DE102015219536B4

DE102015219536B4 - Batteriezellenmodul

Info

Publication number: DE102015219536B4
Application number: DE102015219536.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Opfer; Kristin Wolling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: DE102015219536A1

Abstract

Batteriezellenmodul (1), wobei das Batteriezellenmodul (1) mindestens eine Batteriezelle (2), ein Gehäuse (4) und mindestens ein Wärmerohr (6) aufweist, das thermisch an die Batteriezelle (2) gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr (6) einen Verdampfer (7) und einen Kondensator (8) aufweist, wobei das Wärmerohr (6) mit dem Kondensator (8) an eine Wärmesenke geführt ist, wobeieine Mittelachse (M) des Wärmerohrs (6) vom Verdampfer (7) zum Kondensator (8) in Längsrichtung (L) keine Krümmung aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassdie Elektroden der Batteriezellen (2) durch Zellverbinder (3) miteinander verbunden sind, wobei das mindestens eine Wärmerohr (6) über eine elektrische Isolationsschicht auf den Zellverbindern (3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul, insbesondere ein Batteriezellenmodul für Elektro- oder Hybridfahrzeuge.
Batteriezellenmodule werden beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die Batteriezellenmodule weisen dabei üblicherweise eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sein können. Zur Bildung einer Traktionsbatterie können dann auch wieder mehrere Batteriezellenmodule in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein Problem bei derartigen Batteriezellenmodulen ist die große Wärmeentwicklung, wobei sich die erhöhte Temperatur negativ auf das Leistungsvermögen und die Lebensdauer auswirkt.
Aus der US 8 231 996 B2 ist ein Batteriezellenmodul bekannt, bei dem die Wärme der Batteriezellen mittels Heatpipes und einer Kühleinrichtung mit einer Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Heatpipes sind eine besondere Art von Wärmerohren, bei der die Rückführung des Mediums durch Kapillareffekte erfolgt, im Gegensatz zu Zwei-Phasen-Thermosiphons, wo dies aufgrund von Gravitation erfolgt. Die Kühleinrichtung ist als Kühlplatte ausgebildet, die ein Gehäuse aufweist, durch das die Kühlflüssigkeit strömen kann. Dabei wird vorgeschlagen, die Elektroden der Batteriezellen bzw. deren elektrische Verbindungselemente thermisch an die Heatpipe zu koppeln, wobei dann der Kondensator der Heatpipe an die Kühleinrichtung geführt wird. Der Kondensator ist dabei um 90° zur Längsrichtung der Heatpipe geknickt bzw. gebogen, um den Kondensator möglichst großflächig mit der Oberseite der Kühlplatte zu verbinden.
Aus der JP H 11-329 482 A ist ein gattungsgemäßes Batteriezellenmodul bekannt.
Aus der DE 19 21 748 A ist eine Einrichtung zur Vorwärmung von Batterien bekannt, wobei von außen durch die Wandung der Batterie ein oder mehrere Wärmerohre eingeführt und von außen heizbar sind.
Aus der DE 10 2013 223 229 A1 ist eine Vorrichtung zum indirekten Kühlen und Erwärmen eines Batteriemoduls eines Kraftfahrzeugs bekannt, die eine mit einem Wärmerohr und einer Elektrode durch Umspritzen eingebettete, thermisch und elektrisch leitfähige Zwischenplatte, die eng zwischen zwei oder mehreren Batteriezellen angeordnet ist, aufweist. Weiter weist die Vorrichtung einen Kühlkörper auf, der in einem Luftkühlkanal eines die Batteriezellen umgebenden externen Gehäuses angeordnet und einstückig/integral mit einem oberen Endabschnitt des Wärmerohrs verbunden ist.
Aus der DE 10 2012 220 873 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, umfassend zumindest eine Batteriezelle, welche ausgestaltet ist, um elektrischen Strom zu liefern, und ein Wärmerohr, welches in thermischer Verbindung mit der zumindest einen Batteriezelle angeordnet ist, wobei das Wärmerohr einen Behälter und eine Druckregelungsvorrichtung umfasst, welche mit dