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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen und einer Ableiterkühlung zur Kühlung der Batteriezellen.
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Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen mit einem Elektro- oder Hybridantrieb einen Zellblock aus mehreren elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen auf. Hierbei ist es erforderlich, die Batteriezellen zu kühlen, um die entstehende Verlustwärme abzuführen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Kühlkonzepte für die Batteriezellen bekannt. Bei der Luftkühlung umströmt Luft die Zelle und kühlt dabei die frei zugänglichen Oberflächen. Nachteilig ist hierbei der hohe Bauraumbedarf für die Kühlluftkanäle zwischen den Zellen. Bei der sogenannten Kopf- bzw. Bodenkühlung stehen die Zellen in thermischem Kontakt zum Kühlapparat, so dass die Zellwärme zu einer Wärmesenke abgeführt werden kann. Beispielsweise werden die Zellen einfach auf eine Kühlplatte gestellt. Dies ermöglicht einen kompakten Bauraumbedarf. Nachteilig ist diese Kühlungsart für Zellen, bei denen die Wärmeabfuhr durch das Zellgehäuse nicht ausreichend ist. Ferner besteht die Möglichkeit, Kühlbleche zwischen den Zellen anzuordnen, was jedoch zu einem hohen Montageaufwand in der Serienfertigung führt.
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Eine besonders effiziente Art der Kühlung stellt die sogenannte Ableiterkühlung dar, bei der die Kühlvorrichtung an einer Polseite der Batteriezellen angeordnet ist, an denen sich elektrische Polkontakte der Batteriezelle befinden. Hierbei wird direkt über die Ableiter und die Elektroden das Zellinnere gekühlt. Es werden somit der direkte Metallpfad und der Weg einer guten Wärmeleitfähigkeit in den Elektrodenstapel hinein genutzt.
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Bei der in der
DE 100 103 740 C1 vorgeschlagenen Batterie ist die Kühlvorrichtung als eine an einer Polseite der Batteriezellen angeordnete Kühlplatte ausgebildet, die zur Kühlung der Batteriezellen mit Zellverbindern von Polkontakten der Batteriezellen in thermischem Kontakt ist. Bei der in der
DE 10 2008 034 888 A1 vorgeschlagenen Batterie ist die Kühlvorrichtung als eine an der Polseite der Batteriezellen angeordnete Kühlplatte ausgebildet, auf der eine elektrisch isolierende Matte angeordnet ist, wobei zwischen der Kühlplatte und den Batteriezellen ein wärmeleitender Formkörper angeordnet ist.
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Ein Nachteil dieser bekannten Kopfkühlungen ist eine nicht zufriedenstellende thermische Kontaktierung zwischen den Polen und der Kühlplatte. Ein weiterer Nachteil liegt in der großen Abmessungen der Kühlplatten.
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Zur thermischen Kontaktierung der Pole schlägt die
DE 10 2007 063 178 A1 die Verwendung eines elektrisch isolierenden Distanzelements aus Kunststoff, das auf einem der Pole und/oder auf einem Polpaar angeordnet ist, vor. Über das Distanzelement kann ein Wärmeleitspalt zur Wärmeableitung eingestellt werden. Über eine Schraube, die in eine Öffnung des Pols eingreift, werden die Einzelzellen an der Wärmeleiteplatte frei fixiert und durch Anziehen der Schraube vorgespannt gehalten. Zur elektrischen Isolation werden die Zwischenräume zwischen Wärmeleitplatte und Einzelzellen mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse, z. B. einem wärmeleitfähigen Schaum, versehen. Die Notwendigkeit jede Zelle mit der Kühlplatte separat zu verschrauben und nachträglich eine Vergussmasse oder einen Schaum einzufüllen, erzeugt einen hohen Fertigungsaufwand dieser Batterie in der Serienfertigung.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühlung für eine Batterie, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Kühlungstechniken vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere eine gleichmäßige Kühlung der Zellen eines Batteriepacks bereitzustellen, die sich kostenökonomisch mit geringem Materialeinsatz und einfachen Herstellungsverfahren herstellen lässt.
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Diese Aufgaben werden durch eine Batterie mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Batterie weist in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen und eine Kopfkühlung zur Kühlung der Batteriezellen, die insbesondere als Ableiterkühlung ausgebildet ist, auf.
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Erfindungsgemäß umfasst die Ableiterkühlung ferner eine Kühlplatte, die wärmeleitend mit den Polen der Batteriezellen verbunden ist und die im Bereich der Pole der Batteriezellen Durchgangsöffnungen aufweist, in oder durch die die Pole hinein- bzw. hindurchragen. Ferner sind die Batteriezellen über die zugehörigen Pole jeweils mittels eines thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Keramikelements an der Wärmeleitplatte thermisch kontaktiert. Vorzugsweise wird somit jeder Pol mit einem Keramikelement an der Wärmeleitplatte kontaktiert. Die einzelnen Keramikelemente stehen vorzugsweise nicht in Kontakt miteinander, sondern erstrecken sich nur lokal in einen Bereich nahe der Pole.
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Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass mittels thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Keramikelementen einerseits eine sehr effiziente Wärmekontaktierung zwischen den Polen und der Kühlplatte bereitgestellt werden kann und andererseits die Kühlvorrichtung wirksam gegenüber den Polen elektrisch isoliert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das Keramikelement neben der thermischen Kontaktierung und der elektrischen Isolierung ferner als Befestigungsmittel genutzt werden kann, um die Kühlplatte an einem Pol ortsfest anzuordnen. Beispielsweise kann das Keramikelement auf den Pol aufgeschrumpft und/oder aufgepresst werden. Dadurch liegt das Keramikelement zur Ausbildung einer optimalen Wärmekontaktierung fest am Pol an und wird ferner fest mit der Kühlplatte verbunden, so dass das Keramikelement eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Pol und der Wärmeleiterplatte ausbildet. Dadurch kann auf Schrauben, z. B. gemäß der
DE 10 2007 063 178 A1 , die mit den Polen verschraubt werden, verzichtet werden kann. Ein Beispiel für eine geeignete Keramik ist Magnesiumoxid (MgO).
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Die Mehrzahl von Batteriezellen kann parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sein. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als prismatische Zellen ausgeführt, die sich besonders zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Ableiter der Kühlung eignen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die Pole der Batteriezellen durch die Durchgangsöffnung durchragen und dass die Keramikelemente den durch die Durchgangsöffnungen hindurch ragenden Teil der Pole zumindest teilweise umgeben. In diesem Fall umschließt das Keramikelement einen oberen Endbereich der Pole. Vorzugsweise umgibt das Keramikelement den Großteil des aus der Batteriezelle herausragenden Pols, so dass ein möglichst großflächiger Kontakt zwischen den Polen und dem Keramikelement hergestellt wird und eine möglichst große Wärmeableitung von dem Pol über das Keramikelement ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform überdecken die Keramikelemente einen Teilbereich der Kühlplatte, der auf der zu den Batteriezellen abgewandten Seite liegt. Das Keramikelement liegt gemäß dieser Variante teilweise oben auf der Kühlplatte auf, vorzugsweise in einem ringförmigen Randbereich der Durchgangsöffnungen, und bildet auf diese Weise bei geringem Materialeinsatz des Keramikelements einen möglichst großflächigen Kontakt zur Kühlplatte aus. Ein weiterer Vorteil dieser Überdeckung der Kühlplatte im Randbereich um den Pol herum ist, dass das Keramikelement von oben eine Haltekraft auf die Kühlplatte ausübt und diese so gegen Verrutschen sichert. Gemäß einer vorteilhaften Variante dieser Ausführungsform verjüngt sich der Teil des Keramikelements, der den Teilbereich der Kühlplatte überdeckt, in radialer Richtung nach außen. Dadurch kann der erforderliche Materialeinsatz weiter optimiert werden unter Beibehalten einer möglichst großen Kontaktfläche zwischen Keramikelement und Kühlplatte.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kühlplatte mindestens einen Kühlkanal, durch den im Kühlbetrieb der Batterie ein Kühlmedium strömt, wobei das Keramikelement einen Abschnitt des Kühlkanals überdeckt. Vorzugsweise verläuft der Kühlkanal unterhalb des sich radial nach außen hin verjüngenden Bereichs des Keramikelements. Durch diese Anordnung wird eine besonders effiziente Aufnahme der Verlustwärme aus dem Keramikelement in das im Kühlkanal strömende Kühlmittel ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Kühlplatte so ausgebildet, dass sie die polseitige Oberfläche der Batterie nur in einem Teilbereich überdeckt. Durch die Verwendung von elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Keramikelementen kann eine kompakte räumlich begrenzte Kontaktierung zwischen den Polen und der Kühlplatte ausgebildet werden, so dass es ausreichend ist, die Kühlplatte nur in dem Bereich der Batteriekopfseite anzuordnen, entlang dessen die Pole und die Keramikelemente angeordnet sind, so dass es nicht notwendig ist, den gesamten Kopfbereich der Batterie zu überdecken.
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Bei einer vorteilhaften Variante dieser Ausgestaltungsform umfasst die Batterie zwei Kühlplatten, die quer zu den Batteriezellen an gegenüberliegenden äußeren Bereichen der Kopfseite, d. h. der polseitigen Oberfläche der Batterie, angeordnet sind. Bei prismatischen Zellen, bei denen der erste Pol in der Regel an einem ersten äußeren Bereich der Kopfseite angeordnet ist und der zweite Pol an einem gegenüberliegenden äußeren Bereich der Kopfseite angeordnet ist, können somit eine separate Kühlplatte für die ersten Pole jeder Zelle und eine zweite Kühlplatte für die zweiten Pole jeder Zelle vorgesehen sein. Dadurch kann zwischen den beiden Kühlplatten Bauraum geschaffen werden, um beispielsweise eine Leistungselektronik anzuordnen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Kühlplatte einen Kühlkanal mit mäanderförmigen Verlauf aufweist, der in einem mittleren Bereich der Kühlplatte gestaucht ist. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass in einer Anordnung von mehreren Zellen die Wärmeentwicklung im mittleren Bereich im Vergleich zum äußeren Bereich erhöht ist. Wird somit ein Verlauf der Kühlquelle nur in einem mittleren Bereich mäanderförmig ausgestaltet oder ein mäanderförmiger Verlauf in einem mittleren Bereich zusätzlich gestaucht, kann die erhöhte Wärmeentwicklung im mittleren Bereich verstärkt abgeleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine polseitig angeordnete Leistungselektronik und ein Batteriegehäuse mit einer polseitigen Abdeckung zur Abdeckung der Pole und der Leistungselektronik, wobei die polseitige Abdeckung eine Seitenkante aufweist, die mit einem Anpressdruck auf der Kühlplatte aufliegt. Dadurch kann vorteilhafterweise ein weiterer kraftschlüssiger Druckpunkt, der durch die Gehäuseabdeckung auf die Kühlplatte ausgeübt wird, bereitgestellt werden, um die Kühlplatte ortsfest anzuordnen. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, die Kühlplatte sowohl mittels der kraftschlüssigen Kontaktierung über die keramischen Befestigungselemente als auch über eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse zu befestigen. Dadurch kann die Anzahl weiterer Befestigungsmittel wie Schrauben etc. reduziert werden, um den Montageaufwand weiter zu reduzieren.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 eine Batterie in Explosionsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine vergrößerte Darstellung einer thermischen Kontaktierung eines Pols gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3A einen Aufbau der Kühlplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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3B die Positionierung der Kühlplatte auf den Polen der Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 illustriert den Aufbau einer Batterie 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Batterie 12 miteinander in Serie verschaltete Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind als prismatische Zellen ausgeführt. Die prismatischen Zellen sind zu einem sogenannten Pack bzw. Modul angeordnet. Jedes Modul besteht aus einer Anordnung von prismatischen Batteriezellen 2, wobei zwischen benachbarten Batteriezellen 2 jeweils eine Separatorfolie 6 angeordnet ist.
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Die beiden Pole 10, 11 jeder Zelle sind an der Kopfseite der Zelle an gegenüberliegenden Endbereichen der Zelle 2 angeordnet. Bei einer seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 haben die in 1 gezeigten vorderen Pole 10 eine alternierende Plus-Minus-Reihenfolge. Entsprechendes gilt für die in 1 nicht sichtbare hintere Polreihe 11.
