DE102013021651A1

DE102013021651A1 - Batterie mit Zellkühlung

Info

Publication number: DE102013021651A1
Application number: DE201310021651
Authority: DE
Inventors: Bernhard Scherbauer; Ulrich Schneider
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Batterie (10) mit Zellkühlung bereit, die zumindest ein Batteriemodul (10') mit einem Zellstapel (1') aufweist. Dabei ist der Zellstapel (1') in einem Modulrahmen (4) angeordnet und thermisch mit einer Wärmeabfuhrvorrichtung gekoppelt. Der Modulrahmen (4) hat zumindest zwei Trägerprofile (4') aus einem wärmeleitenden Material, die zu dem Plattenwärmetauscher (2) weisend über den Zellstapel (1') hinausragen. Die Wärmeabfuhrvorrichtung ist ein fluiddurchströmter Plattenwärmetauscher (2), der an einer zu dem Batteriemodul (10') weisenden Seite zumindest zwei Versickungen (32) aufweist, wobei in den nicht versickten Bereichen (31) Fluidkanäle (33) vorliegen. Die über den Zellstapel (1') hinausragenden Abschnitte der Trägerprofile (4') sind jeweils in einer Versickung (32) des Plattenwärmetauschers (2) aufgenommen, und ein Abschnitt zumindest einer zu dem Plattenwärmetauscher (2) weisenden Zelle des Zellstapels (1') kontaktiert den Plattenwärmetauscher (2) in den verrippungsfreien Bereichen (31).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit Zellkühlung.
Batterien im Allgemeinen und insbesondere Hochvoltbatterien, die als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, geben während des Betriebs Verlustwärme ab, die abgeführt werden muss, da bei Überschreiten einer batterietypabhängigen Grenztemperatur irreversible Zellschädigungen auftreten. Insbesondere bei Anordnung und Verschaltung mehrerer Batteriezellen zu Stacks erwärmen sich die Einzelzellen stark, da aufgrund der dichten Anordnung keine hinreichende Hinterlüftung gegeben ist. Würde man für mobile Anwendungen eine Luftkühlung vorsehen wollen, müssten vergleichsweise große Abstände zwischen den Einzelzellen eingehalten werden, was zu einer inakzeptablen volumetrischen Leistungsdichte der Batterie führen würde.
Eine weitere Möglichkeit, Zellen vor thermischer Überlastung zu schützen ist es, die Einzelzellen in einem thermisch sehr massiven Batteriegehäuse anzuordnen, so dass es die Verlustwärme der Zellen aufnehmen und zwischenspeichern kann. In mobilen Anwendungen hat sich dies jedoch nicht durchgesetzt, da auf diese Weise thermisch gepufferte Batterien sehr schwer und voluminös sind. Zur Erreichung einer möglichst hohen volumetrischen Leistungsdichte, wird die Verlustwärme von Batterien für mobile Anwendungen daher nicht durch thermische Kapazitäten abgepuffert, sondern an ein Wärmeabfuhrsystem abgegeben.
Hierbei ist es üblich, mehrere Batteriezellen zu einem Modul zu verschalten, wobei die Zellen innerhalb der Module beispielsweise durch Zellhalter bzw. Spannbänder zusammengehalten werden, die über die Abmessungen der Zellen hinausragen. Zwischen den Modulen und der Kühlplatte ergibt sich daher überall dort ein Spalt zwischen Zellen und Kühlplatte, wo keine Spannbänder verlaufen, was zu einer erhöhten Bauhöhe führt, die in mobilen Anwendungen, insbesondere bei Batterien, die zur Unterbodenmontage bestimmt sind, nicht erwünscht ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit Zellkühlung zu schaffen, die eine geringere Bauhöhe als bekannte Batterien hat.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Batterie sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der Batterie mit Zellkühlung, die zumindest ein Batteriemodul mit einem Zellstapel aufweist, sieht vor, dass der Zellstapel in einem Modulrahmen angeordnet und thermisch mit einer Wärmeabfuhrvorrichtung gekoppelt ist. Dabei weist der Modulrahmen zumindest zwei Trägerprofile aus einem wärmeleitenden Material auf, die zu dem Plattenwärmetauscher weisend über den Zellstapel hinausragen. Erfindungsgemäß ist die Wärmeabfuhrvorrichtung ein fluiddurchströmter Plattenwärmetauscher, der an einer zu dem Batteriemodul weisenden Seite zumindest zwei Versickungen aufweist, wobei in den nicht versickten Bereichen Fluidkanäle vorliegen. Die über den Zellstapel hinausragenden Abschnitte der Trägerprofile sind jeweils in einer Versickung des Plattenwärmetauschers aufgenommen. Ein Abschnitt zumindest einer zu dem Plattenwärmetauscher weisenden Zelle des Zellstapels kontaktiert den Plattenwärmetauscher in den verrippungsfreien Bereichen.
Geeigneter Weise erstrecken sich die Trägerprofile des Modulrahmens über die Zelle hinaus. Zwei gegenüberliegende Platten, die entlang der Länge der Trägerprofile miteinander verbunden sind, stellen keine vollflächige Durchströmung bereit, sondern diskrete Fluidkanäle.
Das Batteriemodul hat gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Zellspannvorrichtung, die bevorzugt eine Spannplatte sein kann, die eine Spannkraft in Normalenrichtung der Zellen bereitstellt. Dabei ist die Spannplatte bevorzugt in einer weiteren Versickung aufgenommen, die zwischen den Versickungen, in denen die Trägerprofile des Modulrahmens aufgenommen sind, vorliegt.
Weiter kann die Batterie eine Modulspannvorrichtung aufweisen. Diese kann geeigneter Weise ein Spannband sein, oder alternativ oder zusätzlich zumindest eine Schraube, die zur Ausübung einer Anpresskraft kraftleitend mit dem Plattenwärmetauscher und dem Modulrahmen verbunden ist.
Die Batterie hat Zellen, die nach einer noch weiteren Ausführungsform in Bezug zu dem Plattenwärmetauscher stehend angeordnet sind. Dabei meint „in Bezug zu dem Plattenwärmetauscher” eine Ebene des Plattenwärmetauschers, die parallel zu den Platten verläuft.
In einer alternativen Anordnung können die Zellen in Bezug zu dem Plattenwärmetauscher (2) liegend angeordnet sein, wobei über einer von dem Plattenwärmetauscher (2) abgewandten Zelle (1) des Zellstapels (1') eine Spannplatte (5) angeordnet ist und/oder neben dem Zellstapel (1') stehend eine Wärmeleitplatte (6) angeordnet ist, die die Zellen (1) des Zellstapels (1') untereinander wärmeleitend verbindet und die den Plattenwärmetauscher (2) thermisch kontaktiert.
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 weiteren Ausführungsform der Batterie,
In 1 ist eine ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 10 gezeigt, wobei die Zellen 1 des Batteriemoduls 10' stehend angeordnet sind.
Mehrere Batteriezellen 1 sind in die Bildebene hinein gestapelt angeordnet und bilden den Zellstapel 1', der in dem Modulrahmen 4, der einander gegenüberliegend zwei Profilrahmen 4' hat, eingespannt ist. An seiner Oberseite hat der Zellstapel 1' Anschlussterminals bzw. Pole 1'' zur elektrischen Kontaktierung. An seiner Unterseite ist eine Spannplatte 3 angeordnet, die der Verspannung der Batteriezellen 1 zu dem Zellstapel 1' dient, wobei die Spannplatte 3 an einem in die Bildebene hinein- oder herausweisenden Ende des Zellstapels 1' umgebogen sein kann, sodass sie die jeweils außenliegenden Zellen 1 des Zellstapels 1' formschlüssig umgreifen kann.
Die Schmalseiten der Batteriezellen 1 kontaktieren jeweils den unter den Batteriemodulen 10' angeordneten Plattenwärmetauscher 2, der aus zwei Platten besteht, wobei die obere Platte Versickungen 32 und nicht versickte Bereiche 31 aufweist. Die beiden Platten sind in den Bereichen mit Versickungen miteinander stoffschlüssig und fluiddicht verbunden während in den nicht versickten Bereichen 31 sich Fluidkanäle 33 erstrecken. Ein solcher Wärmetauscher 2 kann etwa mit Fertigungstechnik, die aus der Herstellung von Plattenheizkörpern oder Kühlschrankverdampfern in Rollbond-Technik bekannt ist, hergestellt werden. Der Plattenwärmetauscher 2 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen, wodurch sich bei vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit ein vergleichsweise geringes Gewicht erreichen lässt.
In den Versickungen 32 sind hierbei die Spannplatten 3 und jeweils Abschnitte der Trägerprofile 4' des Modulrahmens 4 aufgenommen, wodurch die Bauhöhe der Batterie im Vergleich zu bekannten gekühlten Batterien, die eine ebene Kühlplatte haben, insgesamt reduziert wird.
Die Zellen 1 können vorteilhaft ein thermisch leitendes Gehäuse aus Metall haben, sodass Wärme auch in Normalenrichtung der Zellen 1 über die Gehäuse von benachbarten Batteriezellen 1 übertragen werden kann.
Vorteilhaft können bei der erfindungsgemäßen Batterie 10 einzelne Batteriemodule 10' ausgetauscht werden, ohne die Schlauchverbindungen, Fittings oder ähnliches lösen zu müssen. Das Batteriemodul kann einfach von dem Plattenwärmetauscher 2 abgenommen werden, wobei zuvor eine nicht figurativ gezeigte Spannvorrichtung, die das Batteriemodul 10' auf den Plattenwärmetauscher 2 presst, gelöst werden muss. Der Austausch kann sogar geschehen, ohne den Fluidkreis öffnen und Kühlmittel ablassen zu müssen.
In 2 ist eine Ausführungsform der Batterie 10 gezeigt, in der die Batteriezellen 1 liegend, d. h. parallel zu dem Plattenwärmetauscher 2 angeordnet sind. Die Batteriezellen 1 werden hier durch zwei Spannplatten 3, 5, eine obere Spannplatte 5 und eine untere Spannplatte 3 in Normalenrichtung des Gehäuses aneinander gepresst, um eine verbesserte Wärmeübertragung von Zelle zu Zelle in Normalenrichtung zu erreichen. Die Zellpole 1'' liegen hier nicht an der Oberseite des Batteriemoduls 10' vor, sondern sind hier an die Seitenflächen angeordnet, wobei die Zellpole 1'' zur elektrischen Verschaltung untereinander mit Zellverbindern versehen werden können.
Hier kontaktiert die dem Plattenwärmetauscher 2 zugewandte untere Batteriezelle 1 den Plattenwärmetauscher thermisch.
Die untere Spannplatte 3 und die Abschnitte der Profilträger, die über den Zellstapel 1' hinausragen sind, wie auch in 1 gezeigt, bauraumsparend in den Versickungen des Plattenwärmetauschers aufgenommen.
In einer nicht figurativ gezeigten Ausführungsform kann sogar vorgesehen sein, den Querschnitt der Versickungen 32 auf dem Querschnitt der unteren Spannplatten 3 anzupassen, bzw. umgekehrt, wodurch durch eine erhöhte Wärmeübertragungsfläche eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht werden kann.

Claims

Batterie (10) mit Zellkühlung, die zumindest ein Batteriemodul (10') mit einem Zellstapel (1') aufweist, wobei der Zellstapel (1') in einem Modulrahmen (4) angeordnet und thermisch mit einer Wärmeabfuhrvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Modulrahmen (4) zumindest zwei Trägerprofile (4') aus einem wärmeleitenden Material aufweist, die zu dem Plattenwärmetauscher (2) weisend über den Zellstapel (1') hinausragen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmeabfuhrvorrichtung ein fluiddurchströmter Plattenwärmetauscher (2) ist, der an einer zu dem Batteriemodul (10') weisenden Seite zumindest zwei Versickungen (32) aufweist, wobei in den nicht versickten Bereichen (31) Fluidkanäle (33) vorliegen, und – die über den Zellstapel (1') hinausragenden Abschnitte der Trägerprofile (4') jeweils in einer Versickung (32) des Plattenwärmetauschers (2) aufgenommen sind, und – ein Abschnitt zumindest einer zu dem Plattenwärmetauscher (2) weisenden Zelle des Zellstapels (1') den Plattenwärmetauscher (2) in den verrippungsfreien Bereichen (31) kontaktiert.
Batterie (10) mit Zellkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10') eine Zellspannvorrichtung aufweist, bevorzugt zumindest eine Spannplatte (3), die eine Spannkraft in Normalenrichtung der Zellen (1) bereitstellt, wobei die Spannplatte (3) bevorzugt in einer weiteren Versickung (32) aufgenommen ist, die zwischen den Versickungen (32), in denen die Trägerprofile (4') des Modulrahmens (4) aufgenommen sind, vorliegt.
Batterie (10) mit Zellkühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine Modulspannvorrichtung aufweist, bevorzugt ein Spannband und/oder zumindest eine Schraube, die zur Ausübung einer Anpresskraft kraftleitend mit dem Plattenwärmetauscher (2) und dem Modulrahmen verbunden ist.
Batterie nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) in Bezug zu dem Plattenwärmetauscher (2) stehend angeordnet sind.
Batterie nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) in Bezug zu dem Plattenwärmetauscher (2) liegend angeordnet sind, wobei über einer von dem Plattenwärmetauscher (2) abgewandten Zelle (1) des Zellstapels (1') eine Spannplatte (5) angeordnet ist und/oder neben dem Zellstapel (1') stehend eine Wärmeleitplatte (6) angeordnet ist, die die Zellen (1) des Zellstapels (1') untereinander wärmeleitend verbindet und die den Plattenwärmetauscher (2) thermisch kontaktiert.