DE102012204320A1 - Fussprofilkonstruktion für ein Batteriekühlmodul für eine stoffschlussfreie komprimierte Schnittstellenverbindung mit leitender Rippe/leitendem Fuss - Google Patents
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Abstract
Ein Kühlsystem für eine Batteriezelle weist eine Kühlplatte und einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper besitzt ein Paar von Modulen. Ein Ende der Kühlplatte ist zwischen den Modulen eingeengt. Die Module werden unter Kompressionslast gesetzt, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Batteriepackung und insbesondere ein Kühlsystem für die Batteriepackung.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Eine Batteriezelle ist als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine Art von Batteriezelle ist als die Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist wiederaufladbar und kann zu einer Vielzahl von Formen und Größen geformt werden, 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 einer Batteriepackung können mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen werden, um einen zum Betreiben von Elektrofahrzeugen ausreichenden Leistungsbetrag vorzusehen.
- 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 damit, dass eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum versehen wird, 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 den Einbau in der Batteriepackung vorgesehen.
- Batteriezellen, wie etwa Lithium-Ionen-Batteriezellen, erzeugen bekanntermaßen während des Betriebs und infolge eines Ladezyklus beim Wiederaufladen Wärme. Werden sie überhitzt oder anderweitig Umgebungen hoher Temperatur ausgesetzt, können unerwünschte Wirkungen eine Auswirkung auf den Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie haben. Bei Lithiumionen-Batteriepackungen werden typischerweise Kühlsysteme genutzt, um den unerwünschten Überhitzungsbedingungen entgegenzuwirken. Bekannte Kühlsysteme für Batteriezellen sind in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung des vorliegenden Anmelders mit der Seriennr. 12/713,729 von Essinger et al. und U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/842,478 von Kumar et al. beschrieben, deren gesamte Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
- Herkömmliche Kühlsysteme haben Kühlplatten oder -rippen enthalten, die schichtartig zwischen einzelnen Batteriezellen in der Batteriepackung angeordnet waren. Die Kühlrippen werden typischerweise durch ”Heiß”-Verfahren, wie Hartlöten oder Schweißen, an eine Wärmesenke angefügt. Heiß-Stoffschlussfügeverfahren können die Materialmikrostruktur unerwünscht beeinträchtigen, was die Fügehaltbarkeit beeinträchtigen kann. Bekannte Stoffschlussfügeverfahren erfordern auch typischerweise Füllmaterial, wie Hartlöt-Lote, Schweiß-Hilfsstoffe, Klebstoffe sowie Wärmeschnittstellenmaterialien, die die thermische Leitfähigkeit unerwünscht beeinträchtigen und die Herstellkomplexität erhöhen können.
- Ein weiteres Fügeverfahren, das eine Wärmeschrumpfung betrifft, ist in ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung des vorliegenden Anmelders mit der Seriennummer 13/035,236 von Heise beschrieben, deren Offenbarung hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass zumindest eine Platte mit zumindest einer Nase versehen wird und ein Kühlkörper mit zumindest einem darin geformten Schlitz versehen wird. Der Kühlkörper wird auf eine erste Temperatur erhitzt, die ausreichend ist, um den Kühlkörper thermisch auszudehnen und den zumindest einen Schlitz auszudehnen. Die zumindest eine Nase der zumindest einen Platte wird dann in den zumindest einen Schlitz eingesetzt. Der Kühlkörper wird dann auf eine zweite Temperatur gekühlt, die ausreichend ist, damit sich der Kühlkörper thermisch zusammenzieht und sich der zumindest eine Schlitz zusammenzieht. Hierdurch wird eine Presspassungs-Fügestelle geformt, die die zumindest eine Platte an dem Kühlkörper sichert.
- Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Batteriekühlsystem und einem Verfahren zum Herstellen des Batteriekühlsystems, das eine Haltbarkeit an Fügestellen des Batteriekühlsystems maximiert. Das Batteriekühlsystem und -verfahren sollen keine Füllmaterialien erforderlich machen, sollen eine thermische Leitfähigkeit von benachbarten Batteriezellen unterstützen und sollen eine minimierte Herstellkomplexität aufweisen.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung sind überraschend ein Batteriekühlsystem und ein Verfahren zum Herstellen des Batteriekühlsystems entdeckt worden, das eine Haltbarkeit an Fügestellen des Batteriekühlsystems maximiert, keine Füllmaterialien erfordert, eine thermische Leitfähigkeit von benachbarten Batteriezellen unterstützt und eine minimierte Herstellkomplexität besitzt.
