DE102012222924A1

DE102012222924A1 - Batterieanordnung mit einem Wärmemanagementsystem

Info

Publication number: DE102012222924A1
Application number: DE201210222924
Authority: DE
Inventors: Axel Heise
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: DE102012222924B4; US9490508B2; CN103165959A; US20130157101A1; CN103165959B

Abstract

Eine Batterieanordnung umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, welche benachbart zu und in Wärmeübertragungsbeziehung mit einer Vielzahl von Kühlmodulen angeordnet sind. Die Kühlmodule sind direkt an zumindest einer von einer ersten wärmeleitfähigen Basis und einer zweiten wärmeleitfähigen Basis befestigt oder werden dazu gebracht, daran anzuliegen, um einen Wärmeübertragungspfad von den Batteriezellen durch die Kühlmodule hindurch zu der zumindest einen wärmeleitfähigen Basis zu bilden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Batteriesysteme und im Spezielleren eine Batterieanordnung mit einem integrierten Wärmemanagementsystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Gebrauch von mit Verbrennungsmotoren betriebenen Fahrzeugen ist üblich. Es ist jedoch gut bekannt, dass bestimmte Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Verbrennungsmotoren, z. B. Kraftstoffmangel, Betriebskosten und die nachteilige Auswirkung auf die Umwelt zu dem/r erhöhten Interesse an und Verwendung von mit Elektrizität betriebenen Fahrzeugen geführt haben. Um die für diese Zwecke erforderliche Elektrizität zu liefern, wird typischerweise eine Batterieanordnung verwendet.
Es ist gut bekannt, dass Wärme in Batteriezellen entwickelt wird, wenn die Batterieanordnung verwendet wird, insbesondere, wenn die Batterieanordnung aggressiv geladen oder entladen wird. Die entwickelte Wärme muss entfernt und abgeleitet werden, um eine Leistung der Batterieanordnung zu verbessern und deren Lebensdauer zu verlängern. Traditionellerweise wurden Luftstromsysteme verwendet, um die in den Batteriezellen entwickelte Wärme abzuleiten. Allerdings können typische Luftstromsysteme unter Umständen keine zufriedenstellende Wärmeleitung aus dem Inneren der Batteriezellen bereitstellen. Es ist außerdem gut bekannt, dass eine Größe und ein Gewicht der Batterieanordnung wichtige Überlegungen darstellen. Und Luftstromsysteme, welche typischerweise verwendet werden, um die Batterieanordnung zu kühlen, neigen dazu, viel Raum einzunehmen und zu benötigen. Demzufolge besteht ein Bedarf, Systemkomponenten der Batterieanordnung zu integrieren, um die Größe und das Gewicht in Verbindung mit der Batterieanordnung zu minimieren.
Im Hinblick auf das oben Stehende sollte einzusehen sein, dass es wünschenswert wäre, eine Batterieanordnung mit einem integrierten Wärmemanagementsystem vorzusehen, welches eine Wärmeleitung aus dem Inneren der Batteriezellen weg bereitstellt, und gleichzeitig den Raumbedarf und die Herstellungskomplexität der Batterieanordnung zu minimieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung und im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise eine Batterieanordnung entdeckt, welche ein integriertes Wärmemanagementsystem aufweist, das eine Wärmeleitung aus dem Inneren der Batteriezellen weg bereitstellt, während gleichzeitig der Raum und die Herstellungskomplexität der Batterieanordnung minimiert sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Batterieanordnung: zumindest eine wärmeleitfähige Basis; eine Vielzahl von Kühlmodulen, welche direkt an der zumindest einen wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der Kühlmodule eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen umfasst; und zumindest eine Batteriezelle in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Kühlmodulen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Batterieanordnung: eine erste wärmeleitfähige Basis; eine zweite wärmeleitfähige Basis; eine Vielzahl von ersten Kühlmodulen, welche direkt an der ersten wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der ersten Kühlmodule eine Vielzahl von ersten wärmeleitfähigen Elementen umfasst; eine Vielzahl von zweiten Kühlmodulen, welche direkt an der zweiten wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der zweiten Kühlmodule eine Vielzahl von zweiten wärmeleitfähigen Elementen umfasst; und zumindest eine Batteriezelle, welche benachbart zu und in Wärmeübertragungsbeziehung mit den ersten und zweiten Kühlmodulen angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung.
Das Verfahren umfasst die Schritte, dass: zumindest eine Batteriezelle benachbart zu und in Wärmeübertragungsbeziehung mit zumindest einem einer Vielzahl von Kühlmodulen angeordnet wird, wobei zumindest eines der Kühlmodule eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen umfasst und wobei die Kühlmodule ausgestaltet sind, um direkt an zumindest einer wärmeleitfähigen Basis anzuliegen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung wie auch weitere werden für Fachleute nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung angesichts der begleitenden Zeichnungen ohne weiteres offensichtlich, in welchen:
1 eine schematische Aufrissansicht einer Batterieanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2A–2C schematische Aufrissansichten sind, welche ein Verfahren zum Zusammenbauen der in 1 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen;
3A–3D schematische Aufrissansichten sind, welche ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der in 1 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen;
4 eine schematische Aufrissansicht einer Batterieanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
5A–5C schematische Aufrissansichten sind, welche ein Verfahren zum Zusammenbauen der in 4 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen;
6A–6D schematische Aufrissansichten sind, welche ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der in 4 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen;
7 eine schematische Aufrissansicht einer Batterieanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
8A–8C schematische Aufrissansichten sind, welche ein Verfahren zum Zusammenbauen der in 7 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen; und
9A–9D schematische Aufrissansichten sind, welche ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der in 7 veranschaulichten Batterieanordnung zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.
1 zeigt eine Batterieanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Batterieanordnung 10 kann in verschiedenen Konfigurationen, umfassend, aber nicht beschränkt auf, eine in einer Kraftfahrzeuganwendung verwendete horizontal oder vertikal gestapelte Batteriezellenpaketkonfiguration verwendet werden. Die gezeigte Batterieanordnung 10 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 12, eine Vielzahl von ersten Kühlmodulen 14, welche mit einer ersten wärmeleitfähigen Basis 16 gekoppelt sind, und eine Vielzahl von zweiten Kühlmodulen 18, welche mit einer zweiten wärmeleitfähigen Basis 20 gekoppelt sind. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Batteriezellen 12 prismenförmige Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Batteriezellen sein. Es sollte einzusehen sein, dass innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung auch andere Batteriezellen eingesetzt werden können, welche eine andere Struktur und Elektrochemie verwenden.
Jede der Batteriezellen 12 umfasst eine Vielzahl von Batteriekomponenten (nicht gezeigt), die zwischen einander mit einem Elektrolyt dazwischen zusammenwirken, wie für Fachleute auf dem Gebiet der Lithium-Batterien bekannt. Eine erste Elektrode befindet sich benachbart zu einem ersten Stromkollektor und eine zweite Ladungselektrode gegenüber der ersten Elektrode befindet sich benachbart zu einem zweiten Stromkollektor. Eine Separatorschicht ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode positioniert, wobei die erste und die zweite Elektrode einen Elektrolyt dazwischen aufweisen. Eine Vielzahl von ersten Elektroden und eine Vielzahl von zweiten Elektroden sind in eine elektrisch isolierende Hülle gestapelt und gepackt, um die Batteriezellen 12 zu bilden.
Zwischen den Batteriezellen 12 sind abwechselnd die Kühlmodule 14, 18 angeordnet. Jedes der Kühlmodule 14, 18 umfasst eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen 22 in gestapelter Beziehung. In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Kühlmodule 14, 18 fünf (5) von den wärmeleitfähigen Elementen 22 mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm und einer Länge in einem Bereich von etwa 160 mm bis etwa 180 mm. Es ist jedoch einzusehen, dass die Kühlmodule 14, 18 je nach Wunsch eine beliebige Anzahl der wärmeleitfähigen Elemente 22 mit einer beliebigen Größe und Form umfassen können. Die wärmeleitfähigen Elemente 22 können Platten, Bahnen oder Folien sein, welche aus einem wärmeleitfähigen Material wie z. B. Aluminium, Kupfer und dergleichen gebildet sind, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Jedes der wärmeleitfähigen Elemente 22 umfasst eine erste Wärmeübertragungsfläche 24, eine gegenüberliegende zweite Wärmeübertragungsfläche 26 und Anschlussenden 28, 30. Die erste Wärmeübertragungsfläche 24 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 22 liegt an der zweiten Wärmeübertragungsfläche 26 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 22 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 12 an. Die zweite Wärmeübertragungsfläche 26 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 22 liegt an der ersten Wärmeübertragungsfläche 24 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 22 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 12 an. Wie gezeigt, sind die Enden 28 der wärmeleitfähigen Elemente 22 jedes der Kühlmodule 14 miteinander verbunden, um einen Rippenabschnitt 32 zu bilden. Die Enden 30 der wärmeleitfähigen Elemente 22 jedes der Kühlmodule 18 sind miteinander verbunden, um einen Rippenabschnitt 34 zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen werden die Enden 28, 30 der wärmeleitfähigen Elemente 22 beispielsweise mithilfe eines Schweißverfahrens wie z. B. eines Diffusionsschweißverfahrens, eines Ultraschallschweißverfahrens und dergleichen miteinander verbunden. Es ist jedoch einzusehen, dass die Enden 28, 30 der wärmeleitfähigen Elemente 22 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen miteinander verbunden werden können.
Die gezeigten Rippenabschnitte 32, 34 sind biegbare Nasen, die sich über die Batteriezellen 12 hinaus erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen ist jeder der Rippenabschnitte 32, 34 allgemein planar und weist eine Länge in einem Bereich von etwa 10 mm bis etwa 30 mm auf. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 32, 34 beispielsweise je nach Wunsch eine beliebige Form und Größe aufweisen, z. B. gefaltet sein können. Wie gezeigt, sind die Rippenabschnitte 32, 34 direkt an den wärmeleitfähigen Basen 16 bzw. 20 befestigt, um einen Wärmeflusspfad von den Batteriezellen 12 zu den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 ohne jeglichen thermischen Grenzflächenwiderstand bereitzustellen. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 32, 34 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Schweißen, Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen an den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 befestigt werden können. Auch kann jeder der Rippenabschnitte 32, 34 zumindest eine darin ausgebildete Durchbrechung umfassen, um das Befestigen an den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 zu erleichtern. Es ist auch einzusehen, dass die Rippenabschnitte 32, 34 einfach an den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 anliegen können.
