DE102012018339B4

DE102012018339B4 - Batterie und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012018339B4
Application number: DE201210018339
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Jörg Schmidt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-09-15
Filing date: 2012-09-15
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2032-09-16
Also published as: DE102012018339A1

Abstract

Batterie, umfassend mehrere elektrochemische Einzelzellen, die jeweils einen Zellmantel mit prismatischem Querschnitt und einen darin angeordneten Wärmeleitstab aufweisen, um den ein Zellwickel gewickelt oder der von einem Zellstapel umgeben ist, sowie eine Wärmeleitplatte, auf der die Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Wärmeleitstäbe (5, 9, 11) der Einzelzellen (1, 8, 10, 16) stoffschlüssig mit der Wärmeleitplatte (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wärmeleitstäbe (11) ein in den Wärmeleitstab (11) eingesetztes Peltier-Element (12) zur Temperierung der Einzelzellen (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend mehrere elektrochemische Einzelzellen, die jeweils einen Zellmantel mit prismatischem Querschnitt und einen darin angeordneten Wärmeleitstab aufweisen, um den ein Zellwickel gewickelt oder der von einem Zellstapel umgeben ist, sowie eine Wärmeleitplatte, auf der die Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Wärmeleitstäbe der Einzelzellen stoffschlüssig mit der Wärmeleitplatte verbunden sind.
In Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge werden zunehmend Batterien mit elektrochemischen Einzelzellen verwendet, bei denen es sich primär um Lithium-Ionen-Zellen handelt. Für derartige Einzelzellen sind hauptsächlich drei verschiedene Bauformen gebräuchlich, nämlich eine Rundzelle, eine prismatische Zelle und eine Pouchzelle. Die prismatische, quaderförmige Zelle wird von diesen Varianten bevorzugt, an deren Oberseite Zellterminals herausstehen. Die Einzelzellen sind in Reihen und Spalten angeordnet, um eine bestimmte Batteriespannung und eine gewünschte Batteriekapazität zu ergeben. Die Batterie kann ein Gehäuse oder eine Hülle aufweisen, um die Einzelzellen aufzunehmen.
In der DE 103 58 582 A1 wird eine Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport beschrieben. Eine Einzelzelle weist einen Zellmantel auf, im Zentrum der Einzelzelle ist ein Rohr vorgesehen, das von einem Wärmetransportmedium durchspült wird, alternativ kann das Rohr auch mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt sein.
Eine Weiterentwicklung dieser Batterie ist in der DE 10 2007 010 750 B3 beschrieben. Dort wird eine Einzelzellen umfassende Batterie offenbart, wobei die Einzelzellen jeweils Wärmeleitstäbe aufweisen. Ein Wärmeleitstab weist einen verbreiterten Fuß auf und ist auf einer Verdampferplatte, die Kanäle für ein Wärmeleitmedium aufweist, angeordnet. Es ist jedoch fraglich, ob mit einer derartigen Batterie eine ausreichende Wärmeübertragung erzielt werden kann, wenn der verbreiterte Fuß eines Wärmeleitstabs lediglich unter dem Einfluss der Schwerkraft auf einer Unterlage, z. B. einer Verdampferplatte, aufsteht.
In der DE 10 2008 034 855 A1 wird ein Zellverbund für eine Batterie vorgeschlagen, bei der als Flachzellen ausgebildete Einzelzellen jeweils eine Ausnehmung aufweisen, wodurch eine Kühlung, z. B. mittels vorgekühlter Luft, möglich ist.
Die DE 10 2010 021 908 A1 offenbart eine Energiespeicherzelle mit einem Gehäuse, in dem ein Wärmeleitelement angeordnet ist.
Eine gewickelt Zelle ist aus der DE 10 2008 034 884 A1 bekannt. Die Wickelzelle umfasst als Folien ausgebildete Elektroden, die auf einem Wickeldorn aufgerollt sind. Der Wickeldorn ist als Wärmerohr ausgebildet, um Wärme aus dem Zellinneren nach außen abzuführen.
In der DE 10 2011 010 664 A1 wird ein Energiespeicher vorgeschlagen, der eine durchgehende Ausnehmung aufweist, die als Durchströmungskanal zur Kühlung des Energiespeichers dient.
Ein Kühlsystem mit einer Energiespeichereinheit ist aus der DE 10 2008 042 587 A1 bekannt. Als Kühlaggregat kann ein Peltierelement oder zwei Peltierelemente vorgesehen sein, von denen eines die Energiespeichereinheit und das andere einen Kühlraum kühlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie anzugeben, die einen sicheren und zuverlässigen Wärmetransport zwischen Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte und eine Temperierung von Einzelzellen ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Batterie der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Wärmeleitstäbe ein in den Wärmeleitstab eingesetztes Peltier-Element zur Temperierung der Einzelzellen aufweist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich nur dann eine zuverlässige Wärmeabgabe und gegebenenfalls eine kontrollierte Wärmezufuhr ergibt, wenn die Wärmeleitstäbe der Einzelzellen mechanisch fest mit der Wärmeleitplatte verbunden sind. Da ein bloßes Aufsetzen der Einzelzellen auf eine Wärmeleitplatte keine Gewähr für eine ausreichende Wärmeübertragung bietet, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeleitplatte und die einzelnen Wärmeleitstäbe der Einzelzellen fest miteinander verbunden sind.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie können die Wärmeleitstäbe der Einzelzellen mit der Wärmeleitplatte verschweißt, verschraubt oder verklebt sein, um den gewünschten Stoffschluss zu bilden. Alternativ können die Wärmeleitplatte und die Wärmeleitstäbe einstückig als integrales Bauteil hergestellt sein. Dementsprechend kann die Herstellung des integrierten Bauteils, das die Wärmeleitplatte und die darauf angeordneten Wärmeleitstäbe umfasst, z. B. durch ein Gießverfahren erfolgen. Alternativ könnte das integrale Bauteil auch durch Strangpressen, gegebenenfalls mit einer spanenden Nachbearbeitung, erfolgen. Grundsätzlich ist es auch möglich, das integrale Bauteil durch ein spanendes Verfahren herzustellen. Als Werkstoffe für die Wärmeleitstäbe, die Wärmeleitplatte und das integrale Bauteil kommen primär Werkstoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit in Frage, Beispiele dafür sind Kupfer, Aluminium und Legierungen dieser Werkstoffe.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Wärmeleitplatte zur Temperierung der Batterie Kanäle für ein Medium aufweist. Das Medium kann ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium sein, Beispiele dafür sind Wasser oder Luft. Das Medium durchströmt die Kanäle der Wärmeleitplatte und führt auf diese Weise Wärme von den Einzelzellen, die wärmeleitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, ab. Umgekehrt ist über das Medium, das die Kanäle durchströmt, auch eine Erwärmung der Einzelzellen über die Wärmeleitplatte möglich. Ein Beispiel für eine derartige Temperierung ist die Erwärmung von Einzelzellen bei sehr kalten Außentemperaturen, z. B. unterhalb 0°C, um eine ordnungsgemäße Funktion der elektrochemischen Einzelzellen zu gewährleisten.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Wärmeleitstäbe zur Temperierung der Einzelzellen hohl ausgebildet sind und Kanäle für ein Medium aufweisen. Diese Kanäle können mit den Kanälen der Wärmeleitplatte verbunden sein, sodass das kühlende oder wärmende Medium durch die Wärmeleitplatte zu den Wärmeleitstäben gelangt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Wärmeleitstab einen Kanal aufweist, der sich vom Befestigungspunkt eines Wärmeleitstabs an der Wärmeleitplatte zum freien Ende des Wärmeleitstabs und von dort wieder zur Wärmeleitplatte erstreckt. Selbstverständlich ist auch ein spiralförmiger Verlauf eines Kanals in einem Wärmeleitstab möglich. Bei dieser Variante wird ein Wärmeleitstab zwangsweise von dem Medium durchströmt, wodurch sich die gewünschte Wärmeübertragung ergibt.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie wird es bevorzugt, dass die Einzelzellen einen Zellmantel mit drei oder mehr, vorzugsweise fünf, sechs oder acht, Kanten aufweisen. Grundsätzlich ist jeder polygonale Querschnitt geeignet, der einen ausreichenden Raum zur Aufnahme des Zellwickels bietet.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie weist zumindest ein Teil der Wärmeleitstäbe ein Peltier-Element zur Temperierung der Einzelzellen auf. Mittels eines Peltier-Elements kann durch Einsatz von elektrischem Strom die gewünschte Temperierung erzielt werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Batterie der beschriebenen Art auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Seitenansicht;
2 eine Draufsicht der Einzelzelle von 1;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Seitenansicht;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Seitenansicht;
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Seitenansicht; und
6 eine Draufsicht der Einzelzelle von 5.
