DE102011118686B4

DE102011118686B4 - Batterie mit aktiv gekühlter Stromschiene, Verfahren zur Kühlung der Stromschiene, Verwendung der Batterie, Fahrzeug und Stromschiene

Info

Publication number: DE102011118686B4
Application number: DE102011118686.0A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schmidt; Michael Hinterberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: DE102011118686A1

Abstract

Batterie (1) mit einer Mehrzahl an Batterieeinzelzellen (2) deren Pole (3, 4) mittels wenigstens einer Stromschiene (5) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Stromschiene (5) von einem Kühlmittel durchströmbar ist und Anschlusselemente (6, 7) zum Zu- und Abströmen des Kühlmittels aufweist, wobei die Stromschiene (5) in ihrem Inneren eine poröse Struktur aufweist, die von dem Kühlmittel durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit aktiv gekühlter Stromschiene, Verfahren zur Kühlung der Stromschiene, Verwendung der Batterie, Fahrzeug und Stromschiene.
In den vergangenen Jahren wurden Batterien, wie z. B. Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-basierte Batterien als Energiequelle zum Antrieb von Automobilen, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, in Gebrauch genommen. In derartigen Fahrzeugen werden Hochvoltbatterien im Spannungsbereich von üblicher Weise zwischen 250 V und 600 V eingesetzt. Derartige Spannungen werden gewählt, um die beim Antrieb eines Fahrzeugs erforderliche Leistung mit möglichst geringem Strom und damit verbunden einem möglichst geringen Leitungsquerschnitt der von und zur Batterie führenden elektrischen Leiter zu ermöglichen.
Da eine Batterieeinzelzelle eine vergleichsweise niedrige Spannung aufweist, beispielsweise 3,7 V bei einer auf Lithium-basierten Batterieeinzelzelle, müssen eine Vielzahl an Batterieeinzelzellen in Reihe geschaltet werden, um eine Batterie mit der oben erwähnten Spannung zu erhalten. Gruppen von in Reihe geschalteten Batterieeinzelzellen können des Weiteren auch parallel miteinander verschaltet sein. Die jeweiligen Pole derartiger in Reihe und/oder parallel verschalteter Batterieeinzelzellen sind üblicherweise mit einer Stromschiene elektrisch miteinander verbunden, die in der Lage ist, auch größere Ströme zu übertragen.
Bei Verwendung einer derartigen Batterie, z. B. zum Antrieb eines Fahrzeugs, werden die Batteriezellen entladen. Dabei entsteht Verlustwärme, die zu einer Erwärmung der Batterieeinzelzellen und somit auch der gesamten Batterie führt. Gleiches gilt bei dem umgekehrten Vorgang der (Wieder-)Aufladung der Batterie. Hierdurch besteht die Gefahr, dass sich die Eigenschaften der Batterie verschlechtern.
Daher ist es bekannt, derartige Batterien mittels einer Kühleinrichtung zu kühlen. Hierbei wird angestrebt, bei allen Batterieeinzelzellen möglichst die gleiche Temperatur zu erreichen, um so sicherzustellen, dass der Alterungsprozess bei allen Batterieeinzelzellen einer Batterie möglichst gleichmäßig erfolgt.
Neben der Kühlung der Batterie bzw. der Batterieeinzelzellen an sich ist es auch bekannt, stromführende Bauteile der Batterie sowie die daran elektrisch angeschlossene Leistungselektronik zu kühlen.
Aus der DE 10 2009 035 494 A1 ist eine Batterie bekannt, bestehend aus einer Vielzahl von bipolaren Batteriezellen, welche so ausgebildet sind, dass sich zwei elektrische Pole ausbilden, mit einer Kühleinrichtung, welche im Wesentlichen flächig ausgebildet ist, wobei zumindest einige der Batteriezellen in thermischen Kontakt mit der Kühleinrichtung stehen, und wobei die Kühleinrichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material und einer der Pole in elektrischen Kontakt zu der Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Aus der DE 10 2009 035 458 A1 ist eine Batterie bekannt, bestehend aus einer Vielzahl von runden Batterieeinzelzellen, mit einer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmittel durchströmbaren Kühlvorrichtung in Form einer Kopfkühlung und einer darüber angeordneten Platine, wobei elektrische oder elektronische Bauteile über Stromanschlüsse, die vom Randbereich der Platine ausgehen und nicht mehr der Platine zuzuordnen sind, in einen Hochvoltstromkreis eingebunden sind. Diese peripheren Stromanschlüsse befinden sich in zumindest indirektem Kontakt mit der Kühlvorrichtung.