- Bei einer ersten Ausführungsform weist ein Kühlsystem für eine Batteriezelle eine Kühlplatte und einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper besitzt ein Paar von Modulen. Ein Ende der Kühlplatte ist zwischen den Modulen eingeschränkt bzw. eingeengt, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
- Bei einer anderen Ausführungsform weist eine Batteriepackung eine Batteriezelle und ein Kühlsystem für die Batteriezelle auf. Das Kühlsystem für die Batteriezelle weist eine Kühlplatte und einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper besitzt ein Paar von Modulen. Ein Ende der Kühlplatte ist zwischen den Modulen angeordnet. Die Module werden unter eine Kompressionslast gesetzt, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
- Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle die Schritte, dass eine Kühlplatte bereitgestellt wird; ein Kühlkörper bereitgestellt wird, der ein Paar von Modulen aufweist; ein Ende der Kühlplatte zwischen den Modulen angeordnet wird; und die Module unter eine Kompressionslast gesetzt werden, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
- ZEICHNUNGEN
- Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere angesichts der hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
-
1 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht, die ein Batteriezellenkühlsystem zeigt, wobei das Batteriezellenkühlsystem nicht zusammengebaut gezeigt ist; und -
2 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht, die das Batteriezellenkühlsystem von1 zeigt, wobei das Batteriezellenkühlsystem zusammengebaut gezeigt ist. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und sind somit weder notwendig noch kritisch.
- Bezug nehmend auf die
1 und2 ist ein Kühlsystem100 für eine Batteriezelle (nicht gezeigt) gezeigt. Die Batteriezelle ist derart konfiguriert, Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zu erzeugen. Die Batteriezelle kann beispielsweise eine prismatische Batteriezelle sein, wie in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung des vorliegenden Anmelders mit der Seriennummer 13/035,236 von Heise beschrieben und gezeigt ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Batteriezelle eine prismatische Lithiumionen-(Li-Ionen-)Pouchzelle bzw. -Beutelzelle. Es sei angemerkt, dass auch andere Typen der Batteriezellen, die einen anderen Aufbau und eine andere Elektrochemie anwenden, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. - Das Kühlsystem
100 weist zumindest eine Kühlplatte102 auf. Die Kühlplatte102 ist zur Anordnung benachbart der Batteriezelle konfiguriert. Es sei angemerkt, dass mehr Kühlplatten102 nach Bedarf verwendet werden können, wobei einzelne Batteriezellen zwischen Paaren der Kühlplatten102 angeordnet werden, um eine Batteriepackung zu bilden. Die Kühlplatte102 dient als eine Kühlrippe des Kühlsystems100 und überträgt Wärme von der Batteriezelle während ihres Betriebs. Die Platte102 kann aus einem beliebigen Material geformt sein, das eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die zum Übertragen von Wärme weg von der Batteriezelle geeignet ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Platte102 aus Aluminium oder Stahl geformt. Thermisch leitende Verbundmaterialien können ebenfalls verwendet werden, um die Kühlplatte102 zu bilden. Der Fachmann kann nach Bedarf andere geeignete thermisch leitende Materialien für die Kühlplatte102 wählen. - Das Kühlsystem
100 weist auch einen Kühlkörper104 auf, der derart konfiguriert ist, Wärme während des Betriebs desselben weg von der Kühlplatte102 zu übertragen. Wie bei der Kühlplatte102 kann der Kühlkörper104 aus einem beliebigen Material geformt sein, das eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die zum Übertragen von Wärme weg von der Kühlplatte102 geeignet ist. Beispielsweise kann der Kühlkörper104 aus Aluminium oder Stahl geformt sein. Es können auch andere geeignete thermisch leitende Materialien für den Kühlkörper104 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung gewählt werden. - Der Kühlkörper