Die in 1 in einer Seitenansicht gezeigte elektrochemische Einzelzelle 1 ist als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet und umfasst einen Zellmantel 2 mit einem prismatischen Querschnitt, in dem Zellmantel 2 ist ein Zellwickel 3 aufgenommen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Einzelzelle 1 eine sechseckige Grundfläche 4 auf, wie am besten in 2 zu sehen ist, grundsätzlich kann die Einzelzelle jedoch eine beliebige polygonale Grundfläche aufweisen.
Der Zellwickel 3 ist um einen Wärmeleitstab 5 gewickelt, der sich im Zentrum der Einzelzelle 1 befindet. Der Wärmeleitstab 5 ist massiv ausgebildet und besteht aus Kupfer, wodurch eine gute Wärmeleitung gewährleistet ist. Die Einzelzelle 1 ist auf einer Wärmeleitplatte 6 angeordnet und stoffschlüssig mit dieser verbunden, um einen guten Kontakt und daraus resultierend eine gute Wärmeleitung sicherzustellen.
In 1 erkennt man, dass die Wärmeleitplatte 6 mehrere parallele Kanäle 7 aufweist, die von einem Medium wie Luft oder Wasser durchströmbar sind. Mehrere Einzelzellen 1 bilden eine Batterie. Während des Betriebs der Einzelzelle 1 in einer Batterie laufen exotherme Prozesse ab, die zu einer Erwärmung des Zellwickels 3 führen. Um sicherzustellen, dass die Einzelzelle 1 innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs betrieben wird, wird der Kanal 7 von einem Medium durchströmt, wodurch Wärme von einer erwärmten Einzelzelle 1 über den Wärmeleitstab 5 zur Wärmeleitplatte 6 geleitet wird. Die erwärmte Wärmeleitplatte 6 wird ihrerseits durch das Medium gekühlt, das die Kanäle 7 durchströmt. Im Normalfall wird mittels der Wärmeleitplatte 6 Wärme der Einzelzellen 1 abgeführt. Es sind jedoch auch Betriebszustände denkbar, z. B. Umgebungstemperaturen < 0°C, bei denen eine Erwärmung der Einzelzelle 1 gewünscht ist. Dazu können die Kanäle 7 von einem erwärmten Medium wie Luft, Wasser oder einer anderen Flüssigkeit durchströmt werden, sodass Wärme von dem Medium an die Wärmeleitplatte 6, von dieser an die Wärmeleitstäbe 5 und somit zu den Zellwickeln 3 übertragen wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeleitstäbe 5 mit der Wärmeleitplatte 6 verschweißt, wodurch die gewünschte stoffschlüssige Verbindung erzielt wird.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 8, die in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel einen Zellmantel 2 und einen Zellwickel 3 aufweist. Anders als bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist der Wärmeleitstab 9 hohl ausgebildet, zusätzlich ist er mit einem Kanal 7 in der Wärmeleitplatte 6 verbunden.
