DE102013021411A1

DE102013021411A1 - Batterie mit Wärmeabfuhr

Info

Publication number: DE102013021411A1
Application number: DE102013021411.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Batterie (10) mit mehreren Batteriezellen (1), die untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei zumindest eine der Batteriezellen (1) in einem Strompfad von zumindest einem Elektrodenstapel (11) zu einem Zellpol (13, 14) ein CID (4) aufweist. Die Batterie (10) hat ferner ein Wärmeabfuhrsystem (3), mit dem die Batteriezellen (1) in Wärme leitendem Kontakt stehen. Auch das CID (4) ist Wärme leitend mit dem Wärmeabfuhrsystem (3) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit Wärmeabfuhr.
Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien zum Einsatz als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen, sind häufig mit Zellschutzeinrichtungen ausgestattet, um kritische Betriebszustände, die etwa durch zu hohe Temperaturen, zu hohen Innendruck oder zu hohe Ströme verursacht werden können, zu vermeiden. Insbesondere bei Li-Ionen-Zellen können bei Überladung oder Kurzschluss die Temperatur und der Innendruck im Gehäuse stark ansteigen. Die in den Zeilen enthaltene elektrochemisch aktive Masse ist thermisch instabil und kann sich in einer stark exothermen Reaktion zersetzen, wobei die Zelle irreversibel geschädigt, in Brand gesetzt wird oder sogar explodiert.
Um diese kritischen Betriebszustände zu verhindern, sind zellintegrierte Sicherungen, so genannte Current Interrupt Devices (CIDs) bekannt, die bei Überschreitung eines bestimmten Stromes den Strompfad trennen. Die bekannten CIDs bestehen in der Regel aus einer einfachen Schmelzsicherung, die z. B. durch eine definierte Querschnittseinengung im Strompfad zwischen den Elektroden und zumindest einem Zellpol realisiert wird. Nachteilig bei Schmelzsicherungen sind jedoch die vergleichsweise hohen Ohmschen Verluste im Bereich der Engstelle, die zu einer starken Erwärmung des gezielt geschwächten Bereichs führen. Da bei Erwärmung die spezifische Leitfähigkeit des Materials sinkt, erhöht sich damit der elektrische Widerstand sowie die Verluste und damit wiederum die Temperatur. Hierdurch treten im Normalbetrieb erhebliche Verluste auf, die zu einem verringerten Nutzungsgrad der Brutto-Batteriekapazität zum Antrieb resultiert. Darüber hinaus muss der definiert eingeengte Leiterquerschnitt des CIDs deswegen mit einem größeren Querschnitt ausgeführt werden, was zudem die Auslöseverzögerung des CIDs erhöht.
Die Zellen von Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen stehen ferner zur Abfuhr von Verlustwärme oder zur Beheizung bei tiefen Außentemperaturen im thermischem Kontakt mit Kühl- bzw. Heizplatten, die von einem Temperierfluid durchflossen werden oder thermisch mit anderen Wärmesenken verbunden sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batterie zu schaffen, die über ein CID mit einer geringeren Auslöseverzögerung verfügt und die weniger Ohmsche Verluste in einem Strompfad von den Elektroden zu den Polen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Batterie weist in einer ersten Ausführungsform mehrere Batteriezellen auf, die untereinander elektrisch verschaltet sind. Eine oder mehrere der Batteriezellen hat bzw. haben in einem Strompfad von zumindest einem Elektrodenstapel zu einem Zellpol ein CID. Ferner hat die Batterie ein Wärmeabfuhrsystem, mit dem die Batteriezellen in Wärme leitendem Kontakt stehen. Das CID ist hierbei auch Wärme leitend mit dem Wärmeabfuhrsystem gekoppelt.
Unter CID werden hierin solche Einrichtungen verstanden, die dazu geeignet sind, den Stromfluss durch die Batteriezelle bei einer Grenzwertüberschreitung zumindest eines Betriebsparameters, beispielsweise des Stromflusses, zu unterbrechen. Hierbei kann es sich unter Anderem um Schmelzsicherungen handeln, die den Stromfluss bei Überschreiten einer Maximalstromstärke trennen, indem ein definierter verengter Leiterquerschnitt sich aufgrund der Ohmschen Verluste erwärmt und bei zu großer Last schmilzt. Die im Normalbetrieb auftretenden Verluste durch die Temperaturabhängigkeit des Ohmschen Widerstands werden durch die Erfindung weitestgehend vermieden, da das CID thermisch an das Wärmeabfuhrsystem der Batteriezelle angebunden ist, dadurch bleibt das CID im Normalbetrieb kühler. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine signifikante Verringerung der Verluste möglich. So steigt der spezifische Widerstand von Kupfer bei einer Temperaturerhöhung von 20°C auf 120°C um 38% an.
