DE102015110667A1

DE102015110667A1 - Zellenanordnung

Info

Publication number: DE102015110667A1
Application number: DE102015110667.1A
Authority: DE
Inventors: Dennis Berger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellenanordnung (50) mit einer Mehrzahl von als Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) ausgebildeten Batteriezellen (1, 51), wobei die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) eine Zellummantelung (3) aus einem Folienmaterial aufweisen, wobei das Folienmaterial der Zellummantelung (3) an einer Linie (21) gefaltet ist und die verbleibenden offenen Randbereiche (24, 25, 26) des aufeinanderliegenden Folienmaterials der Zellummantelung (3) dicht verschweißt sind, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen der jeweiligen Zellummantelung (3) der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils ein Kühlelement (55, 56) zur Kühlung der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) kontaktiert ist, wobei die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils mit einem Randbereich (57) mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich (58) mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden Kühlelementen (55, 56) anliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellenanordnung, insbesondere für eine Batterie, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Im Stand der Technik sind Batteriezellen in verschiedenen Ausführungen bekannt geworden. Dabei sind beispielsweise starre Rundzellen oder prismatische Zellen mit einem starren Zellgehäuse bekannt geworden. Solche Batteriezellen weisen an ihren sich gegenüberliegenden Zellgehäusewänden oftmals die jeweiligen Pole der Batteriezelle auf. So ist eine sehr verbreitete Batteriezellenform durch eine zylindrische Rundzelle ausgebildet, an welcher an einer ihrer kreisförmigen Zellwände der Pluspol und an der gegenüberliegenden kreisförmigen Zellwand der Minuspol angeordnet ist. Solche Zellen haben hinsichtlich des benötigten Platzbedarfs einen Nachteil, weil sie in einer Anordnung nicht dicht aneinander anlegbar sind, sondern zwischen benachbarten zylindrischen Zellen immer ein etwa dreieckiger Raum verbleibt, wie er von einer hexagonal dichten Packung bekannt ist. Auch zeigen sich aufgrund der Geometrie solcher Rundzellen Nachteile hinsichtlich der Kühlung der Batteriezellen. Solche Batteriezellen und Kühlungsanordnungen sind beispielsweise durch die DE 10 2007 009 315 A1 bekannt geworden.
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien ist es auch bekannt, dass die Batteriezellen als so genannte Taschenzellen, die auch Pouch-Zellen oder Coffee-Bag-Zellen genannt werden, aufgebaut sind, die eine auf Aluminium basierende Folie als Zellenummantelung aufweisen. Dabei wird die Zellenummantelung aus zwei Folienteilen gebildet, die umfangsseitig miteinander verschweißt werden, um eine abgedichtete, in der Regel rechteckige Tasche für den Zelleninhalt zu bilden.
Auch ist es bekannt, dass nicht zwei Folienteile verwendet werden, sondern nur ein Folienteil, das längs einer Linie gefaltet wird und dadurch eine Tasche gebildet wird, die an den drei offenen, nicht gefalteten Seiten verschweißt wird. Dabei zeigt sich, dass eine Kühlung solcher Taschenzellen durch Kühlplatten zwischen benachbarten Taschenzellen erfolgen kann, die sich an den Taschenzellen anlegen. Dies ist jedoch relativ aufwändig und komplex, weil die jeweiligen Kühlplatten in einen Kühlfluidkreislauf zu integrieren sind. Solche Taschenzellen sind beispielsweise durch die US 2014/0099527 A1 oder die US 2012/0183825 A1 bekannt geworden.
Soll die Kühlung nicht durch die Fläche der Tasche der Taschenzelle mittels Kühlplatten erfolgen, wie es in der US 2014/0099527 A1 offenbart ist, so erfolgt die Kühlung über die Ränder der Taschenzelle. Dabei zeigt sich allerdings, dass die verschweißten Ränder der Taschenzellen nur einen schlechten Wärmeübergang aufzeigen, so dass die Kühlung der Taschenzellen noch nicht optimal ist.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zellenanordnung zu schaffen, die eine Verwendung von Taschenzellen erlaubt, wobei dennoch eine verbesserte Kühlung bei gleichzeitig einfachem Ausbau erreicht wird.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von als Taschenzellen ausgebildeten Batteriezellen, wobei die Taschenzellen eine Zellummantelung aus einem Folienmaterial aufweisen, wobei das Folienmaterial der Zellummantelung an einer Linie gefaltet ist und die verbleibenden offenen Randbereiche des aufeinanderliegenden Folienmaterials der Zellummantelung dicht verschweißt sind, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen der jeweiligen Zellummantelung der Taschenzellen jeweils ein Kühlelement zur Kühlung der Taschenzellen anliegt, wobei die Taschenzellen jeweils mit einem Randbereich mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden Kühlelementen anliegen. Dadurch wird an dem Randbereich mit Faltung eine bessere Kühlung erreicht als an dem Randbereich mit Schweißung, wobei durch die Anlage an beiden besagten Randbereichen insgesamt eine verbesserte Kühlung der Batteriezellen erzielt wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein erstes Kühlelement und ein zweites Kühlelement vorgesehen sind, wobei die Taschenzellen jeweils mit einem Randbereich mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kühlelementen anliegen, wobei sich die Anlage eines Randbereichs mit Schweißung mit einem Randbereich mit Faltung an dem ersten Kühlelement und an dem zweiten Kühlelement abwechselt. Dadurch wird eine homogenere Temperaturverteilung erreicht, weil der Randbereich mit der besseren Kühlung sich an den Kühlelementen abwechselt und so an beiden Kühlelementen abwechselnd die Taschenzellen mit dem gefalteten Randbereich anliegen.
Alternativ ist es auch vorteilhaft, wenn ein erstes Kühlelement und ein zweites Kühlelement vorgesehen sind, wobei die Taschenzellen jeweils mit einem Randbereich mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kühlelementen anliegen, wobei die Anlage eines Randbereichs mit Schweißung mit einem Randbereich mit Faltung an dem ersten Kühlelement und an dem zweiten Kühlelement regelmäßig oder unregelmäßig wechselt. Auch dadurch wird eine homogenere Temperaturverteilung erreicht, weil der Randbereich mit der besseren Kühlung sich an den Kühlelementen regelmäßig oder unregelmäßig wechselt und so letztendlich an beiden Kühlelementen wechselnd die Taschenzellen mit dem gefalteten Randbereich anliegen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Taschenzellen einen Stapel von Taschenzellen bildet, wobei das erste Kühlelement und das zweite Kühlelement sich entlang zweier gegenüberliegender Seiten des Stapels erstrecken. Dadurch wird der Stapel von Taschenzellen jeweils an gegenüberliegenden Seiten gekühlt, was eine effektive Anbindung der Taschenzellen bedeutet und damit eine effektive Kühlung des gesamten Stapels erreicht werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühlelemente kühlfluidführende Kanäle aufweisen oder mit solchen thermisch verbunden sind. Dadurch kann die Kühlung effektiv durchgeführt werden, weil das von den Taschenzellen erwärmbare Kühlfluid durch die kühlfluidführenden Kanäle gut abgeleitet werden kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Randbereiche des Folienmaterials der Taschenzellen mit den Kühlelementen in mechanischem und/oder thermischem Kontakt stehen. So kann durch einen mechanischen Kontakt, wie beispielsweise durch ein Anlegen und/oder Anpressen und/oder Einklemmen, ein verbesserter thermischer Kontakt erzielt werden.
So ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel auch vorteilhaft, wenn die Randbereiche des Folienmaterials der Taschenzellen mit den Kühlelementen stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sind. So kann ein gut wärmeleitender Klebstoff oder eine Wärmeleitpaste oder Ähnliches zwischen dem Folienmaterial der Taschenzellen und dem jeweiligen Kühlelement vorgesehen sein, um den thermischen Kontakt zu verbessern.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Taschenzellen elektrische Anschlusselektroden aufweisen, welche aus der Zellummantelung herausragen, wobei die Anschlusselektroden an zumindest einem Randbereich des Folienmaterials herausragen, der bzw. die nicht mit einem der Kühlelemente verbunden ist bzw. sind. Dadurch stehen die Randbereiche quasi vollständig dem thermischen Kontakt zur Verfügung, die zur Kühlung kontaktiert sind, weil der Randbereich oder die Randbereiche mit Durchführungen der Anschlusselektroden anderweitig orientiert sind.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn das Folienmaterial eine auf Aluminium basierende Folie ist. Diese lässt sich gut verschweißen und sie ist auch in Bezug auf die Dauerhaltbarkeit sehr gut geeignet, insbesondere auch für Anwendungen im Automotive-Bereich.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die als Taschenzellen ausgebildeten Batteriezellen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Dadurch kann eine Batterie mit hoher spezifischer Energie gebildet werden, die gemäß der vorliegenden Erfindung auch gut zu kühlen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer so genannten Taschenzelle,
2 eine schematische Darstellung einer gefalteten Folie als Zellummantelung,
3 eine Darstellung eines geschweißten Randbereichs einer Taschenzelle,
4 eine schematische Darstellung eines gefalteten Randbereichs einer Taschenzelle, und
5 eine Zellenanordnung aus mehreren gestapelten Taschenzellen.
Die 1 zeigt eine Ansicht einer typischen Batteriezelle 1, die als Taschenzelle 2 ausgebildet ist. Dabei ist die Taschenzelle 2 derart ausgebildet, dass sie eine Zellummantelung 3 aus einem Folienmaterial aufweist, die umseitig geschlossen ist und darin die elektrochemischen Komponenten der Batteriezelle 1 aufgenommen sind.
Die Zellummantelung 3 weist einen umlaufenden Rand 6 auf, der sich in verschiedene Randbereiche 7, 8, 9, 10 unterteilt, die den umlaufenden Rand 6 bilden.
Die Taschenzelle 2 weist dabei zwei elektrische Anschlusselektroden 4, 5 auf, welche aus der Zellummantelung 3 herausragen. Dabei ragen die Anschlusselektroden 4, 5 an einer Seite der Zellummantelung 3 heraus, also an einem Randbereich 10 der Zellummantelung 3.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Folienmaterial der Zellummantelung 3 eine auf Aluminium basierende Folie. Diese Folie kann einfach verschweißt werden, um die aufeinanderliegenden Folienbereiche dicht miteinander zu verbinden. Auch ist diese Folie dauerhaltbar für die angestrebten Anwendungen. Alternativ können aber auch andere Materialien für eine Folie verwendbar sein.
Dabei kann die als Taschenzelle 2 ausgebildete Batteriezelle 1 als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Auch können anderweitige Batteriezellentypen mittels solcher Taschenzellen 2 ausgebildet sein.
Die 2 zeigt eine Folie 20, die als Zellummantelung einer Taschenzelle 27 dient. Dabei wird die Folie 20 entlang einer Linie 21 gefaltet, so dass die etwa hälftigen Folienbereiche 22, 23 aufeinander zu liegen kommen und die drei offenen Randbereiche 24, 25, 26 durch Schweißen miteinander verbunden werden können und die Taschenzelle 27 damit verschlossen werden kann. Der vierte Randbereich 28 ist dabei nicht durch Schweißen abzuschließen, weil dieser durch die Faltung bereits verschlossen ist.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch eine Taschenzelle 30 im Bereich eines durch Schweißen verschlossenen Randbereichs 31, bei welchem die Folie 32 des Randbereichs 31 jenseits der Verschweißung 33 bogenförmig absteht. Wird an diesen Randbereich 31 ein Kühlelement angelegt oder damit verbunden, so stellt sich heraus, dass die Kühlung im Bereich der unmittelbaren Anlage des Kühlelements an die Folie gut ist und die Kühlung bei einer Anlage des Kühlelements im Bereich des bogenförmigen Rands der Folie 32 eher reduziert ist. Die Höhe h der Kontaktfläche für eine gute Kühlung ist daher etwa halbiert gegenüber der Gesamthöhe H der Taschenzelle 30.
Die 4 zeigt einen Schnitt durch eine Taschenzelle 40 im Bereich eines durch Falten verschlossenen Randbereichs 41. Wird an diesen Randbereich 41 ein Kühlelement angelegt oder damit verbunden, so stellt sich heraus, dass die Kühlung im Bereich der unmittelbaren Anlage des Kühlelements an die Folie gut ist. Die Höhe h der Kontaktfläche für eine gute Kühlung ist daher im Wesentlichen die Gesamthöhe H der Taschenzelle 40.
Im Vergleich der beiden 3 und 4 erkennt man, dass die Kühlung der Taschenzelle im Bereich eines gefalteten Randbereichs besser ist als im Bereich eines geschweißten Randbereichs.
Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Kühlung mittels Kühlelementen derart erfolgt, dass die Anschlusselektroden an zumindest einem Randbereich des Folienmaterials herausragen, der bzw. die nicht mit einem der Kühlelemente verbunden ist bzw. sind. Die Kühlelemente treten daher mit Randbereichen der Taschenzelle in Kontakt, die keine Anschlusselektroden herausragen haben.
Zur Bildung eines Batteriemoduls dient eine Mehrzahl von oben beschriebenen Taschenzellen. Diese werden dabei vorteilhaft gestapelt.
Die 5 zeigt eine Zellenanordnung 50 als eine Stapelung einer Mehrzahl von Batteriezellen 51, die als Taschenzellen 52 ausgebildet sind. An zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Randbereichen 53, 54 sind Kühlelemente 55, 56 angeordnet, die in mechanischem und/oder thermischem Kontakt mit den Randbereichen 53, 54 der Taschenzellen 52 stehen. Die Mehrzahl von Taschenzellen 52 bildet einen Stapel von Taschenzellen 52, wobei das erste Kühlelement 55 und das zweite Kühlelement 56 sich entlang zweier gegenüberliegender Seiten des Stapels der Taschenzellen erstrecken.
Dabei liegt vorteilhaft an zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen 53, 54 der jeweiligen Zellummantelung der Taschenzellen 52 jeweils ein Kühlelement 55, 56 zur Kühlung der Taschenzellen 52 an. Die Orientierung der Taschenzellen 52 ist dabei jeweils derart, dass die jeweilige Taschenzelle 52 jeweils mit einem Randbereich 57 mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich 58 mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden Kühlelementen 55, 56 anliegt.
Dabei ist in der 5 zu erkennen, dass ein erstes Kühlelement 55 und ein zweites Kühlelement 56 vorgesehen sind, wobei die Taschenzellen 52 jeweils mit einem Randbereich 57 mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich 58 mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kühlelementen 55, 56 anliegen, wobei sich die Anlage eines Randbereichs 57 mit Schweißung mit einem Randbereich 58 mit Faltung an dem ersten Kühlelement 55 und an dem zweiten Kühlelement 56 jeweils abwechselt. Die Taschenzellen 52 sind dabei jeweils umgekehrt angeordnet, so dass eine abwechselnde Anordnung vorliegt. Der Randbereich 58 mit der guten Kühlung wechselt sich somit auf jeder Seite, das heißt an jedem Kühlelement 55, 56, jeweils ab.
Alternativ kann die Ausbildung der Zellenanordnung auch derart sein, dass die Anlage eines Randbereichs 57 mit Schweißung mit einem Randbereich 58 mit Faltung an dem ersten Kühlelement 55 und an dem zweiten Kühlelement 56 regelmäßig oder unregelmäßig wechselt. So kann eine andere Anordnung als die strenge Abwechslung erreicht werden, wobei dennoch bei regelmäßiger oder unregelmäßiger Abwechslung dennoch eine gleichmäßigere Kühlung erzielt wird, als wenn die Randbereiche 57 jeweils auf einer Seite angeordnet sind und die Randbereiche 58 jeweils auf der anderen Seite angeordnet sind.
Um eine gute und effektive Kühlung der Taschenzellen 52 zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlelemente 55, 56 kühlfluidführende Kanäle 59 aufweisen oder mit solchen thermisch verbunden sind. Dadurch kann ein Kühlfluid entweder direkt durch die Kühlelemente 55, 56 strömen oder mit einem damit verbundenen Element, so dass ein effektiver Wärmeabtransport stattfinden kann.
Zur Verbesserung der Kühlung der Taschenzellen können die Randbereiche 57, 58 des Folienmaterials der Taschenzellen 52 mit den Kühlelementen 55, 56 in mechanischem und/oder thermischem Kontakt stehen. So können die Randbereiche 57, 58 eingeklemmt, angelegt oder Ähnliches sein. Auch können die Randbereiche 57, 58 des Folienmaterials der Taschenzellen 52 mit den Kühlelementen 55, 56 stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein, beispielsweise mittels wärmeleitendem Kleber oder mittels einer Wärmeleitpaste.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007009315 A1 [0002]
US 2014/0099527 A1 [0004, 0005]
US 2012/0183825 A1 [0004]

Claims

Zellenanordnung (50) mit einer Mehrzahl von als Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) ausgebildeten Batteriezellen (1, 51), wobei die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) eine Zellummantelung (3) aus einem Folienmaterial aufweisen, wobei das Folienmaterial der Zellummantelung (3) an einer Linie (21) gefaltet ist und die verbleibenden offenen Randbereiche (24, 25, 26) des aufeinanderliegenden Folienmaterials der Zellummantelung (3) dicht verschweißt sind, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen der jeweiligen Zellummantelung (3) der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils ein Kühlelement (55, 56) zur Kühlung der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils mit einem Randbereich (57) mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich (58) mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden Kühlelementen (55, 56) anliegen.
Zellenanordnung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kühlelement (55) und ein zweites Kühlelement (56) vorgesehen sind, wobei die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils mit einem Randbereich (57) mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich (58) mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kühlelementen (55, 56) anliegen, wobei sich die Anlage eines Randbereichs (57) mit Schweißung mit einem Randbereich (58) mit Faltung an dem ersten Kühlelement (55) und an dem zweiten Kühlelement (56) abwechselt.
Zellenanordnung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kühlelement (55) und ein zweites Kühlelement (56) vorgesehen sind, wobei die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) jeweils mit einem Randbereich (57) mit Schweißung des Folienmaterials und mit einem Randbereich (58) mit Faltung des Folienmaterials an den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kühlelementen (55, 56) anliegen, wobei die Anlage eines Randbereichs (57) mit Schweißung mit einem Randbereich (58) mit Faltung an dem ersten Kühlelement (55) und an dem zweiten Kühlelement (56) regelmäßig oder unregelmäßig wechselt.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) einen Stapel von Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) bildet, wobei das erste Kühlelement (55) und das zweite Kühlelement (56) sich entlang zweier gegenüberliegender Seiten des Stapels erstrecken.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (55, 56) kühlfluidführende Kanäle (59) aufweisen oder mit solchen thermisch verbunden sind.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche des Folienmaterials der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) mit den Kühlelementen (55, 56) in mechanischem und/oder thermischem Kontakt stehen.
Zellenanordnung (50) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche des Folienmaterials der Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) mit den Kühlelementen (55, 56) stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sind.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) elektrische Anschlusselektroden (4, 5) aufweisen, welche aus der Zellummantelung (3) herausragen, wobei die Anschlusselektroden (4, 5) an zumindest einem Randbereich des Folienmaterials herausragen, der bzw. die nicht mit einem der Kühlelemente (55, 56) verbunden ist bzw. sind.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial eine auf Aluminium basierende Folie ist.
Zellenanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Taschenzellen (2, 27, 30, 40, 52) ausgebildeten Batteriezellen (1, 51) als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind.