 ist in den Seitenabschnitten 12 und 14 in dem Sicherungsschlitz 28 ausgebildet und umfasst eine obere Öffnung 22 und eine untere Öffnung 26, die sich durch die Seitenabschnitte 12 und 14 erstrecken, um ein Kühlfluid dadurch strömen zu lassen, wie nachstehend ebenfalls näher erläutert wird. Eine der Öffnungen 22 oder 26 ist eine Einlassöffnung und die andere der Öffnungen 22 oder 26 ist eine Auslassöffnung. Durch die Öffnungen 22 und 26 und durch den Kühlfluidkanal 24 strömt ein Kühlfluid, um wie nachstehend erläutert den Lithiumbatteriezellen Kühlung zu bieten. In einer Ausführungsform ist das U-förmige Element 10 ein einstückiges Element, das aus einem geeigneten Kunststoff geformt ist, um leicht und kostengünstig zu sein.
2 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Teils einer modularen Batterieanordnung 40, die abhängig von der Anzahl an Batteriezellen, die in der Anordnung 40 aufzunehmen sind, mehrere der U-förmigen Elemente 10 umfasst. Die Anordnung 40 umfasst mehrere Trägerplatten 42, wovon eine in 2 gezeigt ist. Die Trägerplatten 42 bestehen aus einem geeigneten wärmeleitenden Metall, wie etwa Aluminium, so dass von den Batteriezellen erzeugte Wärme von der Trägerplatte 42 abgeführt wird. Die Trägerplatte 42 umfassen sowohl eine Einlass- als auch eine Auslassöffnung, die als Öffnung 44 dargestellt ist, die mit den Öffnungen 22 und 26 fluchten. Die Trägerplatte 42 ist in den Sicherungsschlitzen 28 von gegenüberliegenden U-förmigen Elementen 10 positioniert, so dass die Öffnungen 44, 22 und 26 in einer Weise fluchten, die ein Kühlfluid durch die U-förmigen Elemente 10 und die Trägerplatten 42 strömen lässt.
An beiden Seiten der Platte 42 ist benachbart zu dem Sicherungsschlitz 28, aber außerhalb des Kühlfluidkanals 24, wie gezeigt ein geeigneter Klebstoff 46 so vorgesehen, dass eine Fläche 48 an jeder Seite der Platte 42 benachbart zu dem Kühlfluidkanal 24 klebstofffrei ist. Wenn somit die Trägerplatte 42 an den U-förmigen Elementen 10 angebracht wird, stellt das in den Kühlfluidkanälen 24 strömende Kühlfluid direkten Kontakt mit der Platte 42 her und kann der Platte 42 effektiv Wärme entziehen. Alternativ kann um den Kühlfluidkanal 24 an den U-förmigen Elementen 10 ein Klebstoff aufgebracht werden, oder die U-förmigen Elemente 10 können direkt auf die Trägerplatte 42 gegossen werden, um die Notwendigkeit von Klebstoff zu umgehen oder zu verringern. Ferner wird ein geeigneter Klebstoff 50 verwendet, um eine Batteriezelle, wie etwa eine Lithiumbatterie-Beutelzelle, an der Platte 42 anzubringen, so dass sie damit in gutem Wärmekontakt steht. Somit wird von der Beutelzelle erzeugte Wärme von der Trägerplatte 42 gesammelt und durch das Kühlfluid entzogen.
3 zeigt die in 2 gezeigte modulare Anordnung 40 mit an beiden Seiten der Trägerplatte 42 durch den Klebstoff 50 angebrachten Lithiumbatterie-Beutelzellen 60. Eine elektrische Lasche 62 sieht eine elektrische Verbindung mit den Beutelzellen 60 vor.
4 ist eine perspektivische Ansicht der modularen Anordnung 40, die mehrere der Trägerplatten 42 und Beutelzellen 60 vor dem Einsetzen zwischen die U-förmigen Elemente 10 zeigt. Die U-förmigen Elemente 10 sind so zusammen verpackt, dass die Trägerplatten 42 in den Sicherungsschlitzen 28 der U-förmigen Elemente 10 positioniert sind. Die durch eine solche Anordnung erzeugte modulare Anordnung 40 lässt ein Kühlfluid durch die gestapelten U-förmigen Elemente 10 strömen und die Trägerplatten 42 kühlen, was wiederum die Beutelzellen 60 kühlt sowie den Beutelzellen 60 mechanische Stabilität liefert, die Beutelzellen 60 elektrisch isoliert und die Beutelzellen 60 gegenüber der Umgebung wärmeisoliert.
