DE102015016599A1

DE102015016599A1 - Wärmeleitanordnung und elektrische Batterie

Info

Publication number: DE102015016599A1
Application number: DE102015016599.2A
Authority: DE
Inventors: Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-19
Filing date: 2015-12-19
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitanordnung (3) für eine elektrische Batterie, welche zumindest einen eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) umfassenden Zellverbund (2) umfasst, mit zumindest einer zu einer Anordnung an einer Zellverbundunterseite oder Zellverbundoberseite ausgebildeten Wärmeleitplatte (4) und mehreren mit der Wärmeleitplatte (4) thermisch gekoppelten Wärmeleitelementen (1), wobei zumindest jeweils ein Wärmeleitelement (1) zu einer Anordnung in einem von Mantelflächen unmittelbar benachbart in dem Zellverbund (2) angeordneter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) begrenzten Zellzwischenraum ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Wärmeleitelemente (1) jeweils als Wärmeleitfeder mit mehreren federnd zueinander angeordneten und im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Wärmeleitplatte (1) verlaufenden Wärmeleitwänden (1.4 bis 1.6) ausgebildet, wobei die Wärmeleitwände (1.4 bis 1.6) jeweils eine zu einer thermischen Kontaktierung mit einer Mantelfläche zumindest einer Einzelzelle (2.1 bis 2.n) ausgebildete Kontaktfläche aufweisen und wobei eine Form der Kontaktfläche zumindest im Wesentlichen mit einer Form der Mantelfläche der Einzelzelle (2.1 bis 2.n) korrespondiert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Batterie, umfassend zumindest einen Zellverbund (2) mit einer Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und zumindest eine solche Wärmeleitanordnung (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitanordnung für eine elektrische Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Batterie.
Aus der DE 10 2007 010 751 A1 ist eine elektrische Batterie mit einem aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellverbund bekannt. Die Batterie umfasst ein Gehäuse, das einen Boden und eine Seitenwand umfasst, und den in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund. Weiterhin umfasst die Batterie eine Wärmeleitanordnung mit einer von einem Kältemittel durchströmbaren Wärmeleitplatte und mit dieser gekoppelte Wärmeleitelemente. Die Wärmeleitelemente sind aus Aluminium gebildet und als zwischen den Einzelzellen angeordnete Wärmeleitstäbe ausgebildet. Der Zellverbund ist mit einer wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Vergussmasse in dem Gehäuse befestigt, wobei die Vergussmasse von dem Zellverbund bis zur Innenseite der Seitenwand reicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand verbesserte Wärmeleitanordnung für eine elektrische Batterie und eine verbesserte elektrische Batterie anzugeben.
Hinsichtlich der Wärmeleitanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der elektrischen Batterie durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Wärmeleitanordnung für eine elektrische Batterie, welche zumindest einen eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen umfassenden Zellverbund umfasst, weist zumindest eine zu einer Anordnung an einer Zellverbundunterseite oder Zellverbundoberseite ausgebildete Wärmeleitplatte und mehrere mit der Wärmeleitplatte thermisch gekoppelte Wärmeleitelemente auf, wobei zumindest jeweils ein Wärmeleitelement zu einer Anordnung in einem von Mantelflächen unmittelbar benachbart in dem Zellverbund angeordneter Einzelzellen begrenzten Zellzwischenraum ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß sind die Wärmeleitelemente jeweils als Wärmeleitfeder mit mehreren federnd zueinander angeordneten und im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Wärmeleitplatte verlaufenden Wärmeleitwänden ausgebildet, wobei die Wärmeleitwände jeweils eine zu einer thermischen Kontaktierung mit einer Mantelfläche zumindest einer Einzelzelle ausgebildete Kontaktfläche aufweisen und wobei eine Form der Kontaktfläche zumindest im Wesentlichen mit einer Form der Mantelfläche korrespondiert.
Aufgrund der Wärmeleitfedern mit mehreren federnd zueinander angeordneten Wärmeleitwänden können beispielsweise aus Fertigungstoleranzen resultierende Formabweichungen und Längenabweichungen der Einzelzellen in einfacher Weise ausgeglichen werden und somit ein Wärmeübergang zwischen den Einzelzellen und den Wärmeleitelementen erhöht wird. Weiterhin kann eine besonders hohe Packungsdichte der Einzelzellen erreicht werden, wodurch Abmessungen des Zellverbunds und der Batterie verringert werden können oder bei gleichbleibender Größe eine elektrische Leistung erhöht werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines als Wärmeleitfeder ausgebildeten Wärmeleitelements,
2 schematisch eine Draufsicht des Wärmeleitelements gemäß 1,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellverbunds mit einer Wärmeleitanordnung,
4 schematisch eine Draufsicht auf den Zellverbund mit der Wärmeleitanordnung gemäß 3 und
5 schematisch eine perspektivische Ansicht der Wärmeleitanordnung gemäß 4.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines als Wärmeleitfeder ausgebildeten Wärmeleitelements 1 dargestellt. 2 zeigt eine Draufsicht des Wärmeleitelements 1. In den 3 bis 5 sind in verschiedenen Ansichten ein Zellverbund 2 und eine Wärmeleitanordnung 3 dargestellt. Mögliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wärmeleitanordnung 3 und einer nicht näher dargestellten erfindungsgemäßen Batterie werden im Folgenden anhand aller 1 bis 5 gemeinsam erläutert.
Die Batterie ist eine so genannte Hochvoltbatterie und insbesondere zu einer Anwendung als Starter- und Traktionsbatterie für mobile Anwendungen, insbesondere Kraftfahrzeuganwendungen, oder als Speichermedium für stationäre Anwendungen vorgesehen.
Die Batterie umfasst den mehrere elektrisch parallel und/oder seriell verschaltete Einzelzellen 2.1 bis 2.n umfassenden Zellverbund 2, wobei die Einzelzellen 2.1 bis 2.n als so genannte Rundzellen mit einer kreiszylindrischen Form ausgebildet sind.
Um eine maximale Packungsdichte des Zellverbundes 2 zu erreichen, werden insbesondere Pluspole der Einzelzellen 2.1 bis 2.n zunächst an einer Zellverbundoberseite, welche einer Wärmeleitplatte 4 der Wärmeleitanordnung 3 abgewandt angeordnet ist, elektrisch miteinander verbunden, wodurch eine Vorfixierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n erreicht wird.
Anschließend erfolgt die Anordnung der Wärmeleitanordnung 3 mit den Wärmeleitelementen 1 und der Wärmeleitplatte 4 von einer Zellverbundunterseite aus. Hierbei werden die Wärmeleitelemente 1 in zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n ausgebildete und von Mantelflächen jeweils unmittelbar benachbarter Einzelzellen 2.1 bis 2.n begrenzte Zellzwischenräume eingeführt. Zu einer thermischen Kopplung mit der Wärmeleitplatte 4 umfassen die Wärmeleitelemente 1 jeweils drei an einer der Wärmeleitplatte 4 zugewandten Seite parallel zu einer Flachseite der Wärmeleitplatte 4 verlaufende Kontaktlaschen 1.1 bis 1.3. Diese Kontaktlaschen 1.1 bis 1.3 dienen gleichzeitig als Anschlagelement beim Einführen der Wärmeleitelemente 1 in die Zellzwischenräume. Die Wärmeleitelemente 1 erstrecken sich dabei jeweils über eine gesamte Länge der Mantelflächen der Einzelzellen 2.1 bis 2.n. Nach der Einführung der Wärmeleitelemente 1 in die Zellzwischenräume erfolgt eine Anordnung der Wärmeleitplatte 4 an der Zellverbundunterseite auf den Kontaktlaschen 1.1 bis 1.3.
Die Wärmeleitelemente 1 sind beispielsweise aus Metall gebildet und jeweils als Wärmeleitfeder mit drei federnd zueinander angeordneten und im Wesentlichen senkrecht zu der Flachseite der Wärmeleitplatte 4 verlaufenden Wärmeleitwänden 1.4 bis 1.6 ausgebildet. Die Wärmeleitwände 1.4 bis 1.6 weisen jeweils eine zu einer thermischen Kontaktierung mit einer Mantelfläche zumindest einer Einzelzelle 2.1 bis 2.n ausgebildete Kontaktfläche auf, wobei eine Form der Kontaktfläche mit einer Form der Mantelfläche der jeweiligen Einzelzelle 2.1 bis 2.n korrespondiert. Bei der dargestellten Ausbildung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n als Rundzellen ergibt sich somit, dass die Wärmeleitelemente 1 einen im Wesentlichen dreieckig ausgebildeten Querschnitt mit nach innen gebogenen Seitenkanten aufweisen. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen sind auch abweichende Formen der Einzelzellen 2.1 bis 2.n und damit korrespondierenden Formen der Wärmeleitelemente 1 möglich.
Die federnde Anordnung der Wärmeleitwände 1.4 bis 1.6 wird vorliegend dadurch erreicht, dass die Wärmeleitwände 1.4, 1.5 an ihren zugewandten Längsseiten beabstandet zueinander angeordnet sind. Aufgrund der erzeugten Federwirkung, bei welcher eine mittels der Wärmeleitwände 1.4 bis 1.6 erzeugte Federkraft im Wesentlichen senkrecht auf die Mantelfläche der Einzelzellen 2.1 bis 2.n wirkt, wird eine großflächige thermische Kontaktierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n mit den Wärmeleitelementen 1 erzeugt und ein Wärmeleitungspfad mit geringem Wärmeübergangswiderstand von den Einzelzellen 2.1 bis 2.n zur Wärmeleitplatte 4 erzeugt. Dabei wird aufgrund der dargestellten Ausbildung und Anordnung der Wärmeleitelemente 1 eine Kontaktfläche zwischen den Wärmeleitelementen 1 und den Einzelzellen 2.1 bis 2.n erzielt, welche zumindest nahezu die gesamte Mantelfläche der jeweiligen Einzelzellen 2.1 bis 2.n umgibt. Daraus folgt wiederum die Möglichkeit einer sehr einfachen und somit kosten- und bauraumsparenden Ausführung der Wärmeleitplatte 4, welche insbesondere zu einer Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist.
Nach der Anordnung der Wärmeleitplatte 4 erfolgt eine Einbringung eines wärmeleitfähigen Vergussmaterials, beispielsweise so genanntes Elektrogießharz, in zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und den Wärmeleitelementen 1 vorhandene Zwischenräume, so dass die Einzelzellen 2.1 bis 2.n und die Wärmeleitanordnung 3 zueinander fixiert sind. Das Vergussmaterial ermöglicht dabei neben der Fixierung die Möglichkeit einer Wärmezwischenspeicherung, so dass eine erhöhte Wärmetoleranz bei hoher Leistungsanforderung, beispielsweise beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, erzielt wird. Weiterhin kann deshalb insbesondere in Betriebspausen der Batterie auf eine aktive Kühlung verzichtet werden.
Zur Erzeugung der Batterie wird die Einheit aus Zellverbund 2 und Wärmeleitanordnung 3 insbesondere in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet. Hierbei ist es möglich, dass auch Zwischenräume zwischen Einzelzellen 2.1 bis 2.n und dem Batteriegehäuse mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeleitelement
1.1 bis 1.3: Kontaktlasche
1.4. bis 1.6: Wärmeleitwand
2: Zellverbund
2.1 bis 2.n: Einzelzelle
3: Wärmeleitanordnung
4: Wärmeleitplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010751 A1 [0003]

Claims

Wärmeleitanordnung (3) für eine elektrische Batterie, welche zumindest einen eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) umfassenden Zellverbund (2) umfasst, mit – zumindest einer zu einer Anordnung an einer Zellverbundunterseite oder Zellverbundoberseite ausgebildeten Wärmeleitplatte (4) und – mehreren mit der Wärmeleitplatte (4) thermisch gekoppelten Wärmeleitelementen (1), – wobei zumindest jeweils ein Wärmeleitelement (1) zu einer Anordnung in einem von Mantelflächen unmittelbar benachbart in dem Zellverbund (2) angeordneter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) begrenzten Zellzwischenraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmeleitelemente (1) jeweils als Wärmeleitfeder mit mehreren federnd zueinander angeordneten und im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Wärmeleitplatte (1) verlaufenden Wärmeleitwänden (1.4 bis 1.6) ausgebildet sind, – wobei die Wärmeleitwände (1.4 bis 1.6) jeweils eine zu einer thermischen Kontaktierung mit einer Mantelfläche zumindest einer Einzelzelle (2.1 bis 2.n) ausgebildete Kontaktfläche aufweisen und – wobei eine Form der Kontaktfläche zumindest im Wesentlichen mit einer Form der Mantelfläche der Einzelzelle (2.1 bis 2.n) korrespondiert.
Wärmeleitanordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1) an einer der Wärmeleitplatte (4) zugewandten Seite jeweils zumindest eine parallel zu der Flachseite der Wärmeleitplatte (4) verlaufende Kontaktlasche (1.1 bis 1.3) umfassen.
Wärmeleitanordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1) aus Metall gebildet sind.
Wärmeleitanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmeleitelemente (1) jeweils drei Wärmeleitwände (1.4 bis 1.6) und einen im Wesentlichen dreieckig ausgebildeten Querschnitt mit nach innen gebogenen Seitenkanten umfassen.
Elektrische Batterie, umfassend – zumindest einen Zellverbund (2) mit einer Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und – zumindest eine Wärmeleitanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in zwischen den Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und den Wärmeleitelementen (1) vorhandenen Zwischenräumen ein wärmeleitfähiges Vergussmaterial eingebracht ist.
Elektrische Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1) sich jeweils über eine gesamte Länge der Mantelflächen der Einzelzellen (2.1 bis 2.n) erstrecken.
Elektrische Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2.1 bis 2.n) zylinderförmig ausgebildet sind.