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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Batteriezellenbaugruppe und insbesondere eine Batteriezellenbaugruppe mit einem integrierten Kühlelement.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle wurde als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeug und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Eine Art von Batteriezelle ist als Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist aufladbar und kann zu einer Vielzahl von Formen und Größen ausgebildet sein, um in Elektrofahrzeugen verfügbaren Raum effizient zu füllen. Die Batteriezelle kann zum Beispiel von prismatischer Form sein, um ein Stapeln der Batteriezellen zu erleichtern. In einem Batteriepack können mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen werden, um einen zum Betreiben von Elektrofahrzeugen ausreichenden Leistungsbetrag vorzusehen.
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Typische prismatische Batteriezellen weisen ein Paar von kunststoffbeschichteten Metallschichten auf, die um einen Umfang der Batteriezelle schmelzgeschweißt sind, um die Batteriezellenkomponenten abzudichten. Das Abdichten der Batteriezellen beginnt im Allgemeinen mit dem Ausstatten einer der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum, der manchmal als ”Butterdosen”-Form bezeichnet wird. Die Batteriezellenkomponenten werden in dem Hohlraum der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Die andere der kunststoffbeschichteten Metallschichten wird dann oben auf die Batteriezellenkomponenten gesetzt und an dem Umfang an die eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit dem Hohlraum zum Beispiel durch Heißversiegeln um die Rändern schmelzgeschweißt. Dadurch wird die Batteriezelle für die Aufnahme in dem Batteriepack vorgesehen.
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Batteriezellen wie etwa Lithium-Ionen-Batteriezellen erzeugen bekanntermaßen während des Betriebs und infolge eines Ladezyklus beim Aufladen Wärme. Werden sie überhitzt oder anderweitig Umgebungen hoher Temperatur ausgesetzt, können unerwünschte Wirkungen eine Auswirkung auf den Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie haben. Bei Lithium-Ionen-Batteriepacks werden typischerweise Kühlsysteme genutzt, um den unerwünschten Überhitzungsbedingungen entgegenzuwirken. Die Kühlsysteme können Kühlplatten oder -rippen umfassen, die zwischen einzelnen Batteriezellen in dem Batteriepack sandwichartig eingeschlossen sind. Das Kühlsystem kann Kanäle aufweisen, durch die ein Kühlmittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit den Batteriezellen strömt. Nicht einschränkende Beispiele von bekannten Kühlsystemen für Batteriezellen werden in der U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/713,729 für Essinger et al. und der U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/842,478 für Kumar et al., die von der Anmelderin gleichzeitig angemeldet wurden und deren gesamte Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, beschrieben.
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Es besteht nach wie vor Bedarf nach einer Batteriezellenbaugruppe mit einer vereinfachten Konstruktion und einer verringerten Teilezahl. Wünschenswerterweise weist die Batteriezellenbaugruppe abgekoppelte elektrische und thermische Komponenten auf, ermöglicht bei Betrieb eine Luftkühlung der Batteriezellenbaugruppe und minimiert während der Herstellung der Batteriezellenbaugruppe die Teilehandhabung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wird überraschenderweise eine Batteriezellenbaugruppe mit einer vereinfachten Konstruktion und einer verringerten Teilezahl, die abgekoppelte elektrische und thermische Komponenten aufweist, bei Betrieb eine Luftkühlung der Batteriezellenbaugruppe ermöglicht und während der Fertigung der Batteriezellenbaugruppe eine Teilehandhabung minimiert, entdeckt.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst eine Batteriezellenbaugruppe eine Batteriezelle, die aktives Material aufweist, das ausgelegt ist, um aus einer elektrochemischen Reaktion Leistung zu erzeugen. Die Batteriezellenbaugruppe umfasst einen Beutel bzw. Pouch, der aus einem isolierenden Material gebildet ist. Der Pouch umhüllt die Batteriezelle. Die Batteriezellenbaugruppe umfasst weiterhin ein Kühlelement mit einem inneren Abschnitt und einem äußeren Abschnitt. Der innere Abschnitt ist in dem Pouch angeordnet und steht mit der Batteriezelle in Wärmeverbindung. Der äußere Abschnitt ist außerhalb des Pouch angeordnet. Das Kühlelement ist ausgelegt, um eine während der elektrochemischen Reaktion erzeugte Wärme weg von der Batteriezelle zu leiten.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Pouch der Batteriezellenbaugruppe eine erste Pouchschicht und eine zweite Pouchschicht. Das Kühlelement umfasst weiterhin einen Abdichtabschnitt. Der Abdichtabschnitt liegt sowohl an der ersten Pouchschicht als auch der zweiten Pouchschicht an, um die Batteriezelle in dem Pouch abzudichten.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Batteriezellenbaugruppe ein Paar von elektrischen Kontakten, die mit der Batteriezelle in Verbindung stehen und sich von mindestens einem von einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Pouch nach außen erstrecken. Der äußere Abschnitt des Kühlelements erstreckt sich von mindestens einem von einer ersten Seite und einer zweiten Seite des Pouch nach außen. Die Batteriezellenbaugruppe umfasst weiterhin einen zwischen der ersten Pouchschicht und der zweiten Pouchschicht angeordneten steifen Rahmen. Der äußere Abschnitt des Kühlelements ist durch den steifen Rahmen und außerhalb des Pouch angeordnet.
