DE102012204320B4 - Kühlsystem für eine Batteriezelle, Batteriepackung sowie Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle - Google Patents

Kühlsystem für eine Batteriezelle, Batteriepackung sowie Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Kühlsystem (100) für eine Batteriezelle, umfassend:eine Kühlplatte (102); undeinen Kühlkörper (104) mit einem Paar von Modulen (106, 108),wobei ein Ende der Kühlplatte (102) zwischen den Modulen (106, 108) eingeengt ist, um die Kühlplatte (102) an dem Kühlkörper (104) zu befestigen, wobei jedes der Module (106, 108) eine Feder (112) und eine Nut (110) aufweist,wobei das Paar von Modulen (106, 108) ein erstes Modul (106) undein zweites Modul (108) aufweist, die Nut (110) des ersten Moduls (106) mit der Feder (112) des zweiten Moduls (108) zusammenwirkt und das Ende der Kühlplatte (102) benachbart der Nut (110) des ersten Moduls (106) und der Feder (112) des zweiten Moduls (108) endet, undwobei die Kühlplatte (102) durch Reibungskräfte an dem Kühlkörper (104) befestigt ist, wenn die Module (106, 108) unter eine Kompressionslast gesetzt sind.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Kühlsystem für ein Batteriezelle, eine Batteriepackung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für die Batteriezelle.
  • 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 Ränder 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 US 2011 / 0 212 355 A1 und der US 2012 / 0 021 270 A1 beschrieben.
  • 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 der US 2012 / 0 219 836 A1 beschrieben. 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.
  • DE 10 2009 039 394 A1 offenbart ein Kühlblech für eine galvanische Zelle. Das Kühlblech umfasst einen Zellbereich, der mit der galvanischen Zelle gekoppelt ist, einen Verbindungsbereich, der mechanisch und thermisch mit einer Kühlplatte verbunden ist und einen Falzbereich, der zwischen dem Zellbereich und dem Verbindungsbereich angeordnet ist und eine flexible Falzung des Kühlblechs aufweist.
  • DE 10 2007 052 375 A1 beschreibt einen Energiespeicher mit elektrischen Speicherzellen und einer Kühlvorrichtung, die modular aus Kühlerplatten und Abstandshaltern aufgebaut ist. Die Speicherzellen sind auf den Kühlerplatten aufgebracht. Kühlkanäle, die entweder nur in den Abstandshaltern oder durch Kühlerplatten und Abstandshalter verlaufen, dienen zur Führung des Kühlmittelstroms insbesondere bei einem geschlossenen Kühlmittelstrom.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Kühlsystem für ein Batteriezelle, eine Batteriepackung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für die Batteriezelle bereitzustellen, mit denen es möglich ist, eine Haltbarkeit an Fügestellen des Batteriekühlsystems zu maximieren, während auf Füllmaterialien verzichtet, eine thermische Leitfähigkeit von benachbarten Batteriezellen unterstützt und eine Herstellkomplexität minimiert werden.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 6 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
    • 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 von 1 zeigt, wobei das Batteriezellenkühlsystem zusammengebaut gezeigt ist.
  • Bezug nehmend auf die 1 und 2 ist ein Kühlsystem 100 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 US 2012 / 0 219 836 A1 beschrieben 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 Kühlplatte 102 auf. Die Kühlplatte 102 ist zur Anordnung benachbart der Batteriezelle konfiguriert. Es sei angemerkt, dass mehr Kühlplatten 102 nach Bedarf verwendet werden können, wobei einzelne Batteriezellen zwischen Paaren der Kühlplatten 102 angeordnet werden, um eine Batteriepackung zu bilden. Die Kühlplatte 102 dient als eine Kühlrippe des Kühlsystems 100 und überträgt Wärme von der Batteriezelle während ihres Betriebs. Die Platte 102 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 Platte 102 aus Aluminium oder Stahl geformt. Thermisch leitende Verbundmaterialien können ebenfalls verwendet werden, um die Kühlplatte 102 zu bilden. Der Fachmann kann nach Bedarf andere geeignete thermisch leitende Materialien für die Kühlplatte 102 wählen.