Wenn die Kanäle 7 der Wärmeleitplatte 6 von einem temperierten Medium durchströmt werden, gelangt das Medium in den hohlen Wärmeleitstab 9, sodass eine Wärmeübertragung zwischen dem Medium und dem Zellwickel 3 erfolgt. Diese Wärmeübertragung führt in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums und der Temperatur des Zellwickels 3 zu einer Abkühlung oder Erwärmung des Zellwickels 3.
Es sind auch andere Ausführungen denkbar, bei denen das Medium spiralförmig durch den Wärmeleitstab 9 strömt. Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass sich in dem Wärmeleitstab ein Kanal von der Kontaktstelle mit der Wärmeleitplatte 6 bis zum oberen, freien Ende des Wärmeleitstabs und von dort wieder zurück zur Wärmeleitplatte erstreckt.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 10 in einer Seitenansicht, bei der ein Wärmeleitstab 11 ein Peltier-Element 12 aufweist. Das Peltier-Element 12 weist zwei elektrische Leitungen 13, 14 auf, über die es an eine Stromquelle angeschlossen ist. Der Wärmeleitstab 11 ist oberhalb und unterhalb des Peltier-Elements 12 mit einem Material 15 gefüllt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird Aluminium als Material 15 mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet.
Die 5 und 6 zeigen in einer Seitenansicht und einer Draufsicht ein viertes Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle 16, die ähnlich wie die Einzelzelle 1 des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut ist.
Die Einzelzelle 16 umfasst den Zellmantel 2 mit prismatischem Querschnitt, in dem ein Zellstapel 17 aufgenommen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Zellstapel 17 anstelle eines Zellwickels verwendet. Der Zellstapel 17 besteht aus mehreren abwechselnd aufeinander gestapelten positiven und negativen Elektroden 18, 19. Im Zentrum des Zellstapels 17 befindet sich eine zylinderförmige Ausnehmung, in die ein Wärmeleitstab 5 eingesetzt ist. Der Wärmeleitstab 5 durchsetzt den Zellstapel 17 und leitet auf diese Weise beim Laden und Entladen entstehende Wärme ab. Der Wärmeleitstab 5 ist stoffschlüssig mit der Wärmeleitplatte 6 verbunden.

Claims

Batterie, umfassend mehrere elektrochemische Einzelzellen, die jeweils einen Zellmantel mit prismatischem Querschnitt und einen darin angeordneten Wärmeleitstab aufweisen, um den ein Zellwickel gewickelt oder der von einem Zellstapel umgeben ist, sowie eine Wärmeleitplatte, auf der die Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Wärmeleitstäbe (5, 9, 11) der Einzelzellen (1, 8, 10, 16) stoffschlüssig mit der Wärmeleitplatte (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wärmeleitstäbe (11) ein in den Wärmeleitstab (11) eingesetztes Peltier-Element (12) zur Temperierung der Einzelzellen (10) aufweist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstäbe (5, 9, 11) der Einzelzellen (1, 8, 10, 16) mit der Wärmeleitplatte (6) verschweißt oder verschraubt sind oder dass die Wärmeleitplatte (6) und die Wärmeleitstäbe (5, 9, 11) einstückig als integrales Bauteil hergestellt sind.
Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das integrale Bauteil durch ein Gießverfahren hergestellt ist.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (6) zur Temperierung der Batterie Kanäle (7) für ein Medium aufweist.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstäbe (9, 11) zur Temperierung der Einzelzellen (8) hohl ausgebildet sind und Kanäle für ein Medium aufweisen.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1, 8, 10, 16) einen Zellmantel (2) mit drei oder mehr, vorzugsweise fünf, sechs oder acht, Kanten aufweisen.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.