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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen eines Antriebsenergiespeichers eines Kraftfahrzeuges.
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Aus
DE 10 2008 010 837 A1 ist eine als Wärmeleitplatte bezeichnete Kühlvorrichtung zur Kühlung von Batteriezellen eines Antriebsenergiespeichers mit aus den Batteriezellen herausragenden Polen bekannt, die eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, in welche die Pole hineinragen oder durch welche die Pole hindurchragen. Zellverbinder sind mit Befestigungsmitteln an den Polen oberhalb der Wärmeleitplatte befestigt. Die Batteriezellen sind mit den Befestigungsmitteln und den Zellverbindern an der Kühlvorrichtung fixiert. Sowohl zwischen der Kühlvorrichtung und den Batteriezellen als auch zwischen den Zellverbindern und der Kühlvorrichtung ist elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material in Form einer Wärmeleitfolie oder Vergussmasse angeordnet. Die Kühlvorrichtung ist mit einem Kühlmittel beaufschlagbar, um die Kühlleistung zu erhöhen.
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Weitere, ähnlich gestaltete Kühlvorrichtungen sind aus
DE 10 2009 043 526 A1 , aus
DE 10 2009 035 458 A1 und aus
DE 10 2009 035 470 A1 bekannt. Nachteilig an den bekannten Kühlvorrichtungen ist, dass diese aufgrund der Vielzahl von Öffnungen relativ aufwendig gefertigt werden müssen und daher teuer in der Herstellung sind. Auch erfordert die Montage ein präzises Aufsetzen der Kühlvorrichtung, damit die Pole mit den in der Kühlvorrichtung ausgebildeten Öffnungen fluchten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen eines Antriebsenergiespeichers eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herstellbar und montierbar ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen eines Antriebsenergiespeichers eines Kraftfahrzeuges sind Pole (auch als Stromableiter bezeichnet) von mindestens zwei Batteriezellen über mindestens einen Zellverbinder miteinander verschaltet. Die den Batteriezellen zugewandte Oberfläche sowie die den Batteriezellen abgewandte Oberfläche des mindestens einen Zellverbinders sind eben ausgebildet. Auf einer der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite des mindestens einen Zellverbinders ist eine Kühlvorrichtung in thermisch leitender Verbindung und elektrisch isolierender Verbindung zu dem mindestens einen Zellverbinder angeordnet. Der mindestens eine Zellverbinder weist zumindest teilweise einen geschlitzten Bereich auf. Ferner ist eine Vielzahl von Zellverbindern zu einer Zellverbinderplatine zusammengefasst. Unter dem Begriff Batteriezelle sind zwar zunächst alle Typen von Batteriezellen zu verstehen, d.h. sowohl zum einen sogenannte Pouch-Bag-Zellen, die als Gehäuse nicht starre Folie aufweisen als auch zum anderen sogenannte Hardcase-Zellen, die ein formstabiles - meist rund oder prismatisch geformtes - Gehäuse aufweisen. Beide Zelltypen weisen üblicherweise ein Gehäuse mit einem Grundkörper sowie aus dem Grundkörper herausragende Pole auf, die gegenüber einer Seite des Grundkörpers hervorstehen und üblicherweise kleinere Querschnittsflächen aufweisen als die Seite des Grundkörpers, aus welchen sie herausragen. Die Erfindung wurde im Wesentlichen für sogenannte Hardcase-Zellen gemacht und wird daher im Folgenden ausschließlich in Verbindung mit Hardcase-Zellen beschrieben.
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Unter dem Begriff thermisch leitfähig wird in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ein Wärmeleitwert von mindestens 1 W/(mK) verstanden. Bevorzugt ist dieser Wert größer als 5 W/(mK) und besonders bevorzugt größer als 10 W/(mK).
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Als elektrisch isolierend werden in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung Materialien verstanden, deren Durchschlagspannung größer als 1 kV ist, bevorzugt größer als 1,5 kV und besonders bevorzugt größer als 2 kV. Der Volumenwiderstand beträgt insbesondere mindestens 800 Ohm/cm, bevorzugt mindestens 900 Ohm/cm und besonders bevorzugt mindestens 1000 Ohm/cm. Hierfür können beispielsweise Silikon-Pads zum Einsatz kommen.