Mit Zellpol ist hierin der äußere Zellkontakt gemeint, nicht die innere Kontaktierung der einzelnen Elektroden des Elektrodenstapels. Ein Elektrodenstapel kann hierin eine Schichtung von ebenen Elektrodenlagen sein oder aber auch ein Elektrodenwickel. Die thermische Kopplung des CIDs an das Wärmeabfuhrsystem kann direkt erfolgen, wobei das CID das Wärmeabfuhrsystem kontaktiert, oder indirekt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann der definierte enge Querschnitt eines Schmelzsicherungs-CID zudem kleiner als bisher ausgeführt werden, wodurch dessen Auslöseverzögerung reduziert werden kann und die Auslösecharakteristik im Wesentlichen unabhängig vom Lastzustand der Batterie wird.
In einer weiteren Ausführungsform können die Batteriezellen jeweils ein Gehäuse aus einem Wärme leitenden Material aufweisen, das Wärme leitend mit dem Wärmeabfuhrsystem verbunden ist. Das CID ist wiederum mit dem Gehäuse Wärme leitend gekoppelt. Das Gehäuse stellt hierbei einen Wärmeleitpfad von dem CID in das Wärmeabfuhrsystem bereit. Günstiger Weise wird das CID möglichst nahe an dem Wärmeabfuhrsystem positioniert, um einen möglichst geringen Wärmedurchgangswiderstand zu erreichen und den Wärmeleitpfad kurz zu halten, jedoch ist aufgrund von Bauraumrestriktionen auch eine Positionierung des CIDs an einer dem Wärmeabfuhrsystem abgewandten Gehäuseseite möglich.
Alternativ dazu kann das Gehäuse aus einem nicht Wärme leitenden Material bestehen. Einer oder beide der Zellpole sind hierbei mit einem Wärmeübertragungsflansch aus einem Wärme leitenden Material verbunden, wobei der Wärmeübertragungsflansch Wärme leitend an das Wärmeabfuhrsystem angebunden ist. Das CID kann Wärme leitend mit dem Zellpol verbunden sein. Der Wärmeübertragungsflansch kann zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung an das Wärmeabfuhrsystem angepresst werden und/oder durch stoffschlüssige Fügeverfahren mit einem thermisch leitfähigen Zusatzstoff damit verbunden sein; er kann beispielsweise aus einem gebogenen Blech bestehen oder ein Gussteil sein. Die Pole können hierbei durch eine Öffnung im Gehäuse nach außen geführt werden, wo sie dann extern mit dem Wärmeübertragungsflansch verbunden werden.
Das Wärmeabfuhrsystem kann ferner eine fluiddurchströmte Kühlplatte und/oder Kühlrippen aufweisen. Die Kühlrippen können dazu vorgesehen sein, Wärme über natürliche Konvektion, also ohne weiteres Zutun, abzugeben, während die Kühlplatte dazu vorgesehen ist, von einem Kühlmedium durchströmt zu werden, beispielsweise von einem Klimakühlmittel, das im Bereich der Kühlplatte verdampft wird, oder von Kühlwasser. Alternativ oder zusätzlich können auch aktive Kühlelemente wie etwa Peltierelemente oder andere thermoelektrische Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
Ferner kann zwischen dem thermisch leitfähigen Gehäuse und dem Wärmeabfuhrsystem oder zwischen dem Wärmeabfuhrflansch und dem Wärmeabfuhrsystem eine Wärme leitende Ausgleichslage angeordnet sein. Bei der Ausgleichslage kann es sich um eine Wärmeleitfolie, eine Wärme leitende Vergussmasse handeln. Die Ausgleichslage gleicht vorteilhaft Oberflächenrauheiten aus und verbessert den Wärmeübergang von dem thermisch leitfähigen Gehäuse bzw. dem Wärmeübertragungsflansch zum Wärmeabfuhrsystem.