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In einer veranschaulichenden Ausführungsform wird vor dem Abdichten einer Batteriezelle einer Batteriezellenbaugruppe in einer kunststoffbeschichteten Pouch eine Metallplatte in einer Rolle von aktivem Material der Zelle positioniert. Die Metallplatte weist einen größeren Flächeninhalt als das aktive Zellenmaterial auf. Die Metallplatte ist auch mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet. Wenn die Batteriezelle um einen Umfang derselben abgedichtet ist, ist auch die Metallplatte entlang des Umfangs abgedichtet, wobei ein Abschnitt der Metallplatte in der Batteriezelle bleibt und ein anderer Abschnitt außerhalb des Pouch angeordnet bleibt. Das isolierende Material auf der Metallplatte stellt sicher, dass die Metallplatte die Batteriezelle der Batteriezellenbaugruppe nicht kurzschließt. Das isolierende Material auf dem Abschnitt der Metallplatte, der nicht in dem Pouch abgedichtet ist, wird für verbesserte Wärmeleitfähigkeit entfernt.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin beschriebenen Zeichnungen, hervor.
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1 ist eine Vorderansicht einer Batteriezellenbaugruppe der vorliegenden Offenbarung, wobei eine innere Batteriezelle und ein Abschnitt eines Kühlelements in der Batteriezellenbaugruppe in gestrichelten Linien gezeigt sind;
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2 ist eine unvollständige Seitenquerschnittansicht der Batteriezellenbaugruppe nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entlang der Schnittlinie A-A von 1;
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3 ist eine vergrößerte unvollständige Seitenquerschnittansicht der Batteriezellenbaugruppe, die in 2 durch die Bezeichnung B kenntlich gemacht ist; und
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4 ist eine unvollständige Seitenquerschnittansicht der Batteriezellenbaugruppe nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1–3 ist eine Batteriezellenbaugruppe 102 nach einer Ausführungsform die vorliegende Offenbarung gezeigt. Die Batteriezellenbaugruppe 102 umfasst eine Batteriezelle 104, die aktives Material aufweist, das ausgelegt ist, um aus einer elektrochemischen Reaktion Leistung zu erzeugen. Die gezeigte Batteriezelle 104 ist eine prismatische Batteriezelle. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Batteriezelle 104 eine prismatische Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Pouchnzelle sein. Es versteht sich, dass andere Arten der Batteriezellen 104, die eine andere Struktur und Elektrochemie nutzten, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Die Batteriezellenbaugruppe 102 weist einen Pouch 106 auf, die aus einem isolierenden Material gebildet ist. Der Pouch 106 umhüllt die Batteriezelle 104 und ermöglicht das Anordnen von mehreren der Batteriezellen 104 in einem Stapel, wodurch ein (nicht gezeigter) Batteriepack gebildet wird. Der Pouch 106 ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Pouch 106 aus Aluminium, das mit einem dielektrischen Material wie etwa Gummi oder einem Thermoplast beschichtet ist, gebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Pouch 106 eine erste Pouchschicht 108 und eine zweite Pouchschicht 110, und die Batteriezelle 104 ist zwischen der ersten Schicht 108 und der zweiten Schicht 110 angeordnet. Nach Bedarf können auch andere elektrisch nicht leitende Materialien und Strukturen genutzt werden.
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Bei der Batteriezellenbaugruppe 102 der vorliegenden Offenbarung ist ein Kühlelement 112 in Wärmeverbindung mit der Batteriezelle 104 angeordnet. Das Kühlelement 112 ist ausgelegt, um eine während der elektrochemischen Reaktion erzeugte Wärme weg von der Batteriezelle 104 zu leiten. Das Kühlelement 112 kann zum Beispiel eine Metallplatte umfassen. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Kühlelement 112 aus Kupfer oder Aluminium gebildet sein. In einem anderen Beispiel ist das Kühlelement 112 eine Graphifolie, die mit einem elektrisch nicht leitenden Polymer imprägniert ist. Das Kühlelement 112 kann weiterhin zum Beispiel aus mehreren Streifen gebildet sein oder eine gitterartige Struktur aufweisen, um eine Wärmeleitung von der Batteriezelle 104 vorzusehen, während die thermische Masse der Batteriezellenbaugruppe 102 minimiert wird. Ein Fachmann sollte erkennen, dass andere geeignete Materialien und Strukturen für das Kühlelement 112 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann das Kühlelement 112 einen inneren Abschnitt 114, einen Abdichtabschnitt 116 und einen äußeren Abschnitt 118 aufweisen. Der innere Abschnitt 114 ist in dem Pouch 106 angeordnet. Der Abdichtabschnitt 116 ist zwischen dem inneren Abschnitt 114 und dem äußeren Abschnitt 118 angeordnet. Der äußere Abschnitt 118 ist außerhalb des Pouch 106 angeordnet. Der äußere Abschnitt 118 kann eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann einer Korrosion des äußeren Abschnitts 118 entgegenwirken. Die Beschichtung kann auch eine Mindestdicke aufweisen, um eine Wärmeleitung von dem äußeren Abschnitt 118 des Kühlelements 112 zu maximieren. In anderen Ausführungsformen ist der äußere Abschnitt 118 im Wesentlichen frei von einer Beschichtung. Es versteht sich, dass der äußere Abschnitt 118 dadurch freiliegt, um die Wärmeleitung von der Batteriezelle 104 zu erleichtern. Der äußere Abschnitt 118 des Kühlelements 112 kann während des Betriebs der Batteriezellenbaugruppe 102 mit einer Strömung eines Kühlfluids, zum Beispiel einem Umgebungstemperaturluftstrom, in Verbindung gesetzt werden, um die Batteriezelle 104 bei einer erwünschten Temperatur zu halten.
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Der innere Abschnitt 114 des Kühlelements 112 kann eine isolierende Beschichtung 120 aufweisen. Die isolierende Beschichtung 120 kann aus einem dielektrischen Material wie etwa beispielsweise einem Gummi oder einem Thermoplast gebildet werden. Die isolierende Beschichtung 120 ist ausgelegt, um das Kühlelement 112 von der Batteriezelle 104 elektrisch zu isolieren. Die isolierende Beschichtung 120 weist eine Dicke auf, die ausreicht, um das Kühlelement 112 elektrisch zu isolieren, während sie bei Betrieb zum Zweck des Haltens der erwünschten Temperatur der Batteriezelle 104 eine Wärmeleitung von der Batteriezelle 104 zu dem Kühlelement 112 ermöglicht. Wenn die isolierende Beschichtung 120 genutzt wird, kann der äußere Abschnitt 118 des Kühlelements 112 frei von der isolierenden Beschichtung 120 sein, um die Wärmeleitung zu erleichtern. Ein Durchschnittsfachmann kann nach Bedarf geeignete dielektrische Materialien und Dicken für die isolierende Beschichtung 120 wählen.
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Wie in 2 gezeigt kann die Batteriezelle 104 eine erste Hauptfläche 122 und eine zweite Hauptfläche 124 umfassen. Das Kühlelement 112 kann einen Flächeninhalt aufweisen, der größer als ein Flächeninhalt der ersten Hauptfläche 122 oder der zweiten Hauptfläche 124 ist. Der innere Abschnitt 114 des Kühlelements 112 ist benachbart zu der ersten Hauptfläche 122 oder der zweiten Hauptfläche 124 angeordnet. Zum Beispiel kann der innere Abschnitt 114 des Kühlelements 112 an der ersten Hauptfläche 122 oder der zweiten Hauptfläche 124 anliegen, um bei Betrieb Wärme von der Batteriezelle 104 zu leiten.