  • Das Kühlsystem 100 weist auch einen Kühlkörper 104 auf, der derart konfiguriert ist, Wärme während des Betriebs desselben weg von der Kühlplatte 102 zu übertragen. Wie bei der Kühlplatte 102 kann der Kühlkörper 104 aus einem beliebigen Material geformt sein, das eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die zum Übertragen von Wärme weg von der Kühlplatte 102 geeignet ist. Beispielsweise kann der Kühlkörper 104 aus Aluminium oder Stahl geformt sein. Es können auch andere geeignete thermisch leitende Materialien für den Kühlkörper 104 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung gewählt werden.
  • Der Kühlkörper 104 der vorliegenden Offenbarung weist eine Mehrzahl von Modulen 106, 108 auf. Obwohl nur zwei der Module 106, 108 gezeigt sind, sei zu verstehen, dass zusätzliche Module 106, 108 verwendet werden können und typischerweise verwendet werden. Die Mehrzahl von Modulen 106, 108 kann unter einer Kompressionslast zusammengebaut werden, um den Kühlkörper 104 zu bilden. Die Mehrzahl von Modulen 106, 108, wie gezeigt ist, weist ein erstes Modul 106 und ein zweites Modul 108 auf. Das erste Modul 106 kann eine Nut 110 aufweisen, und das zweite Modul 108 kann eine Zunge bzw. Feder 112 aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen weist jedes der Mehrzahl von Modulen 106, 108 die Nut 110 und die Feder 112 auf. Die Nut 110 des ersten Moduls 106 wirkt mit der Feder 112 des benachbarten zweiten Moduls 108 zusammen und nimmt diese auf, wenn das erste Modul 106 und das zweite Modul 108 ausgerichtet und unter Kompression zusammengebaut werden, um den Kühlkörper 104 zu bilden. Ein Fachmann kann die geeignete Last zur Kompression der Module 106, 108 des Kühlkörpers 104 nach Bedarf wählen.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann jedes der Module 106, 108 des Kühlkörpers 104 hindurchgeformte Durchbrechungen (nicht gezeigt) besitzen. Die Durchbrechungen der Module 106, 108 können bei Kompression in dem Kühlkörper 104 eine Leitung bilden, durch die ein Kühlfluid zirkuliert werden kann, um Wärme aus dem Kühlkörper 104 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 Ende 114 der Kühlplatte 102 zwischen einem Paar der Module 106, 108, wie das erste Modul 106 und das zweite Modul 108, komprimiert. Beispielsweise kann das Ende 114 der Platte 102 benachbart der Nut 110 und der Feder 112 des Paares von Modulen 106, 108 enden, zwischen denen das Ende 114 der Platte 102 angeordnet und eingeengt ist. Erfindungsgemäß wird die Kühlplatte 102 durch Reibungskräfte an dem Kühlkörper 104 befestigt, wenn die Module 106, 108 unter die Kompressionslast gesetzt werden. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung kann ein beliebiges Mittel verwendet werden, um die Module 106, 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 Ende 114 der Kühlplatte 102 und dem Paar von Modulen 106, 108 vorhanden sein. Die Kompressionslast und die resultierende reibungsbasierte Befestigung der Kühlplatte 102 an dem Kühlkörper 104 beseitigt einen Bedarf nach einem Füllmaterial zwischen entweder dem ersten Modul 106 und dem zweiten Modul 108 oder zwischen einem des Paares von Modulen 106, 108 und der Kühlplatte 102.