Darüber hinaus kann das elektrisch leitfähige Gehäuse zwei Halbschalen aufweisen, die jeweils eine L-förmige Bördelung aufweisen, wobei die L-förmigen Bördelungen der beiden Halbschalen zusammen eine Auflagefläche für die Kühlplatte bilden. Diese Bauform eignet sich insbesondere, wenn es sich um Rahmenflachzellen handelt. Alternativ dazu kann es sich bei den Zellen auch um Pouchzellen oder prismatische Hardcasezellen handeln, die auch ein thermisch nicht leitfähiges Gehäuse haben können, oder um ganz andere Zelltypen, auf die der Erfindungsgedanke übertragbar ist.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht der Batterie,
2 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Batterie,
3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Batterie.
In 1 ist die erfindungsgemäße Batterie 10 im Querschnitt dargestellt. Bei der Ansicht handelt es sich lediglich um einen Teil einer Traktionsbatterie 10, wobei sich rechts und links an die Batteriezelle 10 weitere Batteriezellen anschließen, die elektrisch in Reihe miteinander verschaltet sind, jedoch in der Figur nicht gezeigt sind. Bei der Batteriezelle 1 handelt es sich um eine bipolare Rahmenflachzelle, die von zwei metallischen Gehäusehälften 15', 15'' umhüllt wird. Die Gehäusehälften 15', 15'' sind durch einen elektrisch isolierenden Rahmen 12 voneinander getrennt, wobei die Gehäusehälften 15', 15'' gleichzeitig als Zellpole 13, 14 dienen.
Die Verlustwärme der Batteriezelle 1 wird über die Gehäusehälften 15', 15'', die hierfür dicker ausgeführt sind als es zur Erreichung der mechanischen Stabilität eigentlich notwendig wäre, zu einer Schmalseite der Batteriezelle 1 geleitet, wo das Gehäuse 15 bzw. jede der Gehäusehälften 15', 15'' eine L-förmige Bördelung aufweist/aufweisen, die eine Kühlplatte 3 thermisch kontaktieren. In die Kühlplatte 3 sind Fluidkanäle 31 eingelassen, durch die bspw. Klimakühlmittel oder eine andere Kühlflüssigkeit geleitet wird. Zur elektrischen Isolation der Gehäusehälften 15', 15'' von der metallischen Kühlplatte ist dazwischen eine Wärmeleitfolie 2 angeordnet, die auch zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs beiträgt, da Oberflächenrauheiten ausgefüllt werden.
Die Batteriezelle 1 ist hermetisch verschlossen, wobei bei der Fertigung die zwei Hälften des isolierenden Rahmens 12 stoffschlüssig verbunden werden, was beispielsweise durch ein Heißpressverfahren, die so genannte Siegelung, geschehen kann. Die elektrische Reihenschaltung von mehreren bipolaren Rahmenflachzellen 1 erfolgt durch Verpressung oder Verschweißung der in der Abbildung oberen L-förmigen Umbördelungen, die sich jeweils mit den Umbördelungen der benachbarten Batteriezellen überlappen. Aus dem Elektrodenstapel 11 ragen an der Anodenseite und an der Kathodenseite jeweils Fähnchen heraus, die jeweils eine anodenseitige und eine kathodenseitige Stromschiene 41, 42 kontaktieren, wobei die anodenseitige Stromschiene 42 mit der in der Figur linken Gehäusehälfte 15'' verbunden ist und die kathodenseitige Stromschiene 41 mit der in der Figur rechten Gehäusehälfte 15'.
Im Strompfad von der kathodenseitigen Stromschiene 41 zu der rechten Gehäusehälfte 15' ist das CID 4 eingeschleift, das strombegrenzend wirkt. Das CID 4 ist Wärme leitend mit der rechten Gehäusehälfte 15' verbunden; insbesondere ist es mit der Gehäusehälfte 15' durch Kraft- oder Stoffschluss verbunden, etwa verpresst oder verklebt. Im CID 4 entstehende Verlustwärme wird über einen thermischen Pfad über die L-förmige Bördelung bzw. den Pol 13 zu dem Wärmeabfuhrsystem 3 geleitet. Das CID 4 erwärmt sich dadurch im Normalbetrieb weniger, wodurch sein ohmscher Widerstand im Betrieb geringer ist als bei bekannten ungekühlten Bauformen. Verluste, die durch die Temperaturabhängigkeit des Ohmschen Widerstands entstehen, werden hierdurch verringert bzw. weitgehend vermieden.
In 2 ist eine Ausführungsform der Batterie dargestellt, gemäß der das Gehäuse 15 ein thermisch nicht leitendes Gehäuse ist. Wenn das CID 4 auf dem Gehäuse angebracht wäre, könnte daher Wärme in weit geringerem Maße abgeleitet werden. Es handelt sich hierbei um eine prismatische Hardcasezelle, wobei die gezeigte erfindungsgemäße Lösung aber auch auf Pouchzellen anwendbar ist. Die Pole 13, 14 sind hier jeweils durch Öffnungen im Gehäuse 15 von dem Elektrodenstapel 11 nach außen geführt, wo sie jeweils elektrisch und thermisch mit dem Wärmeübertragungsflansch 17 verbunden sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Durchführungen der Pole 13, 14 durch die Gehäuseöffnungen isoliert, da das Gehäuse 15 elektrisch leitfähig ist und nur thermisch vergleichsweise schlecht leitend ist. Wenn das Gehäuse 15 jedoch auch elektrisch nicht leitfähig ist, kann auf die Isolierung der Poldurchführungen verzichtet werden, was figurativ jedoch nicht gezeigt ist. Das CID 4 ist hier innerhalb des Gehäuses 15 angeordnet, jedoch nicht thermisch leitend mit diesem verbunden. Die Verlustwärme des CID 4 wird über den Zellpol 13 in den Wärmeübertragungsflansch 17 geleitet und von dort an das Wärmeabfuhrsystem 3 übergeben.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform, wobei es sich hier um eine prismatische Hardcasezelle handelt, bei der der Pluspol 13 auf dem elektrisch leitenden Gehäuse 15, das aus Alumium, Stahl oder Kupfer bestehen kann, liegt und nur der Minuspol 14 isoliert durch das Gehäuse 15 geführt ist. Das CID 4 ist auf der Kathodenseite im Strompfad zwischen der Stromschiene 41 des Elektrodenstapels 11 und dem Gehäuse 15 angeordnet und gibt seine Verlustwärme an das Gehäuse 15 ab, an das es thermisch leitend angebunden ist. Die Verlustwärme wird über das Gehäuse 15 bzw. den „Zellbecher” zur Kühlplatte 3 geleitet, die auf der Unterseite der Batteriezelle 1 unter Zwischenschaltung der Wärmeleitfolie 2 angeordnet ist. Aufgrund des vergleichsweise langen Wärmepfads ist es vorteilhaft, für das Gehäuse 15 ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit einzusetzen.

Claims

Batterie (10) mit – einer Mehrzahl Batteriezellen (1), die untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei zumindest eine der Batteriezellen (1) einem Strompfad von zumindest einem Elektrodenstapel (11) zu einem Zellpol (13, 14) ein CID (4) aufweist, und – mit einem Wärmeabfuhrsystem (3), mit dem die Batteriezellen (1) in Wärme leitendem Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das CID (4) Wärme leitend mit dem Wärmeabfuhrsystem (3) gekoppelt ist.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Batteriezellen (1) jeweils ein Gehäuse (15) aus einem Wärme leitenden Material aufweisen, wobei das Gehäuse (15) Wärme leitend mit dem Wärmeabfuhrsystem (3) verbunden ist und – das CID (4) mit dem Gehäuse (15) Wärme leitend gekoppelt ist, – wobei das Gehäuse (15, 16) einen Wärmeleitpfad von dem CID (4) in das Wärmeabfuhrsystem (3) bereitstellt.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Batteriezellen (1) jeweils ein Gehäuse (15) aus einem nicht Wärme leitenden Material aufweisen, und – zumindest einer der Zellpole (13, 14) mit einem Wärmeübertragungsflansch (17) aus einem Wärme leitenden Material verbunden ist, der Wärme leitend an das Wärmeabfuhrsystem (3) angebunden ist – wobei das CID (4) Wärme leitend mit dem Zellpol (13, 14) verbunden ist.
Batterie (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrsystem (3) – eine fluiddurchströmte Kühlplatte und/oder – Kühlrippen aufweist.
Batterie (10) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem thermisch leitfähigen Gehäuse (15) und dem Wärmeabfuhrsystem (3) oder zwischen dem Wärmeabfuhrflansch (17) und dem Wärmeabfuhrsystem (3) eine Wärme leitende Ausgleichslage (2) angeordnet ist, bevorzugt eine Wärmeleitfolie, Wärme leitende Vergussmasse oder Wärmeleitpaste.
Batterie (10) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Gehäuse (15) zwei Halbschalen (15', 15'') aufweist, wobei die Halbschalen (15', 15'') jeweils eine L-förmige Bördelung aufweisen, die zusammen eine Auflagefläche für die Kühlplatte (3) bilden.
Batterie (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) Rahmenflachzellen, Pouchzellen oder prismatische Hardcasezellen sind.