DE102011109969A1

DE102011109969A1 - Hochvolt-Batterie für alternative Antriebe

Info

Publication number: DE102011109969A1
Application number: DE201110109969
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk; Denis Thate
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Batterie mit einer Anzahl von Zellblöcken (1), wobei jeder Zellblock (1) eine Anzahl von Zellen (2) aufweist, ferner Rahmen (3) sowie eine Kühl- und/oder Heizplatte, ferner mit einer zwischen dieser und den Zellen (2) angeordneten Wärmeleitfolie. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich der einzelnen Kühl-/Heizplatte (7) elektrisch isolierend ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Batterie für alternative Anwendungen.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Zellen sind in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Zellen inkl. deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtung zur Kühlung/Heizung enthalten. Die Kühl- beziehungsweise Heizplatten werden direkt von einem Fluid durchflossen (Wasser, Klimamittel, Luft, ...) oder sind mit Kälte- oder Wärmequellen bestückt (Peltierelemente, Heizpads). Sie sind seitlich am Zellblock angeordnet und direkt (Kontakt zum Zellgehäuse oder zu den Zellpolen) oder indirekt (Kontakt zu den Zellverbindern oder zu Kühlstäben/Kühlblechen) mit den Zellen thermisch gekoppelt. Zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation ist zwischen Kühl- beziehungsweise Heizplatte und dem zu temperierenden Bauteil, welches in der Regel spannungsführend ist, wird eine Wärmeleitfolie angeordnet. Die Wärmeleitfolie besteht aus einem weichen und elastischen Kunststoff-Grundmaterial (z. B. Soft-Silikon), das mit gut wärmeleitfähigen Partikeln (Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid) gefüllt ist.
Ist die Wärmeleitfolie schmäler als das zu temperierende Bauteil, gibt deren Dicke am freien Rand die elektrische Isolations- und Kriechstrecke zwischen Kühl- beziehungsweise Heizplatte und dem zu kühlenden Bauteil vor (siehe 5). Da die Folien in der Regel dünn ausgeführt werden (Kosten, Gewicht, Bauraum, Wärmedurchgangswiderstand proportional zur Dicke) reicht die Isolations- und Kriechstrecke nicht aus, sodass diese das zu kühlende Bauteil vollständig überdecken muss, da sonst die Gefahr von Kurzschlüssen zur metallischen Kühl- beziehungsweise Heizplatte besteht. Somit ist auch eine Mindestbreite für die Kühl- beziehungsweise Heizplatte vorgegeben; sind die Zellen direkt zu temperieren, dann muss die Kühl- beziehungsweise Heizplatte breiter/höher als diese ausgeführt werden, auch wenn dies aus thermischen Gründen nicht erforderlich wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochvolt-Batterie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Die Heiz- beziehungsweise Kühlplatten sowie die Wärmeleitfolie beziehungsweise ein Wärmeleitkörper sollen frei bemessen werden können, ohne dass auf die Isolations- und Kriechstrecke zwischen Kühl- beziehungsweise Heizplatte und dem zu kühlenden Bauteil Rücksicht genommen werden muss.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß werden Maßnahmen getroffen, die Kühl- beziehungsweise Heizplatte in ihrem Randbereich elektrisch isolierend zu gestalten.
Damit erhöht sich die elektrische Isolations- beziehungsweise Kriechstrecke. Es ist nun möglich, die Breite der Kühl- beziehungsweise Heizplatten dem Bedarf anzupassen und diese schmaler als die Zellen beziehungsweise die zu kühlenden Bauteile auszuführen. Dadurch werden Bauraum, Gewicht und Kosten gespart.
Die Isolation wird zum Beispiel aus Kunststoff ausgeführt und kann an die Kühl- beziehungsweise Heizplatte gespritzt (Spritzgussverfahren), geklebt oder geclipst werden. Weiterhin denkbar sind faserverstärkte Kunststoffe (Sicherheit bei Brand, geringes Setzverhalten) oder Keramik. Eine besonders Bauraum sparende Möglichkeit ist, die Kühl- beziehungsweise Heizplatte zumindest an Rand und Kante mit einer isolierenden Schicht (Keramik, Eloxierung bei Alu-Kühlplatten, Lack) zu versehen.
Weiterhin kann genügend Isolations- beziehungsweise Kriechstrecke eingestellt werden, wenn die Wärmeleitfolie um die Kante der Kühl- beziehungsweise Heizplatte herum geführt wird. Diese Lösung erfordert kein zusätzliches Bauteil und ist somit besonders kostengünstig umsetzbar. Dazu ist denkbar, die Folie um die entsprechend ausgerundete Kante der Kühl- beziehungsweise Heizplatte zu führen (Vorzugslösung, da das Wärmeleitmaterial besonders kostengünstig in Folienform dargestellt werden kann) beziehungsweise die Wärmeleitfolie durch einen Formkörper (Spritzguss aus weichem Kunststoff-Grundmaterial mit Partikelfüllung) zu ersetzen, der wenigstens teilweise die Kante der Kühl- beziehungsweise Heizplatte isoliert.
Die elektrische Isolation kann gleichzeitig dazu dienen, die Kühl- beziehungsweise Heizplatte thermisch von den Nebenbauteilen abzukoppeln. So wird diese in Kunststoff ausgeführt und zum Beispiel in den Bereich der Druckbrillenauflage verlängert und verhindert, dass Kälte beziehungsweise Wärme an die Druckbrillen abfließt Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen Zellblock aus Pouchzellen in Explosionsdarstellung mit erfindungsgemäßen Isolationsleisten;