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Über den Batteriezellen 2 ist ein sogenanntes Balancing-Board 8 angeordnet, das die Leistungselektronik zur Regelung der Ströme aus den Batteriezellen enthält. Die Leistungselektronik ist mit einem Batteriecontroller (nicht gezeigt) verbunden.
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Die Batteriezellen werden von einem Batteriegehäuse umhaust. Das Batteriegehäuse besteht aus einer oberen Abdeckung 3, die entsprechende Durchgangsbohrungen aufweist, um die obere Abdeckung 3 mittels einer oder mehrerer Schrauben 4 mit dem Balancing-Board 8 zu verschrauben. Die obere Abdeckplatte 3 hat seitlich umlaufende Seitenkannten 9a, 9b.
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Das Gehäuse umfasst ferner eine vordere Abdeckplatte, 5 die ebenfalls mittels Schrauben befestigt wird. Ferner umfasst das Gehäuse seitliche Abdeckplatten 7, die neben einer Abdeckfunktion auch dazu dienen, eine definierte Kraft auf die Batteriezellen 2 aufzubringen („Spanngurt”), d. h. die Zellen 2 werden von außen mit einer Kraft beaufschlagt. Auf die vordere Polanordnung 10 und die hintere Polanordnung 11 wird jeweils eine Kühlplatte angeordnet, und jeder Pol wird mittels eines keramischen Verbindungselements mit der Kühlplatte thermisch kontaktiert. Dies ist in 1 noch nicht dargestellt, sondern in den nachfolgenden Figuren detaillierter beschrieben.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs um einen der Pole 10. Die thermische Kontaktierung der weiteren in 1 gezeigten vorderen Pole 10 und der hinteren Pole 11 erfolgt in vergleichbarer Weise. Die Pole 10 werden durch sogenannte Verbinder 11 isoliert und abgedichtet. Dies ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben.
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Die Kontaktierung zwischen den Zellen wird in der Regel durch Verschrauben oder Verschweißen kraftschlüssig aufgebracht (in 2 nicht gezeigt). Zur Kühlung der Batteriezellen 2 wird eine Kühlplatte 15 auf den Polen 10 angeordnet.
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Die Kühlplatte 15 ist in 3A detaillierter gezeigt. Die Kühlplatte 15 weist im Bereich der Pole 2 Durchgangsöffnungen 17 auf, durch die die Pole 2 hindurchragen. Die Kühlplatte 15 wird auf die Zellen gelegt, derart, dass die Pole 2 jeweils durch die Lochstruktur 17 durchgreifen. Eine erste Kühlplatte 15 wird linksseitig vom Balancing-Board 8 über einer alternierenden Reihenfolge von Kathoden- und Anodenpolen angeordnet, was in 3B schematisch durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Eine zweite Kühlplatte 15 wird rechtsseitig vom Balancing-Board 8 über einer alternierenden Reihenfolge von Kathoden- und Anodenpolen angeordnet.
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In die Kühlplatte 15 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 2 Kühlkanäle 16 eingebracht, die im Betrieb von einem Kühlmedium durchströmt werden, das die Wärme der Batteriezellen aufnimmt. Hierzu verlaufen die Kühlkanäle 16 mäanderförmig.
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Der mäanderförmige Verlauf optimiert den Abtransport der Wärme. Da an den inneren Batteriezellen am meisten Wärme entsteht, ist der mäanderförmige Verlauf in einem mittleren Bereich 18 gestaucht, d. h. die Länge des Kühlkanals pro Flächeneinheit ist maximal in einem mittleren Bereich 18. Hierbei ist anzumerken, dass 3A nur einen Teil der Kühlplatte 15 zeigt, nämlich die zweite Hälfte mit den letzten sechs Batteriezellen 2.
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In 2 ist ferner dargestellt, wie die Kühlplatte 15 mit einer Durchgangsöffnung über einem Pol 10 angeordnet ist, so dass der Pol 10 durch die Durchgangsöffnung durchgreift. Hierbei ist es erforderlich, dass die Kühlplatte 15 von dem Pol 10 elektrisch isoliert ist, gleichzeitig jedoch mit den Polen thermisch kontaktiert wird.