Aus der DE 10 2010 004 471 A1 ist eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung bekannt, bei der eine oder mehrere Stromführungseinrichtungen/Zellkontakteinrichtungen wärmeleitend mit einer oder mehreren Wärmeaustauschereinrichtungen verbunden ist. Bei den Wärmeaustauschervorrichtungen handelt es sich um einen Kühlkörper und/oder eine Einrichtung mit Fluidkanälen, welche zumindest eine Stromführungseinrichtung/Zellkontakteinrichtung flächig berühren.
Aus der DE 10 2009 058 632 A1 ist eine Busbarplatte für eine Batterie mit einzelnen Zellen bekannt, umfassend eine Grundplatte aus einem polymeren Material und Stromschienen zur Kontaktierung von Polanschlüssen der Zellen. Des Weiteren hat die Busbarplatte die Aufgabe, die Kontaktierung der Leistungselektronik der Zellen herzustellen. Optional kann die Busbarplatte eine Kühlung der Zellen mittels einer Kontaktkühlung über die Kontakte der Leistungselektronik realisieren, welche die Stromschienen umfasst.
Aus der DE 10 2009 011 659 A1 ist eine Batterieeinheit für Fahrzeuge bekannt, enthaltend eine Anzahl von Batterien, die so installiert ist, dass deren Anschlüsse in dieselbe Richtung weisen, wobei die Richtung, in welcher Paare von Anschlüssen weisen, in derselben Richtung orientiert ist und die Batterien elektrisch mit Strom- oder Sammelschienen verbunden sind. Ein Kühlmittel, beispielsweise Luft, ein von Luft verschiedenes Gas, ein anderes Strömungsmittel oder eine Flüssigkeit, strömt in einer Richtung, in welcher die Paare von Anschlüssen verbunden sind und kühlt die Anschlüsse oder die Strom- und Sammelschienen. Zur Vermeidung des Risikos eines Kurzschlusses zwischen den Sammel- oder Stromschienen für den Fall, dass die Strom- oder Sammelschienen mit Feuchtigkeit benetzt worden sind, das in dem Kühlmittel enthalten ist, oder wenn sich eine Fremdsubstanz in das Kühlmittel gemischt hat, sind zusätzliche Isolationsmaßnahmen vorgesehen.
Und die JP 2011029103 A beschreibt eine Kühlvorrichtung für eine Batterie zum Kühlen einer Mehrzahl an Lithium-Ionen-Batterien, deren Pole miteinander durch elektrisch leitende Verbinder verbunden sind, wobei in den elektrisch leitenden Verbindern ein isolierter Durchgang für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, die Durchgänge mit einer isolierten Rohrleitung miteinander verbunden sind und durch die Verbinder und die Rohrleitung eine Kühlflüssigkeit mittels einer Umwälzpumpe gepumpt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und einen einfacheren Aufbau einer Batterie, insbesondere eine einfachere und effektivere Kühlung der Stromschienen zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie weist eine Mehrzahl an Batterieeinzelzellen auf, deren Pole mittels wenigstens einer Stromschiene elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Stromschiene von einem Kühlmittel durchströmbar ist und Anschlusselemente zum Zu- und Abströmen des Kühlmittels aufweist. Die erfindungsgemäße Batterie ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Hierdurch wird in erfinderischer Weise erreicht, dass die Stromschienen nicht nur zur Stromleitung, sondern auch gleichzeitig als Kühlelement verwendet werden, wodurch sich ein erheblich vereinfachter Aufbau in Vergleich zu vorbekannten Batterien ergibt.