Bezug nehmend auf die 2A–2C ist ein Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 10 gezeigt. Die Kühlmodule 14, 18 werden in alternierender Weise mit den jeweiligen wärmeleitfähigen Basen 16, 20 gekoppelt. Anders ausgedrückt ist das Kühlmodul 14 seitlich in Bezug auf das Kühlmodul 18 versetzt, wie in 2A gezeigt. Wie veranschaulicht, werden die Kühlmodule 14, 18 mit den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 durch direktes Befestigen der Rippenabschnitte 32, 34 der Kühlmodule 14, 18 damit gekoppelt. Jedes der Kühlmodule 14, 18 ist beabstandet, um zuzulassen, dass die Batteriezellen 12 dazwischen angeordnet werden. Danach, wie in 2B veranschaulicht, werden die Kühlmodule 14, 18 in einer ersten Richtung zu den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 hin gebogen. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Winkel Θ zwischen den Rippenabschnitten 32, 34 und dem verbleibenden Abschnitt der Kühlmodule 14 bzw. 18 größer als 90 Grad. Dann werden die Batteriezellen 12 zwischen die und in Wärmeübertragungsbeziehung mit den abwechselnden Kühlmodulen 14, 18 angeordnet. Wie in 2C gezeigt, wird eine der Batteriezellen 12 zwischen den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 angeordnet. Dann wird das benachbarte Kühlmodul 14 in einer zweiten Richtung von der wärmeleitfähigen Basis 16 weg gebogen, sodass der Winkel Θ etwa 90 Grad beträgt. Danach wird eine weitere der Batteriezellen 12 zwischen den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 angeordnet. Dann wird das benachbarte Kühlmodul 18 in einer zweiten Richtung von der wärmeleitfähigen Basis 20 weg gebogen, sodass der Winkel Θ etwa 90 Grad beträgt. Jede der Batteriezellen 12 wird zwischen den benachbarten Kühlmodulen 14, 18 angeordnet, bis die Batterieanordnung 10 vollständig ist. Es ist einzusehen, dass, sobald die Batterieanordnung 10 zusammengebaut ist, die Batterieanordnung 10 in eine Umhausung oder ein Gehäuse angeordnet werden kann.
Die 3A–3D zeigen ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in den 3A–3D gezeigte Verfahren ist dem in den 2A–2C gezeigten Verfahren im Wesentlichen ähnlich, außer dass die in den 3A–3D gezeigten Kühlmodule 14, 18 direkt an den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 befestigt werden oder dazu gebracht werden, daran anzuliegen, wenn die Batterieanordnung 10 zusammengebaut wird.
Das erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung stellt Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereit. Es werden Wärmeübertragungskoeffizienten über bekannten Strukturen wegen der Beseitigung von damit in Verbindung stehendem thermischen Grenzflächenmaterial verbessert, welches zwischen einer wärmeleitfähigen Basis und einem Anordnungsbügel und zwischen dem Anordnungsbügel und einer Kühlplatte erforderlich ist. Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kühlmodule 14, 18 direkt an den wärmeleitfähigen Basen 16, 20 befestigt werden oder daran anliegen, um die Notwendigkeit zu beseitigen, dass das thermische Grenzflächenmaterial die während einer Herstellung und eines Zusammenbaus der Batterieanordnung 10 erforderlichen Toleranzen erfüllt.
4 zeigt eine Batterieanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Batterieanordnung 100 kann in verschiedenen Konfigurationen, umfassend, aber nicht beschränkt auf, eine in einer Kraftfahrzeuganwendung verwendete horizontal oder vertikal gestapelte Batteriezellenpaketkonfiguration verwendet werden. Die gezeigte Batterieanordnung 100 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 112, eine Vielzahl von ersten Kühlmodulen 114, welche mit einer ersten wärmeleitfähigen Basis 116 gekoppelt sind, und eine Vielzahl von zweiten Kühlmodulen 118, welche mit einer zweiten wärmeleitfähigen Basis 120 gekoppelt sind. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Batteriezellen 112 prismenförmige Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Batteriezellen sein. Es sollte einzusehen sein, dass innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung auch andere Batteriezellen eingesetzt werden können, welche eine andere Struktur und Elektrochemie verwenden.
Jede der Batteriezellen 112 umfasst eine Vielzahl von Batteriekomponenten (nicht gezeigt), die zwischen einander mit einem Elektrolyt dazwischen zusammenwirken, wie für Fachleute auf dem Gebiet der Lithium-Batterien bekannt. Eine erste Elektrode befindet sich benachbart zu einem ersten Stromkollektor und eine zweite Ladungselektrode gegenüber der ersten Elektrode befindet sich benachbart zu einem zweiten Stromkollektor. Eine Separatorschicht ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode positioniert, wobei die erste und die zweite Elektrode einen Elektrolyt dazwischen aufweisen. Eine Vielzahl von ersten Elektroden und eine Vielzahl von zweiten Elektroden sind in eine elektrisch isolierende Hülle gestapelt und gepackt, um die Batteriezellen 112 zu bilden.