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Für die thermische Kontaktierung der Pole wird ein thermisch leitfähiger, aber elektrisch isolierender Keramikwerkstoff eingesetzt, z. B. Magnesiumoxid (MgO), der auf die Pole aufgeschrumpft und/oder aufgepresst wird. Der Werkstoff kann durch ein Sinterverfahren hergestellt werden.
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Wie in 2 ersichtlich, umgibt das Keramikelement 13 den Pol 10 zylinderförmig und umgreift auch insbesondere den nach oben durch die Kühlplatte 15 durchgreifenden Teil des Poles, an dem hohe Abwärme entsteht. Nach außen hin verjüngt sich das Keramikelement 13 in radialer Richtung und hat somit einen konischen Ausläufer 14, der einen oberen Teil der Kühlplatte 15 in einem ringförmigen Randbereich überdeckt.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überdecken die äußeren Randbereiche 14 des Keramikelements 13 insbesondere einen Abschnitt des Kühlkanals 16, so dass der Kühlkanal 16 möglichst nahe an dem Keramikelement vorbeigeführt wird. Dadurch kann eine besonders effiziente Wärmeableitung über das Keramikelement und den Kühlkanal realisiert werden.
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In 2 ist ferner dargestellt, dass die obere Abdeckplatte 3 die Pole überdeckt und insbesondere eine Seitenkante 9b der oberen Abdeckplatte durch Verschraubung 4 der oberen Abdeckplatte auf die Kühlplatte an die Stelle 12 drückt und somit einen kraftschlüssigen Druckpunkt mit der Kühlplatte 15 ausbildet. Dadurch kann die Kühlplatte 15 zusätzlich fixiert werden. Ferner ist parallel versetzt zur der Seitenkante 9b an der Unterseite der Abdeckplatte eine weitere Leiste 9c auf der von der Seitenkante 9b gegenüberliegenden Seite der Pole 10 angeformt (in 1 nicht sichtbar), die ebenfalls auf die Kühlplatte drückt und diese kraftschlüssig fixiert.
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Zusätzlich verbindet das Keramikelement durch den Aufschrumpfungsprozess den Pol 10 kraftschlüssig mit der Kühlplatte 15. Somit wird eine besonders stabile Anordnung der Kühlplatte 15 auf den Polen gewährleistet, da eine erste formschlüssige Fixierung durch die Lochstruktur 17 der Kühlplatte 15 erfolgt und die so positionierte Kühlplatte mittels kraftschlüssiger Verbindung über das Keramikelement 13 an den Polen befestigt wird. Zusätzliche Festigkeit wird durch die kraftschlüssigen Kontaktpunkte 12 von der oberen Abdeckplatte 3 ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Kombination aus Kopf- und Ableiterkühlung bereitgestellt, was besonders für prismatische Zellen eine optimale Kühlung ermöglicht. Der Keramikwerkstoff 13 kontaktiert die Pole thermisch mit der Kühlleiterplatte, isoliert die Pole jedoch gleichzeitig elektrisch. Durch die bereitgestellten Kathoden- und Anodenkühlung kann Gewicht der Kühlplatte eingespart werden, da diese nur in einem äußeren Bereich nahe an den Kathoden und Anoden angeordnet werden muss und keine gesamte Überdeckung der Kopfseite der Batterie erforderlich ist. Dies ermöglicht eine Integration von zusätzlicher Leistungselektronik an der Kopfseite.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedankten Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Obere Abdeckplatte
- 4
- Schraube
- 5
- Seitliche Abdeckplatte
- 6
- Separatorfolie zwischen den Zellen
- 7
- Seitliches Gehäuseteil
- 8
- Balancing-Board
- 9a, 9b
- Seitenkanten der oberen Abdeckplatte
- 9c
- Stützleiste der oberen Abdeckplatte
- 10, 11
- Pole der prismatischen Zellen
- 12
- Kontaktpunkt zwischen oberer Abdeckplatte und Kühlleiterplatte
- 13
- Keramikelement
- 14
- Äußerer Bereich des Keramikelements
- 15
- Kühlleiterplatte
- 16
- Kühlleiter
- 17
- Durchgangsöffnungen der Kühlleiterplatte
- 18
- Mittlerer Bereich der Kühlleiterplatten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 100103740 C1 [0005]
- DE 102008034888 A1 [0005]
- DE 102007063178 A1 [0007, 0013]