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Zellverbinder, bei denen eine Vielzahl von Zellverbindern zu einer Zellverbinderplatine zusammengefasst sind, werden üblicherweise verwendet, um sämtliche Batteriezellen eines Batteriemoduls oder mehrerer Batteriemodule auf einfache Art und Weise miteinander zu verbinden. Es handelt sich dabei insbesondere um flache Zellverbinderplatinen, meist mit einer eben ausgebildeten Unterseite, die auf den Polen der miteinander verschalteten Batteriezellen aufliegen. Solche Zellverbinderplatinen weisen darüber hinaus auch meist eine eben ausgebildete Oberseite auf, die sich ideal zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Anordnung eignet. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Oberseite der aus Zellverbindern gebildeten Zellverbinderplatine eine größere Oberfläche aufweist als die Summe der Oberflächen der Pole. Denn in diesem Fall kann die durch die Zellverbinderplatine bereits vergrößerte Oberfläche vollständig für die Abfuhr von Wärme und somit für eine effiziente Kühlung der Batteriezellen genutzt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einzelne Zellverbinder, auch solche, die Teil einer Zellverbinderplatine sind, mit elastisch verformbar ausgebildeten Bereichen versehen sein können, insbesondere um eine sichere Verbindung auch bei temperaturbedingten oder aus sonstigen Gründen auftretenden Polabstandsveränderungen zu ermöglichen.
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Durch die Zellverbinder, die auf der der Batteriezelle abgewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweisen, ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Anordnung. Denn in diesem Fall können alle Elemente der Kühlvorrichtung, insbesondere eine etwaig vorhandene separate Isolierschicht sowie das Kühlelement selbst ebenfalls eine ebene Oberfläche aufweisen, um großflächig - und somit für einen guten Wärmeübergang optimiert - aneinander anliegend angeordnet zu werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht aufgrund der Anordnung der Kühlvorrichtung auf einer der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite eine besonders einfache Gestaltung der Kühlvorrichtung, was zu günstigen Herstellungs- und Montagekosten führt.
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Dies gilt insbesondere, wenn Kühlvorrichtungen zum Einsatz kommen können, welche auf der den Batteriezellen zugewandten Seite frei von Öffnungen ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung in diesem Fall als einfaches, plattenartiges Kühlelement mit einer ebenen Anlagefläche ausgebildet sein. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Platte mit rechteckiger, runder oder polygonförmiger Grundform handeln.
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Um eine thermisch leitende Verbindung und elektrisch isolierende Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung und dem Zellverbinder herzustellen, kann die Kühlvorrichtung mindestens eine, sich unmittelbar an den mindestens einen Zellverbinder anschließende Isolierschicht und mindestens ein, sich unmittelbar an die Isolierschicht anschließendes Kühlelement umfassen. Bei dem Kühlelement kann es sich insbesondere um eine Platte handeln, d.h. um ein Element, dessen Höhe im Vergleich zur Länge und zur Breite nur ein Bruchteil beträgt. Oft beträgt die Höhe weniger als ein Zehntel oder noch weniger als die Länge und die Breite. Es kann aber auch eine mehrlagig aufgebaute Isolierschicht zum Einsatz kommen, beispielsweise eine aus einer dünnen, elektrisch isolierenden Zwischenschicht (z.B. Polyimid-Folie) und einer thermisch gut leitfähigen Schicht bestehende Isolierschicht. Entscheidend ist, dass der Gesamtaufbau die vorstehend genannten Rahmenbedingungen hinsichtlich der elektrischen Isolierung und der thermischen Leitfähigkeit erfüllt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Kühlvorrichtung auch einstückig ausgebildet sein kann, wenn das Material der Kühlvorrichtung selbst elektrisch isolierend und thermisch leitfähig ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Kühlvorrichtung einer erfindungsgemäßen Anordnung auf der dem Zellverbinder zugewandten Seite zumindest teilweise komplementär zu dem Zellverbinder ausgebildet ist. Die teilweise komplementäre Ausbildung kann dabei an einer Isolierschicht und/oder an einem daran angrenzenden Kühlelement, insbesondere einer Kühlplatte, erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die - üblicherweise eine gewisse Elastizität aufweisende - Isolierschicht dazu genutzt wird, etwaige geometrische Unregelmäßigkeiten (insbesondere in unterschiedliche Ausprägungen in Hochrichtung, in welcher sich die Pole aus dem Grundkörper der Batteriezelle erstrecken) vollständig auszugleichen, so dass das Kühlelement auf der den Batteriezellen und dem Zellverbinder zugewandten Seite eben ausgebildet sein kann.