Zwischen den Batteriezellen 112 sind die Kühlmodule 114, 118 angeordnet. Jedes der Kühlmodule 114, 118 umfasst eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen 122 in gestapelter Beziehung. In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Kühlmodule 114, 118 fünf (5) von den wärmeleitfähigen Elementen 122 mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm und einer Länge in einem Bereich von etwa 80 mm bis etwa 90 mm. Es ist jedoch einzusehen, dass die Kühlmodule 114, 118 je nach Wunsch eine beliebige Anzahl der wärmeleitfähigen Elemente 122 mit einer beliebigen Größe und Form umfassen können. Die wärmeleitfähigen Elemente 122 können Platten, Bahnen oder Folien sein, welche aus einem wärmeleitfähigen Material wie z. B. Aluminium, Kupfer und dergleichen gebildet sind, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Jedes der wärmeleitfähigen Elemente 122 umfasst eine erste Wärmeübertragungsfläche 124, eine gegenüberliegende zweite Wärmeübertragungsfläche 126 und Anschlussenden 128, 130. Die erste Wärmeübertragungsfläche 124 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 122 liegt an der zweiten Wärmeübertragungsfläche 126 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 122 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 112 an. Die zweite Wärmeübertragungsfläche 126 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 122 liegt an der ersten Wärmeübertragungsfläche 124 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 122 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 112 an. Wie gezeigt, sind die Enden 128 der wärmeleitfähigen Elemente 122 jedes der Kühlmodule 114 miteinander verbunden, um einen Rippenabschnitt 132 zu bilden. Die Enden 130 der wärmeleitfähigen Elemente 122 jedes der Kühlmodule 118 sind miteinander verbunden, um einen Rippenabschnitt 134 zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen werden die Enden 128, 130 der wärmeleitfähigen Elemente 122 beispielsweise mithilfe eines Schweißverfahrens wie z. B. eines Diffusionsschweißverfahrens, eines Ultraschallschweißverfahrens und dergleichen miteinander verbunden. Es ist jedoch einzusehen, dass die Enden 128, 130 der wärmeleitfähigen Elemente 122 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen miteinander verbunden werden können.
Die gezeigten Rippenabschnitte 132, 134 sind biegbare Nasen, die sich über die Batteriezellen 112 hinaus erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen ist jeder der Rippenabschnitte 132, 134 allgemein planar und weist eine Länge in einem Bereich von etwa 10 mm bis etwa 30 mm auf. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 132, 134 beispielsweise je nach Wunsch eine beliebige Form und Größe aufweisen, z. B. gefaltet sein können. Wie gezeigt, sind die Rippenabschnitte 132, 134 direkt an den wärmeleitfähigen Basen 116 bzw. 120 befestigt, um einen Wärmeflusspfad von den Batteriezellen 112 zu den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 ohne jeglichen thermischen Grenzflächenwiderstand bereitzustellen. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 132, 134 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Schweißen, Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen an den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 befestigt werden können. Auch kann jeder der Rippenabschnitte 132, 134 zumindest eine darin ausgebildete Durchbrechung umfassen, um das Befestigen an den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 zu erleichtern. Es ist auch einzusehen, dass die Rippenabschnitte 132, 134 einfach an den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 anliegen können.
