DE102012000871A1 - Zellengehäuse für elektrochemische Zellen zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers - Google Patents

Zellengehäuse für elektrochemische Zellen zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Ein Zellengehäuse (5) für eine elektrochemische Zelle (10) zum Aufbau eines elektrochemischen, vorzugsweise zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers ist im Wesentlichen starr ausgebildet und weist eine erste Gehäuseseitenwand (1) und eine der ersten Gehäuseseitenwand (1) gegenüberliegende zweite Gehäuseseitenwand (2) auf. Weiterhin weist die erste Gehäuseseitenwand (1) einen ersten Kühlmittelkanal (3) auf und weist die zweite Gehäuseseitenwand (2) einen zweiten Kühlmittelkanal (4) auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellengehäuse für elektrochemische Zellen zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers.
  • Als elektrochemische Energiespeicher sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher) bekannt, die aus einer oder mehreren Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten in chemische Energie umgewandelt und so gespeichert wird und in denen bei Anschließen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei werden Primärspeicher in der Regel nur ein Mal aufgeladen und nach ihrer Entladung entsorgt, während Sekundärspeicher mehrere (von einigen 100 bis über 10.000) Zyklen von Aufladung und Entladung erlauben. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass insbesondere im Kraftfahrzeugbereich auch Akkumulatoren als Batterien bezeichnet werden.
  • Einerseits kommt es in Batterien infolge von Lade- und Entladevorgängen zu einer Wärmeentwicklung, wobei die umgesetzte Wärme abzuführen ist, um einen Wärmestau zu vermeiden und eine für die Batterie optimale Betriebstemperatur aufrecht erhalten zu können. Andererseits kann es bei niedrigen Temperaturen vorteilhaft sein, die Betriebstemperatur der Batterie zu erhöhen, um die optimale Betriebstemperatur zu erreichen. Das Betreiben einer Batterie im Bereich der optimalen Betriebstemperatur verlängert deren Lebensdauer und verbessert die elektrische Effizienz.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbesserte Zellengehäuse für elektrochemische Zellen zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers und entsprechende verbesserte Batterien bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Zellengehäuse nach Anspruch 1 bzw. ein Batterie nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Zellengehäuse für eine elektrochemische Zelle zum Aufbau eines elektrochemischen, vorzugsweise zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers, wobei das Zellengehäuse im Wesentlichen starr ausgebildet ist und eine erste Gehäuseseitenwand und eine der ersten Gehäuseseitenwand gegenüberliegende zweite Gehäuseseitenwand aufweist, dadurch gelöst, dass die erste Gehäuseseitenwand einen ersten Kühlmittelkanal aufweist und dass die zweite Gehäuseseitenwand einen zweiten Kühlmittelkanal aufweist, im Zellengehäuse eine Kühlmittelströmungsverbindung von dem ersten Kühlmittelkanal der ersten Gehäuseseitenwand zu dem zweiten Kühlmittelkanal der zweiten Gehäuseseitenwand angeordnet ist. Ein allgemeiner Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass auf diese Weise die Anzahl der Teile für die Temperierung der elektrochemischen Zellen verringert werden und somit der Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers vereinfacht werden kann. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass z. B. Kühlplatten und/oder Wärmeleitfolien eingespart werden können. Ein anderer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers vereinfacht wird, da zwischen den elektrochemischen Zellen keine separate Kühlmittelleitung benötigt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der für die Temperierung der elektrochemischen Zellen erforderliche Bauraum verringert werden kann.
  • Unter einem „elektrochemischen Energiespeicher” soll vorliegend jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist wenigstens eine elektrochemische Zelle, bevorzugt mehrere elektrochemische Zellen auf. Die mehreren elektrochemischen Zellen können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.
  • Unter einer „elektrochemischen Zelle” ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wiederaufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern. Die Gestalt (d. h. insbesondere die Größe und die Geometrie) einer elektrochemischen Zeile kann abhängig von dem verfügbaren Raum gewählt werden. Bevorzugt ist die elektrochemische Zelle im Wesentlichen prismatisch oder zylindrisch ausgebildet.
  • Eine solche elektrochemische Zelle weist üblicherweise eine Elektrodenanordnung auf, die von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. In diesem Zusammenhang soll unter einer Elektrodenanordnung eine Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten verstanden werden. Der Elektrolyt kann teilweise von einem Separator aufgenommen sein, wobei der Separator dann die Elektroden trennt. Bevorzugt weist die Elektrodenanordnung mehrere Schichten von Elektroden und Separatoren auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektroden sind zum Beispiel plattenförmig oder folienartig ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenanordnung soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die Elektrodenanordnung kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.
  • Bevorzugt ist Kühlmittelströmungsverbindung die Kühlmittelströmungsverbindung an einem Ende des ersten Kühlmittelkanals und an einen anderem Ende des zweiten Kühlmittelkanals angeordnet. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ein besserer Kühlmittelfluss erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass aufgrund des Kühlmittelflusses durch die elektrochemische Zelle innerhalb eines abgedichteten Bereiches keine separaten Dichtungen oder Verschraubungen erforderlich sind.
  • Bevorzugt ist bei dem Zellengehäuse der erste Kühlmittelkanal im Wesentlichen mäanderförmig über nahezu die gesamte erste Gehäuseseitenwand ausgebildet ist. Weiterhin bevorzugt ist der zweite Kühlmittelkanal im Wesentlichen mäanderförmig über nahezu die gesamte zweite Gehäuseseitenwand ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine größere Kühlfläche für die elektrochemischen Zellen und ein geringerer Temperaturgradient in den elektrochemischen Zellen erreicht werden kann.
  • Bevorzugt sind bei dem Zellengehäuse der erste Kühlmittelkanal und der zweite Kühlmittelkanal symmetrisch ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers vereinfacht wird.
  • Bevorzugt ist bei dem Zellengehäuse die erste Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses zur Anlage an eine erste Gehäuseseitenwand eines benachbart angeordneten Zellengehäuses ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist die zweite Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses zur Anlage an eine zweite Gehäuseseitenwand eines benachbart angeordneten Zellengehäuses ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die mechanische Verbindung der elektrochemischen Zellen verbessert werden kann.
  • Bevorzugt ist bei dem Zellengehäuse der erste Kühlmittelkanal derart ausgebildet, dass bei einer Verbindung der ersten Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses mit einer ersten Gehäuseseitenwand des benachbart angeordneten Zellengehäuses ein gemeinsamer Kühlmittelkanal gebildet wird. Weiterhin bevorzugt ist der zweite Kühlmittelkanal derart ausgebildet, dass bei einer Verbindung der zweiten Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses mit der zweiten Gehäuseseitenwand des benachbart angeordneten Zellengehäuses ein gemeinsamer Kühlmittelkanal gebildet wird. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ein verbesserter Kühlmittelfluss bewirkt werden kann.
  • Bevorzugt weist bei dem Zellengehäuse die erste Gehäuseseitenwand ein erstes Dichtungsteil auf, welches den ersten Kühlmittelkanal umgibt, wobei das erste Dichtungsteil des einen Zellengehäuses zur Verbindung mit einem ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses ausgebildet ist. Weiterhin bevorzugt weist die zweite Gehäuseseitenwand ein zweites Dichtungsteil auf, welches den zweiten Kühlmittelkanal umgibt, wobei das zweite Dichtungsteil des einen Zellengehäuses zur Verbindung mit einem zweiten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses ausgebildet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Abdichtung der Kühlmittelkanäle verbessert werden kann.
  • Bevorzugt weist bei dem Zellengehäuse das erste Dichtungsteil eine den ersten Kühlmittelkanal umgebende erste Nut auf. Weiterhin bevorzugt weist das zweite Dichtungsteil eine den zweiten Kühlmittelkanal umgebende zweite Nut auf. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine besonderes stabile Abdichtung bewirkt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Batterie mit mindestens zwei elektrochemischen Zellen dadurch gelöst, dass die elektrochemischen Zellen die vorstehend beschriebenen Zellengehäuse aufweisen und derart angeordnet sind, dass jeweils die erste Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses mit der ersten Gehäuseseitenwand des benachbart angeordneten Zellengehäuses verbunden ist und/oder dass jeweils die zweite Gehäuseseitenwand des einen Zellengehäuses mit der zweiten Gehäuseseitenwand des benachbart angeordneten Zellengehäuses verbunden ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der Aufbau der Batterie vereinfacht werden kann.
