DE102013207597A1

DE102013207597A1 - Befestigungseinrichtung für einen Kühlkörper an einer galvanischen Zelle und ein Verfahren zur Befestigung eines Kühlkörpers an einer galvanischen Zelle

Info

Publication number: DE102013207597A1
Application number: DE201310207597
Authority: DE
Inventors: Stefan Hirsch; Peter Englert
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30
Also published as: WO2014173830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung für einen Kühlkörper an einer galvanischen Zelle, welche einen wärmeleitenden Kontakt zwischen Kühlkörper (2) und galvanischer Zelle und gleichzeitig eine elektrische Isolierung zwischen Kühlkörper (2) und galvanischer Zelle gewährleistet. Bei einer Befestigungseinrichtung, welche direkt auf dem ungereinigten Kühlkörper angeordnet werden kann, wird eine mehrschichtige, vorzugsweise als Etikett ausgebildete, Verbundfolie (1), welche eine an dem Kühlkörper (2) anzuordnende mechanische Sperrschicht (4) umfasst, auf der eine elektrische Isolationsschicht (6) angeordnet ist, verwendet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung für einen Kühlkörper an einer galvanischen Zelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Befestigung eines Kühlkörpers an einer galvanischen Zelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Stand der Technik
Hochleistungsbatterien, wie Lithium-Ionen-Batterien, werden als Energiespeicher vielfältig, z. B. in Kraftfahrzeugen, genutzt. Beim Betrieb von solchen Hochleistungszellen entsteht Verlustwärme, die zur Aufheizung der Hochleistungszelle führt. Besonders Lithium-Ionen-Batterien altern ab einer bauartbedingten Temperatur aber deutlich schneller, so dass sich die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie unerwünscht verkürzt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Kühlkörper an der Lithium-Ionen-Batterie angebracht.
In der EP 2 200 109 A2 ist eine Halte- und Kühlungsvorrichtung für eine galvanische Zelle offenbart, bei welcher an der Unterseite der einzelnen Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie eine Kühlplatte zur Kühlung der Lithium-Ionen-Batterie angebracht ist. Die Kühlplatte enthält dabei innenliegende Kanäle, in denen ein Kühlmittel geführt wird. Zur Befestigung der Zellen der Lithium-Ionen-Batterie sind an der Kühlplatte senkrecht dazu Halteelemente ausgebildet, welche eine Aufnahmetasche für je eine Zelle der Lithium-Ionen-Batterie bilden. Eine solche Halterung für die Batteriezellen ist nicht nur konstruktiv sehr aufwändig sondern auch sehr kostenintensiv.
Die Kühlplatte besteht dabei vollständig aus Aluminium und wird in einem Lötprozess zu einem fluiddichten Kühler gefügt. Durch den Lötprozess kommt es zwangsläufig zu Verunreinigungen der Oberfläche des Kühlkörpers durch beispielsweise Flussmittel bzw. Lotreste. Um die Oberfläche des Kühlkörpers zu säubern, müssen deshalb Schleif-, Bürst- und weitere Reinigungsprozesse durchgeführt werden, was den Herstellungsprozess zusätzlich verteuert.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Befestigungseinrichtung für einen Kühlkörper an einer galvanischen Zelle zu schaffen, die eine einfache Handhabung erlaubt, wobei auf einen Reinigungsprozess des Kühlkörpers verzichtet werden kann.
Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach eine mehrschichtige, vorzugsweise als Etikett ausgebildete, Verbundfolie, welche eine an dem Kühlkörper anzuordnende mechanische Sperrschicht umfasst, auf der eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass Schleif- und Reinigungsarbeiten nach dem Fertigstellungsprozess des Kühlkörpers entfallen können, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden. Zusätzlich wird eine Erhöhung der Fertigungsqualität bewirkt, da die mehrschichtige Verbundfolie einfach zu handhaben ist. Gleichzeitig wird eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen Zellen und Kühlkörper erreicht, wobei der unmittelbare wärmeleitende Kontakt zwischen dem Kühlkörper und der Lithium-Ionen-Batterie ebenfalls zuverlässig gewährleistet wird.
Vorteilhafterweise ist die wärmeleitende, mechanische Sperrschicht über eine erste stoffschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper verbindbar. Die mechanische Sperrschicht, die direkt auf dem Kühlkörper aufliegt, stellt somit eine Sperre für die Partikel und Verunreinigungen dar, welche nach dem Fertigungsprozess auf dem Kühlkörper vorhanden sind. Durch diese mechanische Sperre wird eine Beschädigung der darüber liegenden elektrischen Isolationsschicht durch Partikel und Verunreinigungen zuverlässig vermieden. Gleichzeitig erfüllt die mechanische Sperrschicht die Aufgabe der Wärmeleitung und führt somit die von der Lithium-Ionen-Batterie erzeugte Wärme zuverlässig an den Kühlkörper ab.
In einer Ausgestaltung ist die erste stoffschlüssige Verbindung als Klebeschicht ausgebildet, deren Stärke vorzugsweise so gewählt ist, dass Unebenheiten auf dem Kühlkörper ausgeglichen werden. Diese Klebeschicht ist ebenfalls gut wärmeleitend und wirkt als sogenannter „Gap-Füller” und gleicht Unebenheiten und Fertigungstoleranzen auf dem Kühlkörper aus. Genauso werden sich auf dem Kühlkörper befindende Partikel eingeschlossen bzw. egalisiert. Durch die mechanische Sperrschicht können darüber hinaus kleinere Löcher in der Oberfläche des Kühlkörpers, z. B. Noppen, Stoßstellen, benachbarter Teile, Lotnähte oder ähnliches, überbrückt werden. Dies hat zur Folge, dass auf der Seite der Lithium-Ionen-Batterie ein gleichmäßiger Anpressdruck erreicht wird.
In einer Variante ist die elektrische Isolationsschicht über eine zweite stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise einer zweiten Klebeschicht, flächig auf der mechanischen Sperrschicht positioniert. Die Dicke der zweiten stoffschlüssigen Verbindung ist dabei so gewählt, dass ein möglichst fester flächiger Verbund mit der mechanischen Sperrschicht gewährleistet wird, wobei auch diese zweite Klebeschicht gut wärmeleitend ist.
In einer Ausführungsform besteht die elektrische Isolationsschicht aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polyester, welcher eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehreren 1000 Volt besitzt. Durch diese elektrische Isolationsschicht wird die Prozesssicherheit erhöht.
Um Verunreinigungen der elektrischen Isolationsschicht während einer Prüfung auf elektrische Durchschlagsfestigkeit zu verhindern, ist die elektrische Isolationsschicht mit einer Schutzschicht abgedeckt, welche über eine dritte stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise einer Haftschicht, auf der elektrischen Isolationsschicht befestigt ist.
In einer weiteren Variante sind die Schutzschicht und/oder die dritte stoffschlüssige Verbindung elektrisch leitend ausgebildet. Insbesondere diese Eigenschaft ermöglicht ihren Verbleib auf der elektrischen Isolationsschicht während der Prüfung der Verbundfolie auf Durchschlagsfestigkeit.
In einer Ausgestaltung bestehen die mechanische Sperrschicht und/oder die Schutzschicht aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium. Die Verwendung eines Metalls unterstützt zum einen die Wärmeleitung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und dem Kühlkörper und garantiert gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit. Die mechanische Sperrschicht muss aber nicht zwingend aus einem Metall, sondern kann auch aus anderen Materialien wie faserverstärktem Kunststoff oder Stahl bestehen, die die erläuterten Eigenschaften aufweisen.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Kühlkörpers an einer galvanischen Zelle mittels einer Befestigungsvorrichtung gemäß dieser Schutzrechtsanmeldung. Bei einem Verfahren, bei welchem auf umfangreiche Reinigungsprozesse des Kühlkörpers nach dessen Herstellung verzichtet werden kann, wird die als Verbundfolie ausgebildete Befestigungseinrichtung nach einem Lötvorgang des Kühlkörpers auf den ungereinigten Kühlkörper mit einer ersten stoffschlüssigen Verbindung der mehrschichtigen Verbundfolie aufgebracht. Mittels dieses Verfahrens werden nicht nur zusätzliche Prozessschritte eingespart, sondern auch die Fertigungsqualität erhöht. Die Handhabung der Verbundfolie stellt eine kostengünstige und einfache Montage dar.
Vorteilhafterweise erfolgt vor dem Entfernen der Schutzschicht und der dritten stoffschlüssigen Verbindung eine Prüfung einer Durchschlagsfestigkeit der elektrischen Isolationsschicht. Diese Prüfung auf elektrische Schlagfestigkeit erfolgt, indem eine Elektrode auf die Schutzschicht aufgesetzt wird. Die Schutzschicht wird dabei nicht entfernt. Eine potentielle Verunreinigung der elektrischen Isolationsschicht durch das Aufsetzen der Elektrode wird bei dieser Art der Prüfung vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung,
2 das erste Ausführungsbeispiel ohne Schutzschicht,
3 Prinzipdarstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigungseinrichtung, welche als Verbundfolie 1 ausgebildet ist. In 1 ist die Verbundfolie 1 auf einem Kühlkörper 2 angeordnet. Die Verbundfolie 1 besteht dabei aus mehreren Schichten. Die erste Schicht der Verbundfolie 1 ist als Klebeschicht 3 ausgebildet und liegt direkt auf dem nach der Herstellung ungesäuberten Kühlkörper 2 auf. Die Klebeschicht 3 ist so dick ausgebildet, dass noch eine gute Wärmeleitung zwischen Kühlkörper 2 und einer nicht weiter dargestellten Lithium-Ionen-Batterie möglich ist. Die gut wärmeleitende Klebeschicht 3 ist aber auch so dick gestaltet, dass sie zur Ausfüllung von Unebenheiten 10 und Fertigungstoleranzen geeignet ist. Durch diese unterschiedliche Dicke der Kleberschicht 3 können Partikel auf dem Kühlkörper 2 eingeschlossen bzw. die Ebene egalisiert werden.
Auf der ersten Klebeschicht 3 ist eine Aluminiumfolie 4 angeordnet, welche eine mechanische Sperre gegenüber Partikeln und Verunreinigungen darstellt, die während des Lötprozesses auf dem Kühlkörper 2 entstehen. Diese mechanische Sperre verhindert ein Durchgreifen der Partikel und Verunreinigungen auf die auf der Aluminiumfolie 4 angeordneten weiteren Schichten.
Auf der Aluminiumfolie 4 ist eine Polyesterfolie 6 angeordnet, welche mittels einer sehr dünnen zweiten Klebeschicht 5 auf der Aluminiumfolie 4 befestigt ist. Die Klebeschicht 5 dient dazu, einen festen flächigen Verbund der Polyesterfolie 6 mit der Aluminiumfolie 4 herzustellen, wobei auch diese Klebeschicht 5 gut wärmeleitend ist, um eine gute Wärmeabfuhr von der Lithium-Ionen-Batterie zum Kühlkörper 2 zu gewährleisten. Die Polyesterfolie 6 dient der elektrischen Isolation zwischen Lithium-Ionen-Batterie und Kühlkörper 2 und hat eine Durchschlagsfestigkeit von ungefähr 4000 bis 6500 Volt. Somit ist eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und dem Kühlkörper 2 vorhanden.
Die Polyesterfolie 6 ist mit einer weiteren Aluminiumfolie 8 abgedeckt, welche als Schutzschicht dient. Die Aluminiumfolie 8 ist über eine dünne Haftschicht 7, welche aus einem Haftkleber besteht, auf der Polyesterfolie 6 positioniert. Die Haftschicht 7 ist dabei so dünn wie möglich zu realisieren und kann beispielsweise aus Emeraldine, einem elektrisch leitenden Haftkleber, bestehen. Der Haftkleber 7 muss ein leichtes Abziehen der darüber angeordneten Aluminiumfolie 8 ermöglichen, wobei eventuelle Schmutzpartikel entfernt werden. Die als Schutzschicht dienende zweite Aluminiumfolie 8 ist sehr dünn ausgestaltet und ebenfalls elektrisch leitend.
2 zeigt die Verbundfolie mit abgezogener zweiter Aluminiumfolie 8, wie sie zur Verbindung mit der Lithium-Ionen-Batterie vorbereitet wird. Eine Prinzipfolge des Verfahrens der Befestigung des Kühlkörpers an der Lithium-Ionen-Batterie 4 mittels der Verbundfolie 1 ist in 3 dargestellt. Im ersten Schritt a wird die als Etikett ausgebildete Verbundfolie 1 auf den gelöteten, nicht weiter gereinigten Kühlkörper 2 aufgeklebt, was z. B. einfach mit einem Etikettenspender erfolgen kann. Dabei wird die erste Klebeschicht 3 auf den Kühlkörper 2 aufgebracht. Die Polyesterfolie 6 ist dabei durch die Haftschicht 7 und die zweite Aluminiumfolie 8 noch geschützt.
Im Schritt b wird eine Prüfung der Durchschlagsfestigkeit der Verbundfolie 1 durchgeführt. Zu diesem Zweck wird eine Elektrode 9 auf die, als Schutzschicht dienende zweite Aluminiumfolie 8 aufgesetzt. Da die zweite Aluminiumfolie 8 und auch die Haftschicht 7 elektrisch leitend sind, muss die zweite Aluminiumfolie 8 für diese Prüfung nicht von der Verbundfolie 1 entfernt werden. Ist die Prüfung auf Durchschlagsfestigkeit beendet, wird der, die Verbundfolie 1 tragende Kühlkörper 2 für den Versand vorbereitet, wobei die zweite Aluminiumfolie 8 als Schutzfolie vor Verunreinigungen dient.
Soll nun die im Schritt a gefertigte Baueinheit mit der Lithium-Ionen-Batterie verbunden werden, wird, wie im Schritt d dargestellt, unmittelbar vor der Montage die zweite Aluminiumfolie 8 samt Haftschicht 7 von der Verbundfolie 1 abgezogen, wobei etwa vorhandene Partikel von der Polyesterfolie 6 entfernt werden. Die nun saubere Polyesterfolie 6 wird direkt an der Lithium-Ionen-Batterie positioniert.
Mittels dieser Verbundfolie 1 wird eine Baueinheit zur Verbindung von einer Lithium-Ionen-Batterie an einem Kühlkörper 2 geschaffen, bei welcher die Batteriezellen der Lithium-Ionen-Batterie in unmittelbaren, d. h. wärmeleitenden Kontakt mit dem Kühlkörper 2 gebracht werden. Andererseits werden aber auch Sicherheitsaspekte, wie eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen Batteriezellen und Kühlkörper 2, ausreichend berücksichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2200109 A2 [0003]

Claims

Befestigungseinrichtung für einen Kühlkörper an einer galvanischen Zelle, welche einen wärmeleitenden Kontakt zwischen Kühlkörper (2) und galvanischer Zelle und gleichzeitig eine elektrische Isolierung zwischen Kühlkörper (2) und galvanischer Zelle gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrschichtige, vorzugsweise als Etikett ausgebildete, Verbundfolie (1), welche eine an dem Kühlkörper (2) anzuordnende mechanische Sperrschicht (4) umfasst, auf der eine elektrische Isolationsschicht (6) angeordnet ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende, mechanische Sperrschicht (4) über eine erste stoffschlüssige Verbindung (3) mit dem Kühlkörper (2) verbindbar ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stoffschlüssige Verbindung (3) als Klebeschicht ausgebildet ist, deren Stärke vorzugsweise so gewählt ist, dass Unebenheiten (10) auf dem Kühlkörper (2) ausgeglichen werden.
Befestigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (6) über eine zweite stoffschlüssige Verbindung (5), vorzugsweise einer zweiten Klebeschicht, flächig auf der mechanischen Sperrschicht (4) positioniert ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (6) aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polyester, besteht, welcher eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehreren 1000 Volt besitzt.
Befestigungseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (6) mit einer Schutzschicht (8) abgedeckt ist, welche über eine dritte stoffschlüssige Verbindung (7), vorzugsweise einer Haftschicht, auf der elektrischen Isolationsschicht (6) befestigt ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (8) und/oder die dritte stoffschlüssige Verbindung (7) elektrisch leitend ausgebildet sind.
Befestigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Sperrschicht (4) und/oder die Schutzschicht (8) aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium, bestehen.
Verfahren zur Befestigung eines Kühlkörpers an einer galvanischen Zelle mittels einer Befestigungseinrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die als Verbundfolie ausgebildete Befestigungseinrichtung nach einem Lötvorgang des Kühlkörpers (2) auf den ungereinigten Kühlkörper (2) mit einer ersten stoffschlüssigen Verbindung (3) der mehrschichtige Verbundfolie (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Entfernen der Schutzschicht (8) und der dritten stoffschlüssigen Verbindung (7) eine Prüfung einer Durchschlagsfestigkeit der elektrischen Isolationsschicht (6) erfolgt.