Bezug nehmend auf die 5A–5C ist ein Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 100 gezeigt. Die Kühlmodule 114, 118 werden in einer im Wesentlichen ausgerichteten Weise mit den jeweiligen wärmeleitfähigen Basen 116, 120 gekoppelt. Anders ausgedrückt ist das Kühlmodul 114 im Wesentlichen seitlich in Bezug auf das Kühlmodul 118 ausgerichtet, wie in 5A gezeigt. Wie veranschaulicht, werden die Kühlmodule 114, 118 mit den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 durch direktes Befestigen der Rippenabschnitte 132, 134 der Kühlmodule 114, 118 damit gekoppelt. Jedes der Kühlmodule 114, 118 ist beabstandet, um zuzulassen, dass die Batteriezellen 112 dazwischen angeordnet werden. Danach, wie in 5B veranschaulicht, werden die Kühlmodule 114, 118 in einer ersten Richtung zu den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 hin gebogen. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Winkel Θ₂ zwischen den Rippenabschnitten 132, 134 und dem verbleibenden Abschnitt der Kühlmodule 114 bzw. 118 größer als 90 Grad. Dann werden die Batteriezellen 112 zwischen die und in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Kühlmodulen 114, 118 angeordnet. Wie in 5C gezeigt, wird eine der Batteriezellen 112 zwischen den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 angeordnet. Dann werden die benachbarten Kühlmodule 114, 118 in einer zweiten Richtung von den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 weg gebogen, sodass der Winkel Θ₂ etwa 90 Grad beträgt. Danach wird eine weitere der Batteriezellen 112 zwischen den Kühlmodulen 114, 118 angeordnet, bis die Batterieanordnung 100 vollständig ist. Es ist einzusehen, dass, sobald die Batterieanordnung 100 zusammengebaut ist, die Batterieanordnung 100 in eine Umhausung oder ein Gehäuse angeordnet werden kann.
Die 6A–6D zeigen ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in den 6A–6D gezeigte Verfahren ist dem in den 5A–5C gezeigten Verfahren im Wesentlichen ähnlich, außer dass die in den 6A–6D gezeigten Kühlmodule 114, 118 direkt an den wärmeleitfähigen Basen 116, 120 befestigt werden oder dazu gebracht werden, daran anzuliegen, wenn die Batterieanordnung 100 zusammengebaut wird.
7 zeigt eine Batterieanordnung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Batterieanordnung 200 kann in verschiedenen Konfigurationen, umfassend, aber nicht beschränkt auf, eine in einer Kraftfahrzeuganwendung verwendete horizontal oder vertikal gestapelte Batteriezellenpaketkonfiguration verwendet werden. Die gezeigte Batterieanordnung 200 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 212, eine Vielzahl von Kühlmodulen 214, welche mit einer ersten wärmeleitfähigen Basis 216 und einer zweiten wärmeleitfähigen Basis 220 gekoppelt sind. Es ist einzusehen, dass zumindest eines der Kühlmodule 214 mit der zweiten wärmeleitfähigen Basis 220 gekoppelt sein kann, falls erwünscht. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Batteriezellen 212 prismenförmige Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Batteriezellen sein. Es sollte einzusehen sein, dass innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung auch andere Batteriezellen eingesetzt werden können, welche eine andere Struktur und Elektrochemie verwenden.
Jede der Batteriezellen 212 umfasst eine Vielzahl von Batteriekomponenten (nicht gezeigt), die zwischen einander mit einem Elektrolyt dazwischen zusammenwirken, wie für Fachleute auf dem Gebiet der Lithium-Batterien bekannt. Eine erste Elektrode befindet sich benachbart zu einem ersten Stromkollektor und eine zweite Ladungselektrode gegenüber der ersten Elektrode befindet sich benachbart zu einem zweiten Stromkollektor. Eine Separatorschicht ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode positioniert, wobei die erste und die zweite Elektrode einen Elektrolyt dazwischen aufweisen. Eine Vielzahl von ersten Elektroden und eine Vielzahl von zweiten Elektroden sind in eine elektrisch isolierende Hülle gestapelt und gepackt, um die Batteriezellen 212 zu bilden.