Bei metallischen Leitern sinkt die elektrische Leitfähigkeit bzw. steigt der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur. Ein erhöhter spezifischer Widerstand hat wiederum die Erhöhung der Temperatur des metallischen Leiters zur Folge, wodurch der spezifische Widerstand weiter ansteigt. Durch die Kühlung von Stromschienen sowie gegebenenfalls daran elektrisch angeschlossener Leistungselektronik kann diesem nachteiligen Effekt entgegengewirkt werden.
Um die Temperatur der Stromschiene der erfindungsgemäßen Batterie möglichst effizient zu senken, d. h. um die Wärme des Materials der Stromschiene möglichst effizient auf das im Inneren der Stromschiene strömende Kühlmittel übertragen zu können, ist es von Vorteil, wenn das Material der Stromschiene nicht nur gut elektrisch, sondern auch gut wärmeleitend ist. Daher ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Stromschiene aus einem sowohl elektrisch als auch thermisch gut leitendem, metallischen Material, vorzugsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Konzept, eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batterieeinzelzellen vorzusehen, deren Pole mit einer Stromschiene verbunden sind, durch deren Inneres ein Kühlmittel durchströmbar ist, ist in besonders vorteilhafter Weise bei einer Batterie realisierbar, deren Batterieeinzelzellen als Rundzellen ausgebildet sind. Bei derartigen Rundzellen können die Pole einer jeden Rundzelle entweder auf der gleichen Seite herausgeführt sein, oder an gegenüberliegenden Seiten. Entsprechend der jeweiligen Ausgestaltung der Rundzelle wird eine geeignete Verbindung der Pole mit der/den Stromschiene(n) gewählt.
Das erfindungsgemäße Konzept ist in vorteilhafter Weise bei Batterien anwendbar, deren Batterieeinzelzellen in Serie verschaltet sind, bei Batterien, deren Batterieeinzelzellen parallel verschaltet sind, sowie bei Batterien, bei denen eine Kombination aus in Reihe und parallel verschalteten Batterieeinzelzellen oder Gruppen hiervon vorhanden sind.
Bezüglich des durch die Stromschiene hindurchströmbaren Kühlmittels bestehen keine besondere Anforderungen, und es können alle bekannten und hierfür geeigneten Kühlmittel verwendet werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kühlmittel Wasser, Kohlendioxyd oder ein Fluorkohlenwasserstoff ist oder enthält. Unter sicherheitstechnischen Aspekten sollten möglichst solche Kühlmittel verwendet werden, die selbst keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise das oben erwähnte Kohlendioxid oder ein Fluorkohlenwasserstoff. Bei Kühlmitteln, die selbst eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise Wasser, ist darauf zu achten, dass die einzelnen Wasserkreisläufe voneinander isoliert ausgeführt sind.
Das Kühlmittel kann entweder gasförmig und/oder in flüssiger Form die Stromschiene durchströmen, wobei ein Wärmeaustausch vom Material der Stromschiene zum Kühlmittel hin erfolgt. Erfindungsgemäß kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein flüssiges Kühlmittel im Inneren der Stromschiene verdampfbar ist. Durch die herbei entstehende Verdunstungskälte kann gegebenenfalls ein noch höherer Temperaturgradient zwischen dem Material der Stromschiene und dem Kühlmittel innerhalb der Stromschiene erreicht werden.
Bei Verwendung von z. B. Luft oder Wasser als Kühlmittel besteht in einfacher Weise die Möglichkeit, dieses nach erfolgtem Wärmeaustausch einfach durch ein neues entsprechendes Kühlmittel zu ersetzen. So kann beispielsweise Luft durch eine entsprechende Vorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, durch die Stromschiene gepumpt werden und nach Austritt aus der Stromschiene an die Atmosphäre abgegeben werden. In vielen Fällen wird es jedoch vorteilhafter sein, das Kühlmittel in einem Kühlkreislauf zu führen.
