DE102014110116B4

DE102014110116B4 - Batteriemodul mit verbesserten thermischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE102014110116B4
Application number: DE102014110116.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Könekamp; Alexander Dudek; Boris Schilder
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2034-07-19
Also published as: US20150030900A1; DE102014110116A1; US9160040B2; CN104347914B; CN104347914A

Abstract

Batteriemodul (10), umfassend: eine erste Teilmenge von Batteriezellenpaaren (PCi) und eine zweite Teilmenge von Batteriezellenpaaren (PHk), wobei jedes Batteriezellenpaar (PCj) der ersten Teilmenge zwei benachbarte Batteriezellen (12i) mit einer Kühlrippe (22i), die zwischen den benachbarten Batteriezellen (12i) angeordnet ist, aufweist, und jedes Batteriezellenpaar (PHk) der zweiten Teilmenge zwei benachbarte Batteriezellen (12i), die von den benachbarten Batteriezellen (12i) der ersten Teilmenge verschieden sind, aufweist, wobei eine baulichen Lage zwischen den benachbarten Batteriezellen (12i) der zweiten Teilmenge angeordnet ist, wobei die Batteriezellenpaare (PCj, PHk) in einer abwechselnden Konfiguration gestapelt sind, wobei jedes Batteriezellenpaar (PHk) der zweiten Teilmenge zwischen Batteriezellenpaaren (PCj) der ersten Teilmenge angeordnet ist.

Description

Gemäß zumindest einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul mit verbesserten thermischen Eigenschaften.
Wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität werden derzeit zur Verwendung in Elektrofahrzeugen untersucht. Die schließliche Machbarkeit von Elektrofahrzeugen hängt von einer signifikanten Reduzierung der zugeordneten Kosten ab. Die Reduzierung der Kosten der Batteriebaugruppen ist besonders wichtig.
Lithiumionenbatterien stellen einen wichtigen Typ der Batterietechnologie dar. Die meisten Batteriebaugruppen, einschließlich Baugruppen aus Lithiumionenbatterien, umfassen eine Mehrzahl einzelner elektrochemischer Batteriezellen. Typischerweise weisen derartige elektrochemische Batteriezellen eine Anode, eine Kathode und einen Separator auf, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Typischerweise weist die Anode eine Metalllage oder -folie (gewöhnlich Kupfermetall) auf, die mit einer Graphitlage überzogen ist. Ähnlicherweise weist die Kathode gewöhnlich eine Metalllage oder -folie (gewöhnlich Aluminiummetall) auf, die mit einer lithiumhaltigen Lage überzogen ist. Schließlich weisen die elektrochemischen Batteriezellen einen Elektrolyt auf, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Anschlüsse erlauben, dass die erzeugte Elektrizität in einer externen Schaltung verwendet wird. Elektrochemische Batteriezellen erzeugen Elektrizität über eine elektrochemische Reaktion.
Für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Energie wird eine Mehrzahl von Batteriezellen verwendet und in ein Batteriemodul eingebaut. Überdies weisen derartige Batteriemodule eine Mehrzahl metallischer (z.B. Kupfer und/oder Aluminium) Kühlrippen auf, die zwischen Batteriezellen in einem parallel verdrahteten Batteriezellenpaar eingefügt sind. Kompressionsschaumpolster sind typischerweise zwischen einigen Batteriezellenpaaren eingefügt. Mit einer hohen Anzahl von Kühlrippen können kleine Temperaturunterschiede erreicht werden. Jedoch ist zur Reduzierung der Kosten der Batterie eine geringe Anzahl von Rippen gewünscht.
DE 10 2011 109 286 A1 offenbart eine integrierte Anordnung aus Kühlrippe und Rahmen, die eine Kühlrippe mit einem Kühlkanal benachbart zu zumindest einer Kante, wobei der Kühlkanal einen Einlass und einen Auslass aufweist, und einen Rahmen um die Kühlrippe herum aufweist, der die Kanten der Kühlrippe abdeckt, wobei der Rahmen eine Öffnung für den Einlass und den Auslass des Kühlkanals aufweist und der Rahmen den Kühlkanal abdeckt. Die Kühlrippe umfasst ein Paar thermisch leitfähige Platten, die durch eine Schicht aus komprimierbarem Schaum getrennt sind.
Weiterer Stand der Technik ist in der DE 10 2011 100 172 A1 , der DE 10 2011 109 194 A1 und der DE 10 2008 061 755 A1 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Batteriemodul bereitzustellen, das durch Rippen bedingte Temperaturunterschiede minimiert, während gleichzeitig Batterieherstellkosten verrringert werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch beschrieben.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer einzelnen Batteriezelle ist;
2 eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls der vorliegenden Erfindung ist, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare zeigt, wobei Kühlrippen und Isolationslagen darin enthalten sind;
3 ein schematisches Verdrahtungsdiagramm einer Mehrzahl von Batteriezellenpaaren der vorliegenden Erfindung mit Kühlrippen und thermisch isolierenden Lagen ist;
4 eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls nach dem Stand der Technik ist, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare zeigt;
5 Aufzeichnungen des Stromes für jede Batteriezelle in parallel verdrahteten Batteriezellenpaaren für eine Batteriemodulkonstruktion nach dem Stand der Technik bereitstellt; und
6 Aufzeichnungen des Stromes für jede Batteriezelle in parallel verdrahteten Batteriezellenpaaren mit einer minimalen Temperaturdifferenz zwischen jeder Batteriezelle bereitstellt.

Mit Bezug auf 1 ist ein Schema, das eine Batteriezelle zeigt, die in einem Batteriemodul mit verbesserten Temperaturcharakteristiken verwendet wird, vorgesehen. Obwohl viele verschiedene Typen von Batteriezellen in der Praxis der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden können, haben sich Lithiumionenbatteriezellen als besonders nützlich herausgestellt. Jede Batteriezelle 12ⁱ weist eine Anode 14ⁱ , die eine aktive Anodenlage 16ⁱ besitzt, die auf einem Anodenträger 17ⁱ angeordnet ist, sowie eine Kathode 18ⁱ auf, die eine aktive Kathodenlage 20ⁱ besitzt, die auf einem Kathodenträger 21ⁱ angeordnet ist. Die Hochstellung i ist eine ganzzahlige Bezeichnung für die Komponenten. Typischerweise sind die Anodenträger 17ⁱ und Kathodenträger 21ⁱ Metallplatten (z.B. Aluminium, Kupfer, etc.). Ein Separator 13ⁱ ist zwischen der aktiven Anodenlage 16ⁱ und der aktiven Kathodenlage 20ⁱ angeordnet. Eine Elektrolytzusammensetzung E1 ist zwischen der Anode 14ⁱ und dem Separator 13ⁱ angeordnet, während eine Elektrolytzusammensetzung E2 zwischen der Kathode 18ⁱ und dem Separator 13ⁱ angeordnet ist. Charakteristisch sind die Batteriezellen in Paaren angeordnet, die in einer parallelen Weise verdrahtet sind. Wie unten dargestellt ist, sind Kühlrippen und bauliche Lagen zwischen den Batteriezellen in Teilmengen der Paare von parallelen Batteriezellen angeordnet. Typischerweise sind die Batteriezellen 12ⁱ gemeinsam über Anodenlaschen 26ⁱ und Kathodenlaschen 28ⁱ verdrahtet, wie nachfolgend detaillierter dargestellt ist.
Mit Bezug auf die 2 und 3 sind Schemata, die die Konfiguration und Verdrahtung der Mehrzahl von Batteriezellen in einem Batteriemodul mit verbesserter Temperatursteuerung zeigen, vorgesehen. 2 ist eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare mit darin enthaltenen Kühlrippen und Isolationslage zeigt. 3 ist ein schematisches Verdrahtungsdiagramm einer Mehrzahl von Batteriezellenpaaren mit Kühlrippen und thermisch isolierenden Lagen. Wie oben dargestellt ist, weist das Batteriemodul 10 einzelne Batteriezellen 12ⁱ auf, wobei i eine Bezeichnung für die Komponenten ist. Für die Batteriezellen läuft die Bezeichnung i von 1 bis n, wobei n die Gesamtzahl von Batteriezellen repräsentiert. In einer Ausführung ist n eine ganze Zahl von 6 bis 30 Batteriezellen in einem Batteriemodul 10. Die Batteriezellen (12i) sind in Paaren angeordnet, die in einer parallelen Weise verdrahtet sind. Die Kühlrippe 22' ist zwischen den Batteriezellen (12i) in einer ersten Teilmenge des parallelen Batteriezellenpaares PC^j angeordnet. Für die Kühlrippen 22ⁱ läuft die Bezeichnung i von 1 bis fmax. Ein Kompressionsschaum 24ⁱ (eine bauliche Lage) ist zwischen einer zweiten Teilmenge der parallelen Batteriezellenpaare PH^k angeordnet. Für den Kornpressionsschaum 24ⁱ läuft die Bezeichnung i von 1 bis cmax. Die parallelen Batteriezellenpaare PH^k , PCⁱ sind typischerweise in Reihe angeordnet. Bei einer Ausführung besitzt das Batteriemodul 10 zwischen 6 und 30 Batteriezellen 12ⁱ . Wenn es in Bezug auf Batteriezellenpaare PH^k , PCⁱ ausgedrückt wird, besitzt das Batteriemodul 10 zwischen 3 bis 15 Batteriezellenpaare PH^k , PCⁱ . Erfindungsgemäß sind, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, Batteriezellenpaare PH^k , PCⁱ in einer abwechselnden Weise gestapelt, wobei ein paralleles Batteriezellenpaar PH^k der zweiten Teilmenge zwischen zwei parallelen Batteriezellenpaaren PCⁱ , PCⁱ⁺¹ der ersten Teilmenge angeordnet ist. Bei dieser Variante weist das parallele Batteriezellenpaar PCi Batteriezellen 12^4j-3 und 12^4j-2 auf, wobei j die Bezeichnung für das parallele Batteriezellenpaar PCⁱ ist, die von 1 bis jmax läuft (die Anzahl von Batteriepaaren in der ersten Teilmenge). Das