Zwischen den Batteriezellen 212 sind die Kühlmodule 214 angeordnet. Jedes der Kühlmodule 214 umfasst eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen 222 in gestapelter Beziehung. In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Kühlmodule 214 fünf (5) von den wärmeleitfähigen Elementen 222 mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm und einer Länge in einem Bereich von etwa 160 mm bis etwa 180 mm. Es ist jedoch einzusehen, dass die Kühlmodule 214 je nach Wunsch eine beliebige Anzahl der wärmeleitfähigen Elemente 222 mit einer beliebigen Größe und Form umfassen können. Die wärmeleitfähigen Elemente 222 können Platten, Bahnen oder Folien sein, welche aus einem wärmeleitfähigen Material wie z. B. Aluminium, Kupfer und dergleichen gebildet sind, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Jedes der wärmeleitfähigen Elemente 222 umfasst eine erste Wärmeübertragungsfläche 224, eine gegenüberliegende zweite Wärmeübertragungsfläche 226 und Anschlussenden 228, 230. Die erste Wärmeübertragungsfläche 224 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 222 liegt an der zweiten Wärmeübertragungsfläche 226 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 222 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 212 an. Die zweite Wärmeübertragungsfläche 226 jedes der wärmeleitfähigen Elemente 222 liegt an der ersten Wärmeübertragungsfläche 224 des benachbarten wärmeleitfähigen Elements 222 oder einer Fläche einer der Batteriezellen 212 an. Wie gezeigt, sind die Enden 228 der wärmeleitfähigen Elemente 222 jedes der Kühlmodule 214 miteinander verbunden, um einen Rippenabschnitt 232 zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen werden die Enden 228 der wärmeleitfähigen Elemente 222 beispielsweise mithilfe eines Schweißverfahrens wie z. B. eines Diffusionsschweißverfahrens, eines Ultraschallschweißverfahrens und dergleichen miteinander verbunden. Es ist jedoch einzusehen, dass die Enden 228 der wärmeleitfähigen Elemente 222 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen miteinander verbunden werden können.
Die gezeigten Rippenabschnitte 232 sind biegbare Nasen, die sich über die Batteriezellen 212 hinaus erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen ist jeder der Rippenabschnitte 232 allgemein planar und weist eine Länge in einem Bereich von etwa 10 mm bis etwa 30 mm auf. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 232 beispielsweise je nach Wunsch eine beliebige Form und Größe aufweisen, z. B. gefaltet sein können. Wie gezeigt, sind die Rippenabschnitte 232 direkt an der wärmeleitfähigen Basis 216 befestigt, um einen Wärmeflusspfad von den Batteriezellen 212 zu der wärmeleitfähigen Basis 216 ohne jeglichen thermischen Grenzflächenwiderstand bereitzustellen. Es ist einzusehen, dass die Rippenabschnitte 232 beispielsweise mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie z. B. Schweißen, Hartlöten, Löten, Nieten, Klammern, der Verwendung eines Klebers und dergleichen an der wärmeleitfähigen Basis 216 befestigt werden können. Auch kann jeder der Rippenabschnitte 232 kann zumindest eine darin ausgebildete Durchbrechung umfassen, um das Befestigen an der wärmeleitfähigen Basis 216 zu erleichtern. Es ist auch einzusehen, dass die Rippenabschnitte 232 an der wärmeleitfähigen Basis 216 anliegen können.