Daher ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Stromschiene mit einer Kühleinrichtung in fluider Verbindung steht. Eine derartige Kühleinrichtung umfasst beispielsweise einen Kühlkreislauf und einen Wärmetauscher, welcher die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme an die Umgebung abgibt. Auch kann der Kühlkreislauf mit einer Kältemaschine verbunden sein, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine, wie sie auch für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Somit ist es möglich, in vorteilhafter Weise die Kühlleistung der in vielen Kraftfahrzeugen bereits serienmäßig vorhandenen Klimaanlage zur Kühlung eines in der/den Stromschiene(n) der erfindungsgemäßen Batterie zirkulierenden Kühlmittels zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Kühlung einer Stromschiene einer Batterie, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert ist, zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch die Stromschiene ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel geleitet wird, oder ein flüssiges Kühlmittel im Inneren der Stromschiene verdampft wird. Durch dieses Verfahren wird in besonders einfacher Weise eine Kühlung der Stromschienen von Batterien ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Batterie eignet sich in besonderer Weise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybrid-Fahrzeugs. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug, das eine erfindungsgemäße Batterie als Energiequelle für seinen Antrieb aufweist, kann preiswerter hergestellt werden und weist eine höhere Zuverlässigkeit auf, als bisher bekannte entsprechende Fahrzeuge.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich, wenn die Batterieeinzelzellen der Batterie bei deren Verwendung so angeordnet sind, dass die Anschlüsse der Pole der Batterieeinzelzellen sich oben auf den Batterieeinzelzellen befinden. In diesem Fall befinden sich auch die von einem Kühlmittel durchströmten Stromschienen auf der Oberseite der Batterie.
Verlustwärme, die in den Batterieeinzelzellen bei deren Ent- bzw. Aufladung entsteht, steigt aufgrund von Konvektion von dem unteren Bereich der Batterieeinzelzellen zu deren oberen Bereich und damit auch in den Bereich, in dem die Anschlüsse der Pole und die Stromschienen angeordnet sind. Zumindest ein Teil dieser Wärme kann durch das Material der Stromschiene hindurch von dem durch diese hindurchströmenden Kühlmittel aufgenommen und abtransportiert werden. Somit trägt die aktive Kühlung der Stromschienen in der erfindungsgemäßen Batterie auch dazu bei, innerhalb der Batterieeinzelzellen eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, wodurch die Gefahr von unterschiedlich raschen Alterungsprozessen innerhalb einer Batterieeinzelzelle oder zwischen verschiedenen Batterieeinzelzellen verringert wird, was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Batterie auswirkt.
Durch die Kühlung der Stromschiene wird weiter ein niedriger spezifischer Widerstand innerhalb der Stromschiene sowie von weiteren elektrischen Leitern und elektronischen Bauteilen sichergestellt, die sich in unmittelbarem oder auch nur mittelbarem Takt zu der Stromschiene befinden. Dies trägt dazu bei, den Gesamtwirkungsgrad der Batterie zu erhöhen und wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der mit der Stromschiene unmittelbar und mittelbar verbundenen elektronischen Bauteile aus.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie, sowie deren Verwendung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert werden. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich zu näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, nicht jedoch zur Einschränkung des beanspruchten Schutzumfangs.
Dabei zeigen:
1 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie mit serieller Verschaltung;
2 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie mit paralleler Verschaltung
Innerhalb der beiden Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1 mit einer Mehrzahl an Batterieeinzelzellen 2, deren Plus- und Minus-Pole 3, 4 auf einer Seite einer jeden Batterieeinzelzelle 2 angeordnet sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit serieller Verschaltung sind jeweils der Plus-Pol 3 einer Batterieeinzelzelle 2 mit dem Minus-Pol 4 der nächsten Batterieeinzelzelle 2 über eine Stromschiene 5 miteinander elektrisch verbunden.
Jede der Stromschienen weist zwei Anschlusselemente 6, 7 auf, durch die Kühlmittel zu- und abströmen kann. Sofern das Kühlmittel keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und ausreichende Vorkehrungen gegen einen Kurzschluss getroffen sind, können die Kühlmittel der Stromschienen in einem gemeinsamen Kühlmittel-Kreislauf geführt werden oder die Zu- und Abström-Anschlusselemente 6, 7 in geeigneter Weise miteinander verbunden sein. So können je nach abzuführender Wärme beispielsweise alle Zu- und Abström-Anschlusselemente 6, 7 in Reihe miteinander verbunden sein, oder jeweils nur eine vorgebbare Anzahl. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Kühlmittel in den Stromschienen eine zulässige Höchsttemperatur nicht überschreitet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1 mit einer Mehrzahl (wie im Beispiel 1 lediglich zur Vereinfachung der graphischen Darstellung auf einige wenige beschränkt) an Batterieeinzelzellen 2, deren Plus- und Minus-Pole 3, 4 an gegenüberliegenden Seiten jeder der Batterieeinzelzellen 2 angeordnet sind. Die Batterieeinzelzellen 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel parallel miteinander verschaltet.
Der Plus- und die Minus-Pole 3, 4 der Batterieeinzelzellen 2 sind jeweils mit einer Stromschiene 5 elektrisch miteinander verbunden. Jede der Stromschienen weist Anschlusselemente 6, 7 auf, durch die Kühlmittel zu- und abströmen kann.
Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann auch hier das Kühlmittel der beiden Stromschienen gegebenenfalls in einem einzigen geeigneten Kühlmittel-Kreislauf geführt werden. Auch kann, hier nicht graphisch dargestellt, jede der Stromschienen mehrere Anschlusselemente 6, 7 aufweisen, um so an verschiedenen Stellen das Abströmen von erwärmten und das Zuströmen von frischem Kühlmittel zu ermöglichen.
In den Figuren ebenfalls nicht dargestellt sind die zum Strömen, gegebenenfalls Verdampfen, wieder Abkühlen, und Kondensieren des Kühlmittels etc. erforderlichen Vorrichtungen, wie Pumpen, Verdampfer, Kompressoren, etc. Die verschiedenen Möglichkeiten zur Ausgestaltung derartiger periphere Vorrichtungen ist dem Fachmann bekannt.

Claims

Batterie (1) mit einer Mehrzahl an Batterieeinzelzellen (2) deren Pole (3, 4) mittels wenigstens einer Stromschiene (5) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Stromschiene (5) von einem Kühlmittel durchströmbar ist und Anschlusselemente (6, 7) zum Zu- und Abströmen des Kühlmittels aufweist, wobei die Stromschiene (5) in ihrem Inneren eine poröse Struktur aufweist, die von dem Kühlmittel durchströmbar ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Stromschiene (5) aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist; b) die Batterieeinzelzellen (2) als Rundzellen ausgebildet sind; und/oder c) die Batterieeinzelzellen (2) in Reihe und/oder parallel verschaltet sind.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass d) das Kühlmittel ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid ist; e) das Kühlmittel Luft, Wasser, Kohlendioxid oder ein Fluorkohlenwasserstoff ist oder enthält; und/oder f) das Kühlmittel im Inneren der Stromschiene (5) verdampfbar ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (5) mit einer Kühleinrichtung in fluider Verbindung steht.
Batterie (1) nach Anspruch 4, wobei die Kühleinrichtung einen Kühlkreislauf und einen Wärmetauscher umfasst.
Verfahren zur Kühlung einer Stromschiene (5) einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch das Innere der Stromschiene (5) ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel geleitet, oder ein flüssiges Kühlmittel im Inneren der Stromschiene (5) verdampft wird.
Verwendung einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybrid-Fahrzeugs.
Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Stromschiene (5) zum Verbinden von Polen (3, 4) einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen (2) einer Batterie (1), wobei die Stromschiene (5) Anschlusselemente (6, 7) zum Zu- und Abströmen eines Kühlmittels und in Ihrem Inneren eine poröse Struktur aufweist, die von dem Kühlmittel durchströmbar ist.
Stromschiene (5) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.