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In bestimmten Ausführungsformen weist der Abdichtabschnitt 116 des Kühlelements 112 die isolierende Beschichtung 120 auf. Wenn der Pouch 106 die erste Pouchschicht 108 und die zweite Pouchschicht 110 umfasst, kann der Abdichtabschnitt 116 des Kühlelements 112 sowohl an der ersten Pouchschicht 108 als auch der zweiten Pouchschicht 110 anliegen, um die Batteriezelle 104 in dem Pouch 106 abzudichten. Die Abdichtung kann zum Beispiel durch mindestens eines von Reib- und Heißverschweißen der ersten Pouchschicht 108 und der zweiten Pouchschicht 110 mit der isolierenden Beschichtung 120 des Abdichtabschnitts 116 gebildet werden. Das thermoplastische Material sowohl für die erste als auch die zweite Pouchschicht 108, 110 und die isolierende Beschichtung 120 kann so gewählt werden, dass es bei Schweißen eine ausreichende Bindung zwischen den jeweiligen Materialien vorsieht. Zwischen der ersten Pouchschicht 108, der zweiten Pouchschicht 110 und der isolierenden Beschichtung 120 des Abdichtabschnitts 116 können auch Klebstoffe genutzt werden, um die Batteriezelle 104 in dem Pouch 106 abzudichten. Nach Bedarf können auch alternative Mittel zum Abdichten der Batteriezelle 104 in dem Pouch 106 genutzt werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann die Batteriezellenbaugruppe 102 der vorliegenden Offenbarung einen steifen Rahmen 126 umfassen. Ein beispielhafter steifer Rahmen 126 wird in der von der Anmelderin gleichzeitig angemeldeten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/692,800 für Kumar et al. beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der steife Rahmen 126 ermöglicht das Anordnen von mehreren der Batteriezellenbaugruppen 102 in dem Stapel, um den Batteriepack zu bilden. Zum Beispiel kann der steife Rahmen 126 zwischen der ersten Pouchschicht 108 und der zweiten Pouchschicht 110 angeordnet werden. Die erste Pouchschicht 108 und die zweite Pouchschicht 110 können zum Beispiel mit dem steifen Rahmen 126 entweder reib- oder wärmeverschweißt werden, um den Batteriepack 104 in dem Pouch 106 abzudichten. Wenn der steife Rahmen 126 genutzt wird, kann das Kühlelement 112 entweder durch den oder benachbart zu dem steifen Rahmen 126 angeordnet werden. Der steife Rahmen 126 kann zum Beispiel benachbart zu dem Abdichtabschnitt 116 des Kühlelements 112 angeordnet werden, und der äußere Abschnitt 118 des Kühlelements 112 kann durch den steifen Rahmen 126 angeordnet werden. In einem anderen Beispiel kann der äußere Abschnitt 118 des Kühlelements 112 entlang einer Außenfläche des steifen Rahmens 126 angeordnet werden.
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Die Batteriezellenbaugruppe 102 der vorliegenden Offenbarung umfasst auch ein Paar von elektrischen Kontakten 128. Die elektrischen Kontakte 128 stehen mit der Batteriezelle 104 in Verbindung und erstrecken sich von dem Pouch 106 nach außen. Wenn der Pouch 106 ein erstes Ende 130 und ein zweites Ende 132 sowie eine erste Seite 134 und eine zweite Seite 136 aufweist, kann sich das Paar von elektrischen Kontakten 128 von mindestens einem von erstem Ende 130 und zweitem Ende 132 nach außen erstrecken. Der äußere Abschnitt 118 das Kühlelement 112 kann sich dann von mindestens einer von erster Seite 134 und zweiter Seite 136 des Pouch 106 nach außen erstrecken. Es versteht sich, dass sich das Kühlelement 112 auch von mehr als einem von erster Seite 130 und zweiter Seite 132 und erstem Ende 134 und zweitem Ende 136 nach außen erstrecken kann, solange das Kühlelement 112 nicht einen des Paars von elektrischen Kontakten 128 kontaktiert. Die elektrischen und thermischen Komponenten der Batteriezellenbaugruppe 102 bleiben dadurch abgekoppelt.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist die Batteriezellenbaugruppe 102' nach einer anderen Ausführungsform der Offenbarung gezeigt. Ein gleicher oder ähnlicher Aufbau aus 1–3 wird in 4 der Klarheit halber mit dem gleichen Bezugszeichen und einem Einstreichungszeichen (') gezeigt. Wie in 4 gezeigt kann der innere Abschnitt 114' des Kühlelements 112' in mindestens einem Abschnitt der Batteriezelle 104' der Batteriezellenbaugruppe 102' angeordnet werden. Dadurch wird das Abführen von Wärme von der Batteriezelle 104' bei Betrieb erleichtert.
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Vorteilhafterweise weist die Batteriezellenbaugruppe 102, 102' der vorliegenden Offenbarung gegenüber bekannten Batteriezellenbaugruppen eine vereinfachte Konstruktion und eine verringerte Teilezahl auf. Die Teilehandhabung während der Herstellung der Batteriezellenbaugruppe 102, 102 wird gleichfalls minimiert. Wie vorstehend festgestellt werden die elektrischen und thermischen Komponenten der vorliegenden Batteriezellenbaugruppe 102, 102' abgekoppelt. Es versteht sich auch, dass der sich nach außen erstreckende äußere Abschnitt 118, 118' des Kühlelements 112, 112' bei Betrieb eine Luftkühlung der Batteriezellenbaugruppe 102, 102' ermöglicht.
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Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