104 der vorliegenden Offenbarung weist eine Mehrzahl von Modulen106 ,108 auf. Obwohl nur zwei der Module106 ,108 gezeigt sind, sei zu verstehen, dass zusätzliche Module106 ,108 verwendet werden können und typischerweise verwendet werden. Die Mehrzahl von Modulen106 ,108 kann unter einer Kompressionslast zusammengebaut werden, um den Kühlkörper104 zu bilden. Die Mehrzahl von Modulen106 ,108 , wie gezeigt ist, weist ein erstes Modul106 und ein zweites Modul108 auf. Das erste Modul106 kann eine Nut110 aufweisen, und das zweit Modul108 kann eine Zunge bzw. Feder112 aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen weist jedes der Mehrzahl von Modulen106 ,108 die Nut110 und die Feder112 auf. Die Nut110 des ersten Moduls106 wirkt mit der Feder112 des benachbarten zweiten Moduls108 zusammen und nimmt diese auf, wenn das erste Modul106 und das zweite Modul108 ausgerichtet und unter Kompression zusammengebaut werden, um den Kühlkörper104 zu bilden. Ein Fachmann kann die geeignete Last zur Kompression der Module106 ,108 des Kühlkörpers104 nach Bedarf wählen. - Bei bestimmten Ausführungsformen kann jedes der Module
106 ,108 des Kühlkörpers104 hindurchgeformte Durchbrechungen (nicht gezeigt) besitzen. Die Durchbrechungen der Module106 ,108 können bei Kompression in dem Kühlkörper104 eine Leitung bilden, durch die ein Kühlfluid zirkuliert werden kann, um Wärme aus dem Kühlkörper104 zu übertragen. Beispielsweise kann das Kühlfluid ein Gas, wie Luft, oder eine Flüssigkeit sein, wie Wasser. Andere geeignete Kühlfluide können ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. - Wenn das Kühlsystem
100 zusammengebaut wird, wird ein Ende114 der Kühlplatte102 zwischen einem Paar der Module106 ,108 , wie das erste Modul106 und das zweite Modul108 , komprimiert. Beispielsweise kann das Ende114 der Platte102 benachbart der Nut110 und der Feder112 des Paares von Modulen106 ,108 enden, zwischen denen das Ende114 der Platte102 angeordnet und eingeengt ist. Die Kühlplatte102 wird durch Reibungskräfte an dem Kühlkörper104 befestigt, wenn die Module106 ,108 unter die Kompressionslast gesetzt werden. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung kann ein beliebiges Mittel verwendet werden, um die Module106 ,108 unter die Kompressionslast zu bringen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Spannstangen, Federn, Bänder, Kompressionsrückhaltesysteme und dergleichen. Hierdurch kann eine thermisch leitende Schnittstellenverbindung zwischen dem Ende114 der Kühlplatte102 und dem Paar von Modulen106 ,108 vorhanden sein. Die Kompressionslast und die resultierende reibungsbasierte Befestigung der Kühlplatte102 an dem Kühlkörper104 beseitigt einen Bedarf nach einem Füllmaterial zwischen entweder dem ersten Modul106 und dem zweiten Modul108 oder zwischen einem des Paares von Modulen106 ,108 und der Kühlplatte102 . - Es sei angemerkt, dass Füllmaterialien, wie Schweiß-Hilfsstoffe, Klebstoffe und Materialien für thermische Schnittstellen, wie es in der Technik bekannt ist, mit dem Kühlsystem
100 der vorliegenden Offenbarung unnötig sind. Die Füllmaterialien würden ansonsten die thermische Leitfähigkeit an der Schnittstellenverbindung zwischen der Kühlplatte102 und dem Kühlkörper104 beeinträchtigen. Eine effiziente Wärmeübertragung von der Kühlplatte102 zu dem Kühlkörper104 während des Betriebs der Batteriezelle wird durch die thermisch leitende Schnittstellenverbindung des Kühlsystems100 vorgesehen. - Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen des Kühlsystems
