DE102012215732A1

DE102012215732A1 - Verbindungslose Flüssigkeitsrippenkonstruktion für Batteriekühlmodul

Info

Publication number: DE102012215732A1
Application number: DE201210215732
Authority: DE
Inventors: Axel Heise
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: US20130071699A1; CN103022587A; CN103022587B; DE102012215732B4; US8927129B2

Abstract

Es ist ein Batteriemodul beschrieben. Das Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl von Kühlrippen mit einem Einlassabschnitt, einem Mittelabschnitt und einem Auslassabschnitt, wobei sich der Einlass- und Auslassabschnitt von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen zumindest einen Kühlkanal besitzen, der sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstreckt; und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert ist. Es ist auch ein Verfahren zum Kühlen eines Batteriemoduls beschrieben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Batterien und insbesondere ein thermisches Batteriesystem mit einem verbesserten Wärmeübertragungswirkungsgrad.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenwärtige Batterieinnenwärmetauscher erfordern zahlreiche Komponenten und Dichtungsverbindungen sowie komplizierte Herstellprozesse. Ein bekanntes Verfahren zum Kühlen von Batteriezellen besteht darin, zwei Zellen in Flächenkontakt mit einer Kühlrippe zu bringen, durch die Kühlmittel strömt. Die Kühlrippen sind durch Integration eines Einlass- und Auslasssammelleitungslochs auf beiden Seiten (oder beide auf einer Seite) der Rippe verbunden. Die Einlass- und Auslasssammelleitungen werden dann dadurch geformt, dass zwei oder mehr Rippen aneinander gestapelt werden und die Einlass- und Auslasssammelleitungslöcher verbunden werden. Eine O-Ringdichtung (oder ähnliche Dichtung) kann dazu verwendet werden, die Dichtung zwischen zwei Rippen zu bilden. Die Dichtungen für sowohl Einlass als auch Auslass sind typischerweise in einem Rahmen integriert, der die Zellen und Rippen in dem Stapel an der Stelle hält.
Ein Beispiel dieses Typs von System ist in 1 gezeigt. Es ist eine auseinandergezogene Ansicht der Batteriepackung 10 gezeigt. Die Batteriezellen 15 sind durch Kühlrippen 20 getrennt. Es existiert ein Kühleinlass 25 auf einer Seite der Kühlrippe 20 und ein Kühlauslass 30 auf der anderen Seite der Kühlrippe 20. Kühlmittel strömt durch Kanäle 35 in der Kühlrippe 15. Wärme von den Batteriezellen 15 wird in die Kühlrippen 20 geleitet. Zwei Batteriezellen 15 und eine Kühlrippe 20 können in einem Rahmen 40 enthalten sein. Es existieren Dichtungen 45 auf beiden Seiten der Kühlrippe 15 für den Kühleinlass 25 und den Kühlauslass 30. Die Dichtungen 45 können in den Rahmen 40 integriert sein. Diese Anordnung erfordert mehrere Komponenten und Dichtungen sowie einen komplizierten Montageprozess.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung umfasst ein Batteriemodul. Bei einer Ausführungsform umfasst das Batteriemodul eine Mehrzahl von Kühlrippen, die einen Einlassabschnitt, einen Mittelabschnitt und einen Auslassabschnitt besitzen, wobei die Einlass- und Auslassabschnitte sich von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen zumindest einen Kühlkanal besitzen, der sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstreckt; und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Kühlen eines Batteriemoduls. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl von Kühlrippen, die einen Einlassabschnitt, einen Mittelabschnitt und einen Auslassabschnitt besitzen, wobei sich die Einlass- und Auslassabschnitte von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen zumindest einen Kühlkanal besitzen, der sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstreckt; und einer Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert ist; Verbinden des zumindest einen Kühlkanals mit einem Einlassverteiler an einem Einlassende und mit einem Auslassverteiler an einem Auslassende; und Umwälzen von Kühlfluid durch den zumindest einen Kühlkanal.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zum Kühlen von Batteriezellen.
2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Kühlrippe der vorliegenden Erfindung, bevor sie in die Form zum Gebrauch geformt ist.
3 ist eine Darstellung der Ausführungsform von 2, nachdem sie in die Form zum Gebrauch geformt ist.
4 ist eine vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform eines Batteriemoduls, das die Kühlrippe der vorliegenden Erfindung enthält.
5 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines zusammengebauten Batteriemoduls, das die Kühlrippe der vorliegenden Erfindung enthält.
6A ist eine Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Batteriemoduls, das die Kühlrippe der vorliegenden Erfindung enthält.
6B ist eine Darstellung des Randes der Kühlrippen zur Verbindung mit der Kühlfluidquelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die neuartige Konstruktion sieht einen einfacheren und robusteren Batterieinnenwärmetauscher vor, der einen Kühlwirkungsgrad verbessert, Kosten reduziert, eine Zuverlässigkeit verbessert und eine Herstellung vereinfacht.
Die Kühlrippenkonstruktion erlaubt eine Vereinfachung des Batterieinnenwärmetauschers. Die Kühlrippe besitzt einen oder mehrere Kühlkanäle und ist so geformt, um eine leichte Verbindung außerhalb des Batteriemoduls mit der Kühlmittelversorgung zu ermöglichen. Die Kühlmittelschnittstellen (Einlass und Auslass) sind außerhalb des Batteriemoduls angeordnet, was in weniger Dichtungen mit der vorliegenden Konstruktion und einem geringeren Potential für Leckage im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik resultiert.
Die Batteriemodulkonstruktion ist einfach. Es existieren auch weniger Komponenten in dem Modul, da keine Wiederholrahmen zwischen den Batteriezellen erforderlich sind (obwohl sie nach Bedarf enthalten sein können). Dies erlaubt, dass die Batteriemodule kleiner sind.
Die Herstellung ist leichter, da die Stapelvorgehensweise einfach ist. Zusätzlich sind nur normale Reinheitsstandards erforderlich, da während der Stapelung keine Dichtungen ausgebildet werden.
Somit sieht die Konstruktion geringere Material-, Herstell- und Garantiekosten vor.
2 zeigt eine Ausführungsform der Kühlrippe 50 vor Formung. Die Kühlrippe 50 ist flach und besitzt zumindest einen Kühlkanal 55. Es existiert bevorzugt eine Mehrzahl von Kühlkanälen. Die Anzahl hängt von den Kühlanforderungen des Batteriemoduls und den Betriebsanforderungen, wie dem Druckabfall, ab.
Die Kühlrippe kann aus einem beliebigen geeigneten wärmeleitenden Material hergestellt sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Metalle und Kunststoff. Sie kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses hergestellt werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Strangpressen oder Prägen/Anfügen (beispielsweise Prägen des Kühlkanals in ein Blech und Anfügen eines zweiten Blechs an das geprägte Blech). Der Druckabfall durch die Kanäle ist durch die Strömungsfeldgrößenkonstruktion definierbar, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Kühlrippen können in Dicken so gering wie etwa 1 mm (beispielsweise 0,25 mm Seitenwand – 0,5 mm Kanal – 0,25 mm Seitenwand) hergestellt sein. Die Dicke hängt von den Systemanforderungen ab. Der Biegeradius kann so gering wie das Doppelte der Rippendicke oder etwa 2 mm sein.
2 zeigt die Kühlrippe 50, die zum Gebrauch in ihre endgültige Form gebogen ist. Es sind ein Einlassabschnitt 60, ein Mittelabschnitt 65 und ein Auslassabschnitt 70 vorgesehen. Der Einlass- und Auslassabschnitt 60, 70 sind so gezeigt, dass sie sich in entgegengesetzten Richtungen von der Ebene des Mittelabschnitts 65 in 3 erstrecken (eine Gerade ”z”-Form bilden). Der Einlass- und Auslassabschnitt 60, 70 erstrecken sich von der Ebene des Mittelabschnitts 65 unter einem Winkel. Es wird angestrebt, dass der Winkel etwa 90° beträgt.
Die Kühlmittelversorgung ist mit dem Einlass der Kühlkanäle 55 in dem Einlassabschnitt 60 verbunden. Die Batteriezellen sind in dem Mittelabschnitt 65 angeordnet. Die Kühlmittelrückführung ist mit dem Auslass der Kühlmittelkanäle des Auslassabschnitts 70 verbunden. Das Kühlmittel strömt durch die Kühlmittelkanäle 55 von dem Einlassabschnitt 60 zu dem Mittelabschnitt 65 zu dem Auslassabschnitt 70.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform eines Batteriemoduls 75. Die Batteriezellen 80 sind zwischen den Kühlrippen 50 angeordnet. Die Länge aller Kühlrippen 50 ist etwa gleich, so dass der Druckabfall etwa gleich ist. Die Mittelabschnitte 65 aller Kühlrippen haben etwa dieselbe Länge. Die Länge der Einlassabschnitte 60 und der Auslassabschnitte 70 variiert abhängig davon, wo in dem Stapel die jeweilige Kühlrippe angeordnet ist. Eine Kühlrippe mit einem kürzeren Einlassabschnitt (näher an der Vorderseite des Stapels) besitzt einen längeren Auslassabschnitt. Eine Kühlrippe mit einem längeren Einlassabschnitt (näher an der Rückseite des Stapels) besitzt einen kürzeren Auslassabschnitt. Diese Anordnung erlaubt das Abgleichen der Einlässe aller Einlassabschnitte 60 und der Auslässe aller Auslassabschnitte 70, so dass sie an den Einlass- und Auslasskühlmittelverteilern (nicht gezeigt) befestigt werden können.
5 zeigt ein zusammengebautes Batteriemodul 75. Die Batteriezellen 80 sind durch Kühlrippen 50 getrennt. Die Einlassabschnitte 60 und die Auslassabschnitte 70 sind zur Verbindung mit dem Kühlmitteleinlass- und -auslassverteilern 85, 90 ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform befindet sich jede Batteriezelle 80 zwischen zwei Kühlrippen 50 (d. h. Kühlrippe/Batteriezelle/Kühlrippe/Batteriezelle/Kühlrippe etc.). Jedoch sind andere Anordnungen möglich, wie Anordnungen, bei denen Batteriezellen jede zweite oder dritte, etc. Batteriezelle (d. h. Kühlrippe/2 Batteriezellen/Kühlrippe/2 Batteriezellen/Kühlrippe, etc. oder Kühlrippe/3 Batteriezellen/Kühlrippe/3 Batteriezellen, Kühlrippe etc.) etc. vorhanden sind.
6 zeigt eine andere Ausführungsform eines Batteriemoduls 75. Das Batteriemodul 75 besitzt zwei Batteriezellen 80, die zwischen benachbarten Kühlrippen 50 positioniert sind. Es existieren Ausdehnungseinheiten 95 zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 80. Die Ausdehnungseinheiten 95 befinden sich auf der Seite der Batteriezellen 80, die nicht zu den Kühlrippen 50 weist. Die Ausdehnungseinheiten 95 können beispielsweise eine Schaumschicht sein. Die Ausdehnungseinheit 95 kompensiert die Zellentoleranz und Ausdehnungsvariation in der Zellendickenrichtung.
6B zeigt die Ränder der Auslassabschnitte 70 von 6A (der Einlassabschnitt ist ähnlich). Die Kühlkanäle 55 der Auslassabschnitte 70 sind mit dem Kühlmittelverteiler verbunden.
Die Batteriemodule können durch Stapeln der Kühlrippen, der Batteriezellen und optional der Ausdehnungseinheiten in der geeigneten Reihenfolge, Vermessen des Moduls und Verriegeln derselben bei der Nenngröße zusammengebaut werden. Da keine internen Fluidverbindungen vorhanden sind, ist der Zusammenbau vereinfacht.
Das Batteriemodul kann nach Bedarf Wiederholrahmen aufweisen, obwohl dies nicht notwendig ist. Die Wiederholrahmen besitzen typischerweise ein offenes Zentrum, obwohl dies nicht erforderlich ist. Die Wiederholrahmen stützen die Batteriezellen, die Kühlrippen und die optionalen Ausdehnungseinheiten. Die Wiederholrahmen bestehen typischerweise aus einem leichten, nicht leitenden Material. Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Kunststoffe, wie Polypropylen, Nylon 6-6 und andere kostengünstige Materialien. Die Wiederholrahmen können nach Bedarf zur baulichen Festigkeit faserverstärkt sein.
Es sei angemerkt, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise”, und pischerweise” hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hier dazu verwendet ist, eine Kombination von Komponenten und einzelnen Komponenten zu repräsentieren, ungeachtet dessen, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann eine ”Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier dazu verwendet ist, den inherenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder einer anderen Darstellung zueigen ist. Der Begriff ”im Wesentlichen” ist hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung möglich sind, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist. Genauer ist es, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft festgestellt sind, denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Batteriemodul, umfassend: eine Mehrzahl von Kühlrippen mit einem Einlassabschnitt, einem Mittelabschnitt und einem Auslassabschnitt, wobei sich der Einlass- und Auslassabschnitt von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen zumindest einen Kühlkanal besitzen, der sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstreckt; und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert sind.
Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Kühlkanälen in jeder Kühlrippe vorgesehen ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, ferner mit einer Ausdehnungseinheit, die zwischen den Batteriezellen positioniert ist.
Batteriemodul nach Anspruch 3, wobei die Ausdehnungseinheit eine Schaumschicht ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei eine Länge des Einlass- und Auslassabschnitts variiert, so dass die Einlässe und Auslässe der Mehrzahl von Kühlrippen ausgerichtet sind.
Batteriemodul, umfassend: eine Mehrzahl von Kühlrippen mit einem Einlassabschnitt, einem Mittelabschnitt und einem Auslassabschnitt, wobei sich der Einlass- und Auslassabschnitt von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von etwa 90° von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen eine Mehrzahl von Kühlkanälen besitzen, die sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstrecken, wobei eine Länge der Einlass- und Auslassabschnitte variiert, so dass die Einlässe und Auslässe der Mehrzahl von Kühlrippen ausgerichtet sind; und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert ist.
Verfahren zum Kühlen eines Batteriemoduls, umfassend: Bereitstellen eines Batteriemoduls, umfassend: eine Mehrzahl von Kühlrippen mit einem Einlassabschnitt, einem Mittelabschnitt und einem Auslassabschnitt, wobei sich der Einlass- und Auslassabschnitt von entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts unter einem Winkel von einer Ebene, die durch den Mittelabschnitt definiert ist, erstrecken, wobei die Kühlrippen zumindest einen Kühlkanal besitzen, der sich von einem Einlass des Einlassabschnitts durch den Mittelabschnitt zu einem Auslass des Auslassabschnitts erstreckt; und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in dem Mittelabschnitt zwischen der Mehrzahl von Kühlrippen positioniert ist; Verbinden des zumindest einen Kühlkanals mit einem Einlassverteiler an einem Einlassende und mit einem Auslassverteiler an einem Auslassende; und Umwälzen von Kühlfluid durch den zumindest einen Kühlkanal.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei sich der Einlass- und Auslassabschnitt in entgegengesetzten Richtungen von der Ebene erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit einer Ausdehnungseinheit, die zwischen den Batteriezellen positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Biegeradius der Kühlrippe etwa 2 mm beträgt.