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Aus der Praxis sind stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit den Polen verbundene Zellverbinder bekannt. Erfindungsgemäße Anordnungen können unabhängig davon realisiert werden, welche dieser Verbindungsform der Zellverbinder gewählt wurde. Insbesondere wird auf Verschweißen, Verschrauben und Vercrimpen zur Verschaltung der Batteriezellen mittels Zellverbinder verwiesen.
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Ähnlich verhält es sich hinsichtlich der Sicherung der relativen Anordnung der Kühlvorrichtung zu den Zellverbindern. Diese kann stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig festgelegt sein. Als Beispiel für eine kraftschlüssige Festlegung wird auf die Verwendung einer Spann- und/oder Schraubvorrichtung verwiesen, mittels welcher die Kühlvorrichtung gegen die Pole gepresst wird. Dazu können beispielsweise Spannarme vorgesehen sein, welche die Gehäuse der Batteriezellen oder ein Gehäuse, in welches die Batteriezellen eingesetzt sind umgreifen.
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Wenn die Batteriezellen in einem separaten Gehäuse eingesetzt sind, können auch in den Stirnwänden des Gehäuses Schraublöcher vorgesehen sein, um die Kühlvorrichtung mit den Wänden des Gehäuses zu verschrauben. In diesem Fall ist es auch möglich, die Kühlvorrichtung - ggf. auch als Baugruppe mit einer Zellverbinderplatine oder ein oder mehreren einzelnen Zellverbindern - vorzumontieren und die vormontierte Baugruppe in einem letzten Montageschritt mit den in dem Gehäuse eingesetzten Batteriezellen zu verbinden, insbesondere zu verschrauben.
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Die Vorteile einer Anordnung bei welcher die den Batteriezellen abgewandte Oberfläche der Zellverbinder größer ist als die Oberfläche der Pole, mit welchen der Zellverbinder verbunden ist, insbesondere hinsichtlich einer vorteilhaften Wärmeableitung, wurden bereits erläutert. Das Gleiche gilt für die bevorzugte Realisierung erfindungsgemäßer Anordnung in Verbindung mit Batteriezellen, die einen runden oder prismatischen Grundkörper aufweisen sowie für Batteriezellen, die in einem formstabilen Gehäuse angeordnet sind. Wenn mehrere Batteriezellen nebeneinander angeordnet und in zumindest einer Richtung gegeneinander verspannt sind, kommen üblicherweise biegesteife Spannplatten zum Einsatz. Die Stirnseiten dieser Spannplatten eignen sich gut dazu, um darin Schraublöcher zur Verschraubung einer Kühlvorrichtung auszubilden oder Spannarme zum Festspannen oder formschlüssigen Festlegen einer Kühlvorrichtung daran abzustützen.
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Eine besonders effiziente Wärmeabfuhr wird erreicht, wenn die Kühlvorrichtung mindestens einen Fluidkanal für ein Kühlfluid aufweist, um von den Zellverbindern in die Kühlvorrichtung eingeleitete Wärme unmittelbar über das Kühlfluid abzutransportieren. Als Kühlfluid geeignet sind sowohl gasförmige als auch flüssige Medien einschließlich Kältemittel, das unmittelbar in dem an den mindestens einen Zellverbinder angrenzenden Bereich verdampft. Wenn das Kraftfahrzeug, in welchem die erfindungsgemäße Anordnung realisiert ist, einen Klimakreislauf aufweist, kann die Kühlvorrichtung an diesen angeschlossen sein, um bereits vorhandene Infrastruktur zu nutzen.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Batteriezellen mit oberseitig angeordneten Polen und einzelnen Zellverbindern,
- 2 eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Batteriezellen mit oberseitig angeordneten Polen und Zellverbindern, die Teil einer Zellverbinderplatine sind,
- 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung in Verbindung mit den in 2 dargestellten Batteriezellen und
- 4 die erfindungsgemäße Anordnung aus 3 in einer Ansicht von oben.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines aus mehreren quaderförmigen Batteriezellen 10 bestehenden Batteriemoduls 12. Die Batteriezellen 10 umfassen einen Grundkörper 14 sowie die aus 1 ersichtlichen, aus der Oberseite 16 des Grundkörpers herausragende Pole 18. Die Pole weisen jeweils herausstehende Sockelelemente 20 mit ungefähr quaderförmiger Form sowie einen gegenüber dem Sockelelement 20 nochmal herausragende Pins 22 mit zylindrischer Form auf.
