DE102012215815B4

DE102012215815B4 - Kompakte batteriekühlkonstruktion

Info

Publication number: DE102012215815B4
Application number: DE102012215815.4A
Authority: DE
Inventors: Chih-Cheng Hsu; Herman K. Phlegm
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: US20130071700A1; CN103022588A; US8968906B2; DE102012215815A1; CN103022588B

Abstract

Batteriemodul (50), umfassend:eine Mehrzahl von Wiederholrahmen (70);eine Mehrzahl von Batteriezellen (55), die zwischen der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) positioniert sind, wobei jede Batteriezelle (55) von einem flexiblen wärmeleitenden Beutel (60) umgeben ist, welcher aus einem Metall-Polymer-Laminatfilm gebildet ist und eine verlängerte Randrippe (65) auf zumindest einer Seite aufweist, wobei die verlängerte Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60) über einen außenseitigen Rand eines der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) gefaltet ist; undeinen Kühlkörper (80), der mit der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Rand des Wiederholrahmens (70) gefaltet ist, in Kontakt steht.

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 werden durch Integration eines Einlass- und Auslasssammelleitungslochs auf beiden Seiten der Rippe verbunden. Die Einlass- und Auslasssammelleitungen werden dann durch Aneinanderstapeln von zwei oder mehr Rippen und Verbinden der Einlass- und Auslasssammelleitungslöcher geformt. 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 die Rippen in dem Stapel an der Stelle hält.
Ein Beispiel dieses Typs von System ist in 1 gezeigt. Es ist eine auseinander gezogene Ansicht der Batteriepackung 10 gezeigt. Die Batteriezellen 15 sind durch Kühlrippen 20 getrennt. Es ist ein Kühleinlass 25 auf einer Seite der Kühlrippe 20 und ein Kühlauslass 30 auf der anderen Seite der Kühlrippe 20 vorhanden. Kühlmittel strömt durch Kanäle 35 in der Kühlrippe 20. Wärme von den Batteriezellen 15 wird in die Kühlrippe 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 Zusammenbauprozess.
Bei einem alternativen System, das in 2 gezeigt ist, sind die Batteriezellen 15 und die Kühlrippen 20 in dem Rahmen 40 platziert. Die Kühlrippen 20 besitzen einen Abschnitt 22, der zwischen den Batteriezellen 15 platziert ist, und einen Randabschnitt 24 rechtwinklig zu dem Abschnitt 22, der sich entlang des Randes der Batteriezelle erstreckt. Der Randabschnitt 24 steht in Kontakt mit einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper 26.
US 2010 / 0 273 042 A1 offenbart ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einer Vielzahl von wärmeleitenden Platten. Die Platten weisen Rippen an gegenüberliegenden Seiten auf, die eine Fläche für eine Kühlung durch eine externe Kühleinrichtung bereitstellen. Weiterer Stand der Technik ist aus US 2011 / 0 059 347 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte kompakte Batteriekühlkonstruktion bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe sind Batteriemodule mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zum Kühlen von Batteriezellen.
2 ist eine Darstellung eines alternativen Verfahrens nach dem Stand der Technik zum Kühlen von Batteriezellen.
3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Modulwärmetauschers der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Darstellung einer anderen Ausführungsform des Modulwärmetauschers der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGEN
Die neuartige Konstruktion sieht einen einfachen und robusten Batterieinnenwärmetauscher vor, der einen Kühlwirkungsgrad verbessert, Kosten reduziert, eine Kühlzuverlässigkeit verbessert und den Herstellprozess vereinfacht.
Die Konstruktion erlaubt eine Vereinfachung des Batterieinnenwärmetauschers. Die Aluminiumlaminatabdeckung der Batteriezelle wird direkt als die Kühlrippe verwendet. Die thermische Verbindung zwischen dem Rand der Abdeckung und dem Kühlkörper ist optimiert, da die wärmeleitende Abdeckung für die Batteriezelle in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper steht.
Es existieren weniger Dichtungen mit der vorliegenden Konstruktion als bei einigen Konstruktionen nach dem Stand der Technik, da sich die Kühlmittelströmung nur an den Seiten des Moduls anstatt zwischen jeder Batteriezelle oder jeder zweiten Batteriezelle befindet, wie bei Systemen nach dem Stand der Technik.
Zusätzlich ist die Kühlkörperkonstruktion einfach. Es existieren auch weniger Komponenten in dem Modul, da keine Kühlrippen 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 des Stapelns keine Dichtungen ausgebildet werden.
Somit sieht die Konstruktion geringere Material-, Herstell- und Garantiekosten vor.
3 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 50. Das Batteriemodul 50 weist die Batteriezellen 55 auf. Die Batteriezellen 55 sind von einer flexiblen wärmeleitenden Abdeckung 60 umgeben, die verlängerte Randrippen 65 auf zumindest einer Seite und erstrebenswert auf zumindest zwei Seiten besitzt. Die flexible wärmeleitende Abdeckung ist typischerweise ein Metalllaminatfilm, wie beispielsweise ein Aluminiumlaminatfilm. Der Metalllaminatfilm weist typischerweise eine Metalllage mit Polymerlagen auf den Seiten des Metalls auf (beispielsweise Nylon oder Polyethylenterephthalat, das an das Metall mit einem Klebstoff, wie Polypropylen, angehaftet ist).
Das Batteriemodul 50 umfasst Wiederholrahmen 70. Die Wiederholrahmen 70 besitzen typischerweise ein offenes Zentrum, obwohl dies nicht erforderlich ist. Die Wiederholrahmen 70 tragen die Batteriezellen 55. Die Batteriezellen 55 können nach Bedarf in eine Seite des Wiederholrahmens 70 passen. Die Wiederholrahmen 70 bestehen typischerweise aus einem leichten, nicht leitenden Material. Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Kunststoffe, wie Polypropylen, Nylon 66 und andere wenig leitende Materialien. Die Wiederholrahmen können nach Bedarf für eine bauliche Festigkeit faserverstärkt sein.
Wie in 4 gezeigt ist, kann das Batteriemodul 50 Ausdehnungseinheiten 75 auf einer Seite der Batteriezelle beispielsweise zwischen der Batteriezelle 55 und dem Wiederholrahmen 70 (d.h. Batteriezelle / Ausdehnungseinheit/ Wiederholrahmen/ Batteriezelle / Ausdehnungseinheit/Wiederholrahmen etc.) aufweisen. Alternativ dazu können Ausdehnungseinheiten 75 auf beiden Seiten jeder Batteriezelle 55 vorgesehen sein. Es ist auch eine andere Platzierung möglich, wie es dem Fachmann zu verstehen sei (beispielsweise eine Ausdehnungseinheit jede zweite oder dritte etc. Batteriezelle). Die Ausdehnungseinheiten 75 können nach Bedarf in den Wiederholrahmen 70 passen. Die Ausdehnungseinheiten 75 können beispielsweise Schaumschichten sein. Die Ausdehnungseinheit 75 kompensiert die Zellentoleranz und Ausdehnungsschwankung in der Zellendickenrichtung.
Die verlängerten Randrippen 65 des Aluminiumlaminatbeutels 60 sind über den außenseitigen Rand des Wiederholrahmens 70 gefaltet und schichtartig zwischen dem Rand des Wiederholrahmens 70 und dem Kühlkörper 80 angeordnet. Der Kühlkörper 80 ist an zumindest einer Seite der Modulbasis 55 (typischerweise an beiden Seiten) montiert. Der Aluminiumlaminatbeutel 60 und die verlängerten Randrippen 65 leiten die in den Batteriezellen 55 erzeugte Wärme direkt an die Kühlkörper 80. Der direkte Kontakt zwischen der wärmeleitenden Abdeckung und dem Kühlkörper sieht eine effizientere Wärmeübertragung vor. Es ist geschätzt worden, dass die Verbesserung des Wärmeübertragungswirkungsgrades etwa 0,5°C Zellentemperatur mit einer kleineren Schwankung beträgt (bei 25°C kalter Platte mit 4 W an Zellenwärmeerzeugung).
Die Kühlkörper 80 besitzen einen Kanal, durch den das Kühlmittel gepumpt wird. Die Kühlkörper 80 können durch Prägen von zwei Blechen (z.B. aus Aluminium) und Hartverlöten oder Verschweißen derselben geformt werden, wobei die Kanäle gebildet werden. Da die Kühlkörper 80 auf den Seiten der Modulbasis 55 platziert sind, ist nur ein Kühlmitteleinlass 85 und -auslass 90 für jeden Kühlkörper erforderlich. Dies beseitigt den Bedarf nach mehreren Dichtungen für jede Kühlrippe und reduziert die Kosten und die Komplexität des Systems.
Die Wiederholrahmen 70 und die Ausdehnungseinheiten 75 sind zwischen den Batteriezellen gestapelt. Bei einer Ausführungsform können die Wiederholrahmen 70 und die Ausdehnungseinheiten 75 zwischen allen Batteriezellen vorhanden sein (d.h. Batteriezelle/Ausdehnungseinheit/Wiederholrahmen/Batteriezelle/Ausdehnungseinheit/Wiederholrahmen etc.). Jedoch sind andere Anordnungen möglich, beispielsweise Anordnungen, bei denen Wiederholrahmen zwischen allen der Batteriezellen und Ausdehnungseinheiten jede zweite oder dritte etc. Batteriezelle (d.h. Batteriezelle, Wiederholrahmen, Batteriezelle, Ausdehnungseinheit, Wiederholrahmen, etc.) vorhanden sind oder Wiederholrahmen und/oder Ausdehnungseinheiten zwischen immer zwei Batteriezellen (d.h. 2 Batteriezellen, Ausdehnungseinheit und/oder Wiederholrahmen, 2 Batteriezellen, etc.) oder immer drei Batteriezellen (d.h. 3 Batteriezellen, Ausdehnungseinheit und/oder Wiederholrahmen, 3 Batteriezellen etc.) etc. vorhanden sind.
Eine Schicht 95 aus Material zur thermischen Kopplung (TIM von engl.: „thermal interface material“) kann optional zwischen der Innenfläche des Kühlkörpers 80 und der durch die verlängerten Randrippen 65 gebildeten Fläche platziert sein, die über den Rand des Wiederholrahmens 70 gefaltet ist.
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 inhärenten 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.

Claims

Batteriemodul (50), umfassend: eine Mehrzahl von Wiederholrahmen (70); eine Mehrzahl von Batteriezellen (55), die zwischen der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) positioniert sind, wobei jede Batteriezelle (55) von einem flexiblen wärmeleitenden Beutel (60) umgeben ist, welcher aus einem Metall-Polymer-Laminatfilm gebildet ist und eine verlängerte Randrippe (65) auf zumindest einer Seite aufweist, wobei die verlängerte Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60) über einen außenseitigen Rand eines der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) gefaltet ist; und einen Kühlkörper (80), der mit der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Rand des Wiederholrahmens (70) gefaltet ist, in Kontakt steht.
Batteriemodul (50) nach Anspruch 1, ferner mit einer Mehrzahl von Ausdehnungseinheiten (75) zwischen den Batteriezellen (55) und den Wiederholrahmen (70).
Batteriemodul (50) nach Anspruch 2, wobei jede der Mehrzahl von Ausdehnungseinheiten (75) eine Schaumschicht ist.
Batteriemodul (50) nach Anspruch 1, wobei sich eine einer Mehrzahl von Ausdehnungseinheiten (75) an zumindest einer Seite jeder Batteriezelle (55) befindet.
Batteriemodul (50) nach Anspruch 1, ferner mit einer Schicht (95) aus thermischem Schnittstellenmaterial zwischen der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Wiederholrahmen (70) gefaltet ist, und dem Kühlkörper (80).
Verfahren zum Kühlen eines Batteriemoduls (50), umfassend: Bereitstellen eines Batteriemoduls (50), mit: einer Mehrzahl von Wiederholrahmen (70); einer Mehrzahl von Batteriezellen (55), die zwischen der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) positioniert sind, wobei jede Batteriezelle (55) von einem flexiblen wärmeleitenden Beutel (60) umgeben ist, welcher aus einem Metall-Polymer-Laminatfilm gebildet ist und eine verlängerte Randrippe (65) auf zumindest einer Seite aufweist, wobei die verlängerte Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60) über einen außenseitigen Rand eines der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) gefaltet ist; und einen Kühlkörper (80), der mit der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Rand des Wiederholrahmens (70) gefaltet ist, in Kontakt steht; und Umwälzen eines Kühlfluides durch den Kühlkörper (80), wobei der wärmeleitende Beutel (60) die in der Mehrzahl von Batteriezellen (55) erzeugte Wärme an den Kühlkörper (80) über eine Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper (80) und der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60) überträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit einer Mehrzahl von Ausdehnungseinheiten (75) zwischen den Batteriezellen (55) und den Wiederholrahmen (70).
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit einer Schicht (95) eines thermischen Schnittstellenmaterials zwischen der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Wiederholrahmen (70) gefaltet ist, und dem Kühlkörper (80), und wobei die in der Mehrzahl von Batteriezellen (55) erzeugte Wärme an den Kühlkörper (80) durch die Schicht (95) aus Material zur thermischen Kopplung übertragen wird.
Batteriemodul (50), umfassend: eine Mehrzahl von Wiederholrahmen (70); eine Mehrzahl von Ausdehnungseinheiten (75), wobei eine Seite der Ausdehnungseinheit (75) benachbart einer Seite der Wiederholrahmen (70) angeordnet ist; eine Mehrzahl von Batteriezellen (55), wobei eine Seite der Batteriezellen (55) benachbart der anderen Seite der Ausdehnungseinheiten (75) angeordnet ist, wobei jede Batteriezelle (55) von einem flexiblen wärmeleitenden Beutel (60) umgeben ist, welcher aus einem Metall-Polymer-Laminatfilm gebildet ist und eine verlängerte Randrippe (65) auf zumindest einer Seite aufweist, wobei die verlängerte Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60) über einen außenseitigen Rand eines der Mehrzahl von Wiederholrahmen (70) gefaltet ist; und zumindest einen Kühlkörper (80), der mit der verlängerten Randrippe (65) des wärmeleitenden Beutels (60), die über den Rand des Wiederholrahmens (70) gefaltet ist, in Kontakt steht.
Batteriemodul (50) nach Anspruch 9, wobei sich Kühlkörper (80) an gegenüberliegenden Rändern des Wiederholrahmens (70) befinden.