2 den Gegenstand von 1 in montiertem Zustand;
3 einen Ausschnitt aus dem Zellblock gemäß 1 mit einem Zellverbinder vor dem Verschweißen mit einer Zelle;
4 den Gegenstand von 3 nach Verschweißen der Zelle mit dem Zellverbinder;
5 einen Zellblock gemäß dem Stande der Technik mit Pouchzellen ohne Isolationsleisten an der Kühlplatte in einem Querschnitt (obere Darstellung) und in einer Ausschnittsvergrößerung (untere Darstellung);
6 einen Zellblock mit Pouchzellen und mit erfindungsgemäßen Isolationsleisten in einem Querschnitt;
7 in perspektivischer Darstellung und in Explosionsansicht eine Kühlplatte, Isolationsleisten sowie eine Wärmeleitfolie, und weiter unten die genannten Gegenstände nach dem Zusammenbau;
8 einen Zellblock mit Pouchzellen und erfindungsgemäßen Isolationsleisten in einem vergrößerten Ausschnitt, und zwar im Bereich der Anbindung der Kühlplatten an eine Druckbrille;
9 in der oberen Darstellung in Explosionsdarstellung einen teilweise montierten Zellblock, eine Zellverbinderplatine, eine Kühlplatte, eine Wärmefolie, und in der unteren Darstellung die genannten Gegenstände im montierten Zustand;
10 einen Zellblock mit prismatischen Zellen und Isolationsleisten am Rand der Kühlplatte in einem Querschnitt durch die Mitte der Zelle;
11 einen Zellblock mit prismatischen Zellen und Isolationsleisten am Rand der Kühlplatte in Explosionsdarstellung ohne Zellen, Spacer, Zellverbinderplatine und Wärmeleitfolie;
12 einen Zellblock mit prismatischen Zellen und einer Wärmeleitfolie, gebogen um die Kante der Kühlplatte in einem Querschnitt durch die Mitte der Zelle;
13 einen Zellblock mit prismatischen Zellen und mit einer Kühlplatte sowie mit einem um die Kante der Kühlplatte geführten wärmeleitenden Formkörper in einem Querschnitt durch die Mitte einer Zelle.
Die 1 bis 8 veranschaulichen eine erste konstruktive Ausführungsform eines Zellblocks 1 der Erfindung, ausgenommen 5, die den Stand der Technik veranschaulicht. Der Zellblock kann einer von mehreren Zellblöcken sein, die gemeinsam eine Hochvolt-Batterie bilden. Der Zellblock 1 weist jeweils Pouchzellen 2 auf. Deren elektrochemisch wirksamer Inhalt ist von einer folienartigen Verpackung umgeben, durch die Anschlüsse in Gestalt von Blechstreifen (sogenannte Ableiter) geführt sind. Die Zellen 2 sind in Rahmen 3 fixiert (Rahmen oder Abstandshalter, auch Spacer genannt), und hierdurch auf einen definierten gegenseitigen Abstand gebracht. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über U-förmige metallische Zellverbinder 4, die an den Rahmen 3 befestigt und mit den Ableitern 5 mittels Ultraschall-Schweißung oder Widerstands-Pressschweißung verbunden sind.
Über die Zellverbinder 4 wird gleichzeitig die Verlustwärme der einzelnen Zelle 2 geleitet und unter Zwischenschaltung eine Wärmeleitfolie 6 an eine Kühlplatte 7 abgegeben.
Die Kühlplatte ist mittels Schrauben 8 auf den jeweiligen Rahmen 3 aufgeschraubt. Der Randbereich der einzelnen Kühlplatte 7 ist mit einer Kunststoffisolation in Gestalt einer Isolationsleiste 9 versehen. Diese greift teilweise unter die Wärmeleitfolie 6 und erstreckt sich gleichzeitig in den Bereich der betreffenden Befestigungsschraube 8.
Die Isolation ist auch zwischen Kühlplatte 7 und Druckbrillen 10 angeordnet, sodass diese beiden Bauteile elektrisch voneinander getrennt sind.
Die Isolationsleisten 9 ermöglichen gleichzeitig die Verlängerung des Zellverbinders 4 über den Rand der Kühlplatte 7 hinaus, um hier zum Beispiel die Zellspannung abzugreifen – hier nicht dargestellt.
Die 9 bis 11 zeigen einen zweiten konstruktiven Ausführungsvorschlag an einem Zellblock 1 mit prismatischen Zellen 2. Die prismatischen Zellen 2 werden von beiden Seiten her gekühlt. Die beiden Pole einer jeden Zelle befinden sich an der Oberseite des metallischen Gehäuses. Sie sind durch die genannten Rahmen oder Spacer 3 aus Kunststoff auf Abstand gehalten und gegeneinander elektrisch isoliert. Die Kühlplatte 7 ist am Rande wiederum mit einer Kunststoffisolation in Rahmenform versehen. Siehe die obere Darstellung von 9. Hier sind Isolationsleisten 9 auf der Rückseite von Kühlplatte 7 angebracht und somit in der Figur nicht erkennbar. Die einzelne Isolationsleiste 9 greift im montierten Zustand nach innen partiell unter die Wärmeleitfolie 6. Sie bewirkt an den Stirnseiten der Kühlplatte 7 gleichzeitig eine thermische Abkopplung von der betreffenden Druckbrille 10.
Bekanntlich ist an dem Ende eines jeden Zellblockes 1 eine Druckbrille 10 vorgesehen. Zusammen mit Zugankern 11 bewirken die beiden Druckbrillen 10 ein Zusammenspannen der prismatischen Zellen 2 und der Rahmen 3.
12 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Zellblocks 1 mit prismatischen Zellen 2. Die Wärmeleitfolie 6 ist hierbei um Kanten der Kühlplatte 7 herumgeführt. Die Kanten sind gerundet.
Bei der Ausführungsform gemäß 13 ist statt der Folie ein etwas stärkerer wärmeleitfähiger Formkörper 6 vorgesehen. Dieser ist abgekröpft, sodass er den Randbereich der betreffenden Kühlplatte umhüllt.
Bezugszeichenliste