  • 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 Kühlplatte 102 und dem Kühlkörper 104 beeinträchtigen. Eine effiziente Wärmeübertragung von der Kühlplatte 102 zu dem Kühlkörper 104 während des Betriebs der Batteriezelle wird durch die thermisch leitende Schnittstellenverbindung des Kühlsystems 100 vorgesehen.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen des Kühlsystems 100 für die Batteriezelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass das Ende 114 der Kühlplatte 102 zwischen dem Paar von Modulen 106, 108 des Kühlkörpers 104 angeordnet wird. Anschließend werden die Module 106, 108 des Kühlkörpers 104 unter die Kompressionslast gesetzt, um die Kühlplatte 102 an dem Kühlkörper 104 zu befestigen. Wenn die Module 106, 108 die zusammenwirkenden Nuten 110 und die Federn 112 besitzen, können die Nuten 110 und die Federn 112 der Module 106, 108 ausgerichtet werden, bevor die Module 106, 108 unter die Kompressionslast gesetzt werden. Der Schritt zum Anordnen des Endes 114 der Kühlplatte 102 zwischen den Modulen 106, 108 kann beispielsweise das Einsetzen des Endes 114 benachbart zumindest einem der Nut 110 und der Feder 112 der benachbarten Module 106, 108 aufweisen. Es sei angemerkt, dass das Ende 114 an einer Stelle nicht eingesetzt wird, wo das Ende 114 der Kühlplatte 102 sich mit der Aufnahme der Feder 112 durch die Nut 114 der Module 106, 108 überlagern würde.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Ende 114 der Kühlplatte 102 eines von einem Schlitz (nicht gezeigt) und einer Durchbrechung (nicht gezeigt), der/die darin geformt ist, besitzen, der/die zulässt, dass die Feder 112 des zweiten Moduls 108 hindurch angeordnet werden und mit der Nut 110 des benachbarten ersten Moduls 106 zusammenwirken kann. Die Kühlplatte 102 kann dadurch weiter an dem Kühlkörper 104 befestigt werden. Ähnlicherweise kann eine Mehrzahl der Nuten 110 und eine Mehrzahl der Federn 112 verwendet werden. Es können auch andere Nicht-Füllmaterialmittel innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um die Kühlplatte 102 an den Kühlkörper 104 kraftschlüssig anzufügen.
  • Vorteilhafterweise minimieren das Kühlsystem 100 und das Verfahren der Offenbarung eine Komplexität eines Fügevorgangs für die Kühlplatte 102 und den Kühlkörper 104. Zusätzliche Materialien für einen Prozess zum stoffschlüssigen Fügen sind durch das vorliegende Verfahren nicht erforderlich. Das Kühlsystem 100 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 Kühlsystem 100 zu warten.

Claims (7)

  1. Kühlsystem (100) für eine Batteriezelle, umfassend: eine Kühlplatte (102); und einen Kühlkörper (104) mit einem Paar von Modulen (106, 108), wobei ein Ende der Kühlplatte (102) zwischen den Modulen (106, 108) eingeengt ist, um die Kühlplatte (102) an dem Kühlkörper (104) zu befestigen, wobei jedes der Module (106, 108) eine Feder (112) und eine Nut (110) aufweist, wobei das Paar von Modulen (106, 108) ein erstes Modul (106) und ein zweites Modul (108) aufweist, die Nut (110) des ersten Moduls (106) mit der Feder (112) des zweiten Moduls (108) zusammenwirkt und das Ende der Kühlplatte (102) benachbart der Nut (110) des ersten Moduls (106) und der Feder (112) des zweiten Moduls (108) endet, und wobei die Kühlplatte (102) durch Reibungskräfte an dem Kühlkörper (104) befestigt ist, wenn die Module (106, 108) unter eine Kompressionslast gesetzt sind.
  2. Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Kühlplatte (102) benachbart der Batteriezelle angeordnet ist und Wärme von der Batteriezelle während eines Betriebs derselben überträgt.
  3. Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper (104) zwischen den Modulen (106, 108) im Wesentlichen frei von Füllmaterial ist.
  4. Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper (104) zwischen jedem der Module (106, 108) und der Kühlplatte (102) im Wesentlichen frei von Füllmaterial ist.
  5. Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei eine thermisch leitende Schnittstellenverbindung zwischen der Kühlplatte (102) und den benachbarten Modulen (106, 108) des Kühlkörpers (104) geformt ist.
  6. Batteriepackung, umfassend: eine Batteriezelle; und ein Kühlsystem (100) für die Batteriezelle nach Anspruch 1.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems (100) für eine Batteriezelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Kühlplatte (102) vorgesehen wird; ein Kühlkörper (104) vorgesehen wird, der ein Paar von Modulen (106, 108) aufweist; ein Ende der Kühlplatte (102) zwischen den Modulen (106, 108) angeordnet wird; wobei jedes der Module (106, 108) eine Feder (112) und eine Nut (110) aufweist, wobei das Paar von Modulen (106, 108) ein erstes Modul (106) und ein zweites Modul (108) aufweist, die Nut (110) des ersten Moduls (106) mit der Feder (112) des zweiten Moduls (108) zusammenwirkt und das Ende der Kühlplatte (102) benachbart der Nut (110) des ersten Moduls (106) und der Feder (112) des zweiten Moduls (108) endet, die Module (106, 108) unter eine Kompressionslast gesetzt werden, um die Kühlplatte (102) durch Reibungskräfte an dem Kühlkörper (104) zu befestigen.
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