parallele Batteriezellenpaar PHk weist Batteriezellen 12^4k-1 und 12^4k auf, wobei k die Bezeichnung des parallelen Batteriezellenpaars PH^k ist, die von 1 bis kmax läuft (der Anzahl von Batteriepaaren in den ersten Batteriepaaren in der zweiten Teilmenge). Bei einer Ausführung ist jmax größer als kmax und insbesondere ist jmax minus Eins gleich kmax. Die Anordnung der vorliegenden Ausführungsform sieht eine bessere Temperaturgleichförmigkeit zwischen jeder Batteriezelle 12ⁱ der Batteriezellenpaare PH^k , PCⁱ vor. Die Verdrahtung wird über Anodenlaschen 26ⁱ und Kathodenlaschen 28ⁱ über Kabel erreicht, die als schwarze Rechtecke in 2 dargestellt sind. Beispielsweise sind die Temperaturdifferenzen zwischen den Batteriezellen 12¹ und 12² vorteilhafterweise kleiner als etwa 5°C, und der Strom durch die Batteriezelle 12ⁱ beträgt 10 Prozent des Stromes durch die Batteriezelle 12² .
Mit Bezug auf 4 ist ein Schema vorgesehen, das ein Batteriemodul nach dem Stand der Technik zeigt. Die oben dargestellten Ausführungsformen weisen besonders überlegene Temperatureigenschaften im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Batteriemodul nach dem Stand der Technik auf. Bei der Konfiguration nach dem Stand der Technik ist die Kühlrippe 22 zwischen dem ersten Paar von Batteriezellen 12¹ und 12² und dem zweiten Paar von Batteriezellen 12³ und 12⁴ angeordnet, während ein Kompressionsschaum 24 zwischen dem zweiten Paar von Batteriezellen 12³ und 12⁴ und dem dritten Paar von Batteriezellen 12⁵ und 12⁶ angeordnet ist. Dieses Muster ist für jedes Paar von Batteriezellen wiederholt, wie in 4 gezeigt ist.
Mit Bezug auf die 5 und 6 ist eine Temperaturleistungsfähigkeit für Batteriemodule nach dem Stand der Technik und oben dargestellte Ausführungsformen vorgesehen. 5 sieht die Leistungsfähigkeit paralleler Batteriezellenpaare in dem Batteriemodul nach dem Stand der Technik vor. Es ist klar zu beobachten, dass die Batteriezellen in den parallelen Batteriezellenpaaren bei einer Temperaturdifferenz von etwa 20°C arbeiten und eine Stromdifferenz zwischen den heißen und kalten Batteriezellen aufweisen. Im Gegensatz dazu arbeiten, wie in 6 gezeigt ist, die Batteriezellen in den parallelen Batteriezellenpaaren der vorliegenden Erfindung mit einer minimalen Temperaturdifferenz (d.h. etwa 0°C) und weisen praktisch keine Stromdifferenz auf. Wie in den 5 und 6 gesehen werden kann, minimieren die oben dargestellten Ausführungsformen Temperaturdifferenzen zwischen parallel verschalteten Batteriezellen, wodurch eine inhomogene Stromverteilung zwischen parallelen Batteriezellen reduziert wird. Die Reduzierung derartiger Temperaturdifferenzen resultiert in einer erhöhten Batterielebensdauer.

Claims

Batteriemodul (10), umfassend: eine erste Teilmenge von Batteriezellenpaaren (PCⁱ) und eine zweite Teilmenge von Batteriezellenpaaren (PH^k), wobei jedes Batteriezellenpaar (PC^j) der ersten Teilmenge zwei benachbarte Batteriezellen (12ⁱ) mit einer Kühlrippe (22ⁱ), die zwischen den benachbarten Batteriezellen (12ⁱ) angeordnet ist, aufweist, und jedes Batteriezellenpaar (PH^k) der zweiten Teilmenge zwei benachbarte Batteriezellen (12ⁱ), die von den benachbarten Batteriezellen (12ⁱ) der ersten Teilmenge verschieden sind, aufweist, wobei eine baulichen Lage zwischen den benachbarten Batteriezellen (12ⁱ) der zweiten Teilmenge angeordnet ist, wobei die Batteriezellenpaare (PC^j, PH^k) in einer abwechselnden Konfiguration gestapelt sind, wobei jedes Batteriezellenpaar (PH^k) der zweiten Teilmenge zwischen Batteriezellenpaaren (PC^j) der ersten Teilmenge angeordnet ist.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen jedem Batteriezellenpaar PC^j der ersten Teilmenge kleiner als etwa 5°C ist.