Bezug nehmend auf die 8A–8C ist ein Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 200 gezeigt. Die Kühlmodule 214 werden mit der wärmeleitfähigen Basis 216 gekoppelt. Wie veranschaulicht, sind die Kühlmodule 214 mit der wärmeleitfähigen Basis 216 durch direktes Befestigen der Rippenabschnitte 232 der Kühlmodule 214 daran gekoppelt. Jedes der Kühlmodule 214 ist beabstandet, um zuzulassen, dass die Batteriezellen 212 dazwischen angeordnet werden. Danach, wie in 8B veranschaulicht, werden die Kühlmodule 214 in einer ersten Richtung zu der wärmeleitfähigen Basis 216 hin gebogen. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Winkel Θ₃ zwischen den Rippenabschnitten 232 und dem verbleibenden Abschnitt der Kühlmodule 214 größer als 90 Grad. Dann werden die Batteriezellen 212 zwischen die und in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Kühlmodulen 214 angeordnet. Wie in 8C gezeigt, wird eine der Batteriezellen 212 zwischen den wärmeleitfähigen Basen 216, 220 angeordnet. Dann wird das benachbarte Kühlmodul 214 in einer zweiten Richtung von der wärmeleitfähigen Basis 216 weg gebogen, sodass der Winkel Θ₂ etwa 90 Grad beträgt. Danach wird eine weitere der Batteriezellen 212 zwischen den benachbarten Kühlmodulen 214 angeordnet, bis die Batterieanordnung 200 vollständig ist. Es ist einzusehen, dass, sobald die Batterieanordnung 200 zusammengebaut ist, die Batterieanordnung 200 in eine Umhausung oder ein Gehäuse angeordnet werden kann.
Die 9A–9D zeigen ein alternatives Verfahren zum Zusammenbauen der Batterieanordnung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in den 9A–9D gezeigte Verfahren ist dem in den 8A–8C gezeigten Verfahren im Wesentlichen ähnlich, außer dass die in den 9A–9D gezeigten Kühlmodule 214 direkt an der wärmeleitfähigen Basis 216 befestigt werden oder dazu gebracht werden, daran anzuliegen, wenn die Batterieanordnung 200 zusammengebaut wird.
Ein Fachmann kann aus der vorhergehenden Beschreibung ohne weiteres die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung ermitteln und, ohne von deren Geist und Schutzumfang abzuweichen, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen.

Claims

Batterieanordnung, umfassend: zumindest eine wärmeleitfähige Basis; eine Vielzahl von Kühlmodulen, welche direkt an der zumindest einen wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der Kühlmodule ein Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen umfasst; und zumindest eine Batteriezelle in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Kühlmodulen.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Batteriezelle zwischen den Kühlmodulen angeordnet ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Kühlmodule direkt an der zumindest einen wärmeleitfähigen Basis. befestigt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt eines der wärmeleitfähigen Elemente mit zumindest einem Abschnitt eines anderen der wärmeleitfähigen Elemente des zumindest einen der Kühlmodule verbunden ist, um einen Rippenabschnitt zu bilden.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der Kühlmodule biegbar ist.
Batterieanordnung, umfassend: eine erste wärmeleitfähige Basis; eine zweite wärmeleitfähige Basis; eine Vielzahl von ersten Kühlmodulen, welche direkt an der ersten wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der ersten Kühlmodule ein Vielzahl von ersten wärmeleitfähigen Elementen umfasst; eine Vielzahl von zweiten Kühlmodulen, welche direkt an der zweiten wärmeleitfähigen Basis anliegen, wobei zumindest eines der zweiten Kühlmodule ein Vielzahl von zweiten wärmeleitfähigen Elementen umfasst; und zumindest eine Batteriezelle, welche benachbart zu und in Wärmeübertragungsbeziehung mit den ersten und zweiten Kühlmodulen angeordnet ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Abschnitt eines der ersten wärmeleitfähigen Elemente mit zumindest einem Abschnitt eines anderen der ersten wärmeleitfähigen Elemente verbunden ist, um einen Rippenabschnitt zu bilden.
Batterieanordnung nach Anspruch 6, wobei zumindest eines der zweiten Kühlmodule direkt an der zweiten wärmeleitfähigen Basis befestigt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 6, wobei jedes der ersten Kühlmodule seitlich in Bezug auf jedes der zweiten Kühlmodule versetzt ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 6, wobei jedes der ersten Kühlmodule im Wesentlichen seitlich mit einem jeweiligen der zweiten Kühlmodule ausgerichtet ist.