  • Bevorzugt liegt bei der Batterie jeweils das erste Dichtungsteil des einen Zellengehäuses an dem ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses an und ist in die erste Nut des ersten Dichtungsteils des einen Zellengehäuses und/oder in die erste Nut des ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses ein Dichtungsband eingebracht. Weiterhin bevorzugt liegt jeweils das zweite Dichtungsteil des einen Zellengehäuses an dem zweiten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses an und ist in die zweite Nut des zweiten Dichtungsteils des einen Zellengehäuses und/oder in die zweite Nut des zweiten Dichtungsteils des benachbart angeordneten Zellengehäuses ein Dichtungsband eingebracht. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass insbesondere bei einer Reihenschaltung der elektrochemischen Zellen der Kühlmittelfluss und die Kühlung verbessert werden kann.
  • Besonders bevorzugt weist das Dichtungsband mindestens einen vorkomprimierten Bandbestandteil auf, der nach Einbringen in die Nut, vorzugsweise langsam expandiert. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Abdichtung der Kühlkanäle verbessert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Verbindung benachbarter Zellengehäuse verbessert werden kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Zellengehäuses nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht,
  • 2 eine erste Detaildarstellung zu dem in der 1 gezeigten Zellengehäuse,
  • 3 eine zweite Detaildarstellung zu dem in der 1 gezeigten Zellengehäuse und
  • 4 eine schematische Darstellung zu einer Anordnung der Zellengehäuse beim Aufbau einer Batterie.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zellengehäuses 5 für eine elektrochemische Zelle 10 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht. Das Zellengehäuse 5 weist eine erste Gehäuseseitenwand 1 auf, in die ein erster Kühlmittelkanal 3 mäanderförmig eingebracht ist. An einem Ende des ersten Kühlmittelkanals 3 ist eine Kühlmittelströmungsverbindung 6 zu einem zweiten Kühlmittelkanal auf einer zweiten Gehäuseseitenwand angeordnet. Weiterhin führen ein erster Ableiter 13 und ein zweiter Ableiter 14 aus dem Zellengehäuse 5 heraus.
  • 2 zeigt eine erste Detaildarstellung zu dem in der 1 gezeigten Zellengehäuse 5, bei der die der zweite Kühlmittelkanal 4 und die zweite Gehäuseseitenwand 2 mit einem zweiten Dichtungsteil 8, das eine zweite Nut 12 aufweist, sowie ein erstes Dichtungsteil 7 auf der ersten Gehäuseseitenwand 1 zu erkennen sind, wobei das erste Dichtungsteil 7 eine erste Nut 11 aufweist. Bei einer Stapelung und einer anschließenden Verspannung der Zellengehäuse können die Kühlkanäle auf den Gehäuseseitenwänden nach außen besonders sicher abgedichtet werden.
  • 3 zeigt eine zweite Detaildarstellung zu dem in der 1 gezeigten Zellengehäuse 5, bei der zu erkennen ist, dass die Kühlmittelströmungsverbindung 6 von einem Ende des ersten Kühlmittelkanals 3 auf der ersten Gehäuseseitenwand 1 durch das Innere der elektrochemischen Zelle 10 innerhalb eines abgedichteten Bereiches zu einem Ende des zweiten Kühlmittelkanals auf der zweiten Gehäuseseitenwand 2 führt.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung zu einer Anordnung der Zellengehäuse 5, 5' der benachbart angeordneten elektrochemischen Zellen 10, 10' beim Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers. Mit einer abwechselnd gedrehten Anordnung der elektrochemischen Zellen 10, 10' wird eine Reihenschaltung bewirkt, wobei der Kühlmittelstrom über die Kühlmittelkanäle und die Kühlmittelströmungsverbindungen von einer elektrochemischen Zelle zu nächsten geführt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erste Gehäuseseitenwand
    2
    zweite Gehäuseseitenwand
    3
    erster Kühlmittelkanal
    4
    zweiter Kühlmittelkanal
    5
    Zellengehäuse
    6
    Kühlmittelströmungsverbindung
    7
    erstes Dichtungsteil
    8
    zweites Dichtungsteil
    10
    elektrochemische Zelle
    11
    erste Nut
    12
    zweite Nut
    13
    erster Ableiter
    14
    zweiter Ableiter

Claims (11)

  1. Zellengehäuse (5) für eine elektrochemische Zelle (10) zum Aufbau eines elektrochemischen, vorzugsweise zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers, wobei das Zellengehäuse (5) im Wesentlichen starr ausgebildet ist und eine erste Gehäuseseitenwand (1) und eine der ersten Gehäuseseitenwand (1) gegenüberliegende zweite Gehäuseseitenwand (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseseitenwand (1) einen ersten Kühlmittelkanal (3) aufweist und dass die zweite Gehäuseseitenwand (2) einen zweiten Kühlmittelkanal (4) aufweist, und dass weiterhin in dem Zellengehäuse (5) eine Kühlmittelströmungsverbindung (6) von dem ersten Kühlmittelkanal (3) der ersten Gehäuseseitenwand (1) zu dem zweiten Kühlmittelkanal (4) der zweiten Gehäuseseitenwand (2) angeordnet ist.