5 ist eine perspektivische Ansicht der modularen Anordnung 40, die mehrere der U-förmigen Elemente 10 aufeinander gestapelt zeigt. Der Klarheit halber sind die Trägerplatten 42 nicht gezeigt. Es kann eine beliebige Anzahl an U-förmigen Elementen 10, Trägerplatten 42 und Beutelzellen 60 verwendet werden, um die modulare Anordnung 40 zu erzeugen. Wenn die U-förmigen Elemente 10 aufeinander gestapelt sind, erzeugen die Öffnungen 22 und 26 einen Zirkulationspfad für das kontinuierliche Durchströmen des Kühlfluids, die mit den Öffnungen 44 der Trägerplatten 42 fluchten, wie vorstehend erläutert wurde, was dadurch das kontinuierliche Kühlen der Beutelzellen 60 des modularen Anordnungsgehäuses 40 ermöglicht. Flüssige Kühlmittel sind bevorzugt, da Flüssigkeiten die effektivsten Wärmeträger sind. Doch kann auch ein gasförmiges Kühlmittel verwendet werden.
Die modulare Anordnung 40 würde auch eine vordere und hintere Verkleidung (nicht gezeigt) umfassen, die durch Bolzen, die durch die Löcher eingeführt sind, an den U-förmigen Elementen 10 an den Enden angebracht sind. Ferner würde ein (nicht gezeigter) Deckel durch beliebige geeignete Mittel wie etwa Kleber an der Oberseite der Seitenabschnitte 12 und 14 angebracht sein. Die vordere und/oder hintere Verkleidung würden mit einem Dichtungsmittel an das erste/letzte U-förmige Element 10 abgedichtet werden und würden typischerweise an den Stellen der Öffnungen 22 und 26 Sammler vorsehen, die das Strömen von Kühlfluid von einem externen Schlauch in die und aus der Anordnung 40 ermöglichen. Die Kombination der U-förmigen Elemente 10, der vorderen Verkleidung, der hinteren Verkleidung und des Deckels würde dadurch einen Behälter festlegen, in dem die Batterie aufgenommen ist, wobei ein Kühlen der Batterie durch das Gehäuse selbst vorgesehen werden würde.
Die U-förmigen Elemente 10 sind vorteilhaft, da sie mehrere Funktionen übernehmen, wie etwa mechanische Stabilität und Wärmeübertragung. Durch Verwenden kostengünstiger Kunststoffelemente, die mit einfachen gestanzten Trägerplatten 42 zusammengebaut werden, wird die Anzahl an erforderlichen Teilen und Dichtungen gegenüber alternativen Konzepten mit flüssigkeitsgekühlten vollflächigen Platten und separaten Kunststoffgehäusen signifikant verringert.
Mehrere modulare Anordnungsgehäuse, jedes mit mehreren Beutelzellen 60, können elektrisch miteinander gekoppelt werden, was einen großen Leistungsbetrag ermöglicht, während einfache Handhabung und Herstellung beibehalten werden. Ferner können mehrere Abänderungen der Spritzgussauslegung der U-förmigen Elemente 10 vorgenommen werden, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen, wie etwa Mikrokanäle oder Verwirbelungslamellen in den Kühlfluidkanälen 24 der U-förmigen Elemente 10, um ein Mischen des Kühlmittels zu ermöglichen. Andere Abänderungen, die integriert werden könnten, umfassen Montagehilfen wie etwa Nocken und Plattenbefestigungsstifte für einfache Montage, Befestigungslöcher, um das Anbringen eines Deckels oder einer Abdeckung zu ermöglichen, und Leitlamellen für die Kühlfluid-Einlassöffnung und -Auslassöffnung oder andere Strömungsmerkmale, um mehr Strömung in ausgewählte Kühlfluidkanäle zu lenken. Teile der U-förmigen Elemente 10 können auch hohl sein, um sie leichter zu machen, um Wärmeisolierung vorzusehen und Stoßdämpfung zu ermöglichen. Stifte oder Aussparungen könnten für Deckel, Leiterplatten, Abstandsbolzen, Gewindefortsätze, Abdichthilfen und andere ähnliche Abänderungen vorgesehen werden.
6 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die eine alternative Ausführungsform eines U-förmigen Elements 70 für eine modulare Anordnung zeigt, die eine Batterie der vorstehend erläuterten Art aufnimmt. Das Element 70 umfasst einen Seitenabschnitt 72 und einen unteren Abschnitt 74, der einen Sicherungsschlitz 76 umfasst. In dem Sicherungsschlitz 76 ist ein Kühlfluidkanal 78 vorgesehen. Nahe dem unteren Rand des U-förmigen Elements 70 sind beide Einlass- und Auslassöffnungen 80 und 82 positioniert. Der Kühlfluidkanal 78 ähnelt einer „V”-Form, wenngleich eine Vielzahl von Auslegungen für den Kühlfluidkanal 78 verwendet werden können. Diese Auslegung lässt den Seitenabschnitt 72 nahe der Oberseite schmäler und am Boden breiter sein.
Analog könnte das U-förmige Element 70 an der Oberseite schmal sein, doch könnte sich die Öffnung 80 bei einer ovalförmigen Auslegung immer noch oben befinden, so dass die Breite der Öffnung 80 verringert wird und der Kühlfluidkanal 78 dennoch den Seitenabschnitt hinunter im Wesentlichen gerade sein kann. Alternativ könnte das U-förmige Element 70 wie vorstehend erläutert an der unteren Seite, entlang einer Seite oder entlang beiden Seiten einen Kühlfluidkanal aufweisen.
Die vorstehende Beschreibung offenbarte und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung und anhand der Begleitzeichnungen und Ansprüche mühelos erkennen, dass daran verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.

Claims

Modulare Anordnung zum Aufnehmen von Batteriezellen, wobei die Anordnung umfasst: mehrere U-förmige Elemente, wobei jedes U-förmige Element einen Sicherungsschlitz aufweisende gegenüberliegende Seitenabschnitte und einen Kühlfluidkanal mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung umfasst; mehrere wärmeleitende Trägerplatten, wobei jede Trägerplatte eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung umfasst, wobei jede Trägerplatte weiterhin zwischen gegenüberliegenden U-förmigen Elementen positioniert ist, so dass gegenüberliegende Seitenränder der Trägerplatte in dem Sicherungsschlitz in den Seitenabschnitten positioniert sind und die Einlassöffnung des Kühlfluidkanals mit der Einlassöffnung in der Trägerplatte fluchtet und die Auslassöffnung des Kühlfluidkanals mit der Auslassöffnung in der Trägerplatte fluchtet, wobei ein durch die Anordnung strömendes Kühlfluid durch die Kühlfluidkanäle in den U-förmigen Elementen und durch fluchtende Öffnungen in den U-förmigen Elementen strömt; und mehrere Batteriezellen, wobei eine separate Batteriezelle an und zwischen gegenüberliegenden Trägerplatten angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Trägerplatte aus Aluminium besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jede Batteriezelle eine Lithium-Beutelbatteriezelle ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jedes U-förmige Element mindestens ein Befestigungsloch umfasst, wobei die Befestigungslöcher fluchten und die U-förmigen Elemente durch mindestens einen Bolzen miteinander befestigt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die U-förmigen Elemente eine quadratische oder rechteckige Querschnittform aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jedes U-förmige Element ein einstückiges geformtes Kunststoffelement ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jedes U-förmige Element durch einen Klebstoff, durch Formen an die Trägerplatte oder eine Kombination davon an der Trägerplatte angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kühlfluidkanäle zum Mischen des Kühlfluids Mikrokanäle, Verwirbelungslamellen oder eine Kombination davon umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jede Batteriezelle durch einen Klebstoff an der Trägerplatte angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Einlass- und Auslassöffnungen in den U-förmigen Elementen an oberen und unteren Stellen der Seitenabschnitte befinden.