100 für die Batteriezelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass das Ende114 der Kühlplatte102 zwischen dem Paar von Modulen106 ,108 des Kühlkörpers104 angeordnet wird. Anschließend werden die Module106 ,108 des Kühlkörpers104 unter die Kompressionslast gesetzt, um die Kühlplatte102 an dem Kühlkörper104 zu befestigen. Wenn die Module106 ,108 die zusammenwirkenden Nuten110 und die Federn112 besitzen, können die Nuten110 und die Federn112 der Module106 ,108 ausgerichtet werden, bevor die Module106 ,108 unter die Kompressionslast gesetzt werden. Der Schritt zum Anordnen des Endes114 der Kühlplatte102 zwischen den Modulen106 ,108 kann beispielsweise das Einsetzen des Endes114 benachbart zumindest einem der Nut110 und der Feder112 der benachbarten Module106 ,108 aufweisen. Es sei angemerkt, dass das Ende114 an einer Stelle nicht eingesetzt wird, wo das Ende114 der Kühlplatte102 sich mit der Aufnahme der Feder112 durch die Nut114 der Module106 ,108 überlagern würde. - Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Ende
114 der Kühlplatte102 eines von einem Schlitz (nicht gezeigt) und einer Durchbrechung (nicht gezeigt), der/die darin geformt ist, besitzen, der/die zulässt, dass die Feder112 des zweiten Moduls108 hindurch angeordnet werden und mit der Nut110 des benachbarten ersten Moduls106 zusammenwirken kann. Die Kühlplatte102 kann dadurch weiter an dem Kühlkörper104 befestigt werden. Ähnlicherweise kann eine Mehrzahl der Nuten110 und eine Mehrzahl der Federn112 verwendet werden. Es können auch andere Nicht-Füllmaterialmittel innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um die Kühlplatte102 an den Kühlkörper104 kraftschlüssig anzufügen. - Vorteilhafterweise minimieren das Kühlsystem
100 und das Verfahren der Offenbarung eine Komplexität eines Fügevorgangs für die Kühlplatte102 und den Kühlkörper104 . Zusätzliche Materialien für einen Prozess zum stoffschlüssigen Fügen sind durch das vorliegende Verfahren nicht erforderlich. Das Kühlsystem100 erlaubt ferner eine größere Wartbarkeit im Vergleich zu bekannten Batteriekühlsystemen, die durch Schweißen oder Hartlöten aneinandergefügt werden, und bei denen Schweißnähte möglicherweise aufgebrochen werden müssen, um das Kühlsystem100 zu warten. - Während gewisse repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei es dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
Claims (10)
- Kühlsystem für eine Batteriezelle, umfassend: eine Kühlplatte; und einen Kühlkörper mit einem Paar von Modulen, wobei ein Ende der Kühlplatte zwischen den Modulen eingeengt ist, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
- Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlplatte benachbart der Batteriezelle angeordnet ist und Wärme von der Batteriezelle während eines Betriebs derselben überträgt.
- Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der Module eine Feder und eine Nut aufweist.
- Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei das Paar von Modulen ein erstes Modul und ein zweites Modul aufweist, wobei die Nut des ersten Moduls mit der Feder des zweiten Moduls zusammenwirkt.
- Kühlsystem nach Anspruch 4, wobei das Ende der Kühlplatte benachbart der Nut des ersten Moduls und der Feder des zweiten Moduls endet.
- Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper zwischen den Modulen im Wesentlichen frei von Füllmaterial ist.
- Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper zwischen jedem der Module und der Kühlplatte im Wesentlichen frei von Füllmaterial ist.
- Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei eine thermisch leitende Schnittstellenverbindung zwischen der Kühlplatte und den benachbarten Modulen des Kühlkörpers geformt ist.
- Batteriepackung, umfassend: eine Batteriezelle; und ein Kühlsystem für die Batteriezelle, wobei das Kühlsystem eine Kühlplatte, die benachbart der Batteriezelle angeordnet ist, und einen Kühlkörper aufweist, der ein Paar von Modulen besitzt, wobei ein Ende der Kühlplatte zwischen den Modulen angeordnet ist, wobei die Module unter eine Kompressionslast gesetzt sind, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
- Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Kühlplatte vorgesehen wird; ein Kühlkörper vorgesehen wird, der ein Paar von Modulen aufweist; ein Ende der Kühlplatte zwischen den Modulen angeordnet wird; und die Module unter eine Kompressionslast gesetzt werden, um die Kühlplatte an dem Kühlkörper zu befestigen.
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