  2. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelströmungsverbindung (6) an einem Ende des ersten Kühlmittelkanals (3) und an einem anderen Ende des zweiten Kühlmittelkanals (4) angeordnet ist.
  3. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkanal (3) im Wesentlichen mäanderförmig über nahezu die gesamte erste Gehäuseseitenwand (1) ausgebildet ist und/oder dass der zweite Kühlmittelkanal (4) im Wesentlichen mäanderförmig über nahezu die gesamte zweite Gehäuseseitenwand (2) ausgebildet ist.
  4. Zellengehäuse (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkanal (3) und der zweite Kühlmittelkanal (4) symmetrisch ausgebildet sind.
  5. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseseitenwand (1) des einen Zellengehäuses (5) zur Anlage an eine erste Gehäuseseitenwand eines benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ausgebildet ist und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gehäuseseitenwand (2) des einen Zellengehäuses (5) zur Anlage an eine zweite Gehäuseseitenwand (2') eines benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ausgebildet ist.
  6. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkanal (3) derart ausgebildet ist, dass bei einer Verbindung der ersten Gehäuseseitenwand (1) des einen Zellengehäuses (5) mit einer ersten Gehäuseseitenwand (1') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ein gemeinsamer Kühlmittelkanal gebildet wird und/oder dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkanal (4) derart ausgebildet ist, dass bei einer Verbindung der zweiten Gehäuseseitenwand (2) des einen Zellengehäuses (5) mit der zweiten Gehäuseseitenwand (2') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ein gemeinsamer Kühlmittelkanal gebildet wird.
  7. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäuseseitenwand (1) ein erstes Dichtungsteil (7) aufweist, welches den ersten Kühlmittelkanal (3) umgibt, wobei das erste Dichtungsteil (7) des einen Zellengehäuses (5) zur Verbindung mit einem ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ausgebildet ist und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gehäuseseitenwand (2) ein zweites Dichtungsteil (8) aufweist, welches den zweiten Kühlmittelkanal (4) umgibt, wobei das zweite Dichtungsteil (8) des einen Zellengehäuses (5) zur Verbindung mit einem zweiten Dichtungsteil (8') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ausgebildet ist.
  8. Zellengehäuse (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtungsteil (7) eine den ersten Kühlmittelkanal (3) umgebende erste Nut (11) aufweist und/oder dass das zweite Dichtungsteil (8) eine den zweiten Kühlmittelkanal (4) umgebende zweite Nut (11) aufweist.
  9. Batterie mit mindestens zwei elektrochemischen Zellen (10, 10'), welche Zellengehäuse (5, 5') nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemischen Zellen (10, 10') derart angeordnet sind, dass jeweils die erste Gehäuseseitenwand (1) des einen Zellengehäuses (5) mit der ersten Gehäuseseitenwand des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') verbunden ist und/oder dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die zweite Gehäuseseitenwand (2) des einen Zellengehäuses (5) mit der zweiten Gehäuseseitenwand (2') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') verbunden ist.
  10. Batterie nach Anspruch 9 in Abhängigkeit von Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das erste Dichtungsteil (7) des einen Zellengehäuses (5) an dem ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') anliegt und dass in die erste Nut (11) des ersten Dichtungsteils (7) des einen Zellengehäuses (5) und/oder in die erste Nut des ersten Dichtungsteil des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ein Dichtungsband eingebracht ist und/oder dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das zweite Dichtungsteil (8) des einen Zellengehäuses (5) an dem zweiten Dichtungsteil (8') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') anliegt und dass in die zweite Nut (12) des zweiten Dichtungsteils (8) des einen Zellengehäuses (5) und/oder in die zweite Nut (12') des zweiten Dichtungsteils (8') des benachbart angeordneten Zellengehäuses (5') ein Dichtungsband eingebracht ist.
  11. Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsband mindestens einen vorkomprimierten Bandbestandteil aufweist, der sich nach Einbringen in die erste Nut (11) und/oder nach Einbringen in die zweite Nut (12) ausdehnt.
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