1: Zellblock
2: Pouchzelle
3: Rahmen (Spacer)
4: Zellverbinder
5: Ablüfter
6: Wärmeleitfolie
7: Kühlplatte
8: Schraube
9: Isolationsleiste
10: Druckbrille
11: Zuganker

Claims

Hochvolt-Batterie mit einer Anzahl von Zellblöcken (1), wobei jeder Zellblock (1) eine Anzahl von Zellen (2) aufweist, ferner Rahmen (3) sowie eine Kühl- und/oder Heizplatte, ferner mit einer zwischen dieser und den Zellen (2) angeordneten Wärmeleitfolie, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich der einzelnen Kühl-/Heizplatte (7) elektrisch isolierend ist.
Hochvolt-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Keramik oder aus einer Beschichtung gebildet ist.
Hochvolt-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich angeklebt, angespritzt, angeclipst ist.
Hochvolt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (6) um die Kanten der Kühl-/Heizplatte (7) herumgeführt wird und den Kantenbereich wenigstens teilweise einhüllt.
Hochvolt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmeleitfolie (6) und der Kühl-/Heizplatte (7) im Randbereich der Kühl-/Heizplatte (7) Isolationsleisten (9) angeordnet sind.
Hochvolt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (6) als massiver Körper mit abgekröpften Kantenbereichen ausgebildet ist, und dass die Kantenbereiche die betreffenden Kanten der Kühl-/Heizplatte umgreifen.
Hochvolt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Zellverbinder (4) über den Rand der Kühl-/Heizplatte (7) hinausgreifen, um die Zellspannung abzugreifen.