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Wie in 1 erkennbar ist, sind die Sockelelemente 20 zweier Pole 18 jeweils mit einzelnen Zellverbindern 24 miteinander verbunden. Die Zellverbinder 24 sind in der gezeigten Ausführungsform mit den Polen 18 verschweißt. Derartige Zellverbinder 24 können jedoch auch auf beliebige andere Art und Weise formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig gegenüber den Polen 18 festgelegt sein.
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2 zeigt eine andere, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von quaderförmigen Batteriezellen 10, wobei im Folgenden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Auch bei dieser Anordnung umfassen die Batteriezellen 10 einen Grundkörper 14 und in 1 nur teilweise erkennbare, aus der Oberseite 16 des Grundkörpers 14 herausragende Pole 18. Elektrisch leitend und direkt auf den Polen 18 aufliegend sind Zellverbinder 24 angeordnet, die in der in 2 gezeigten Ausführungsform Bestandteil einer Zellverbinderplatine 26 sind. Die Zellverbinderplatine umfasst in der gezeigten Ausführungsform einzelne Zellverbinder 24, die insgesamt zwölf Batteriezellen 10 zu einem Batteriemodul 12 miteinander verschalten. Auf der Zellverbinderplatine 26 ist auch ein Anschlusselement 30 für den Spannungs- und Temperatur-Signalabgriff von dem gesamten Batteriemodul 12 vorgesehen (vgl. 4). Die Zellverbinder 24 sind im Bereich der Pole 18 jeweils durch eine halbkreisförmige Schweißnaht 32 stoffschlüssig mit den Polen 18 verbunden. Die Zellverbinderplatine 26 weist eine ungefähr rechteckige Form auf. Die Fläche der Zellverbinderplatine 26 ist kleiner als die darunter befindliche Fläche der Oberseiten 16 der zwölf miteinander verschalteten Batteriezellen. Die Oberflächen der Zellverbinder 24 hingegen sind größer als die Oberflächen der Pole 18 der Batteriezellen 10. Die den Batteriezellen 10 zugewandten Oberflächen der Zellverbinder 24, welche mit den Polen 18 in Kontakt stehen, sowie die den Batteriezellen 10 abgewandten Oberflächen der Zellverbinder 24 (sichtbare Oberseiten in 2) sind eben ausgebildet. In 2 ist auch zu erkennen, dass die Zellverbinder teilweise geschlitzte Bereich aufweisen, um die Elastizität der Zellverbinder partiell zwischen zwei benachbarten Polen 18 zu erhöhen, falls es zu Abstandänderungen der Pole 18 kommt.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit den vorstehend in Verbindung mit den 2 und 4 beschriebenen Batteriezellen 10. Wie aus 3 ersichtlich, schließt sich oberseitig an die Pole 18 unmittelbar eine Kühlvorrichtung 34 an, die eine Kühlplatte 36 und zwischen der Kühlplatte 36 und den Polen 18 angeordnete Isolierschicht 38 umfasst.
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Wie in 4 schematisch dargestellt, sind in der u-förmig ausgebildeten Kühlplatte 36 Kanäle für ein Kühlfluid ausgebildet, das in Richtung der Pfeils 40 seitlich in die Kühlplatte 36 einströmen kann, dann u-förmig gemäß dem Pfeil 42 durch die Kühlplatte 36 über sämtliche Pole 18 des Batteriemoduls 12 geleitet wird und anschließend gemäß dem Pfeil 44 wieder aus der Kühlplatte 36 ausströmen kann.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezellen
- 12
- Batteriemodul
- 14
- Grundkörper
- 16
- Oberseite
- 18
- Pol
- 20
- Sockelelement
- 22
- Pin
- 24
- Zellverbinder
- 26
- Zellverbinderplatine
- 28
- Verbindungsglied
- 30
- Anschlusselement
- 32
- Schweißnaht
- 34
- Kühlvorrichtung
- 36
- Kühlplatte
- 38
- Isolierschicht
- 40
- Pfeil
- 42
- Pfeil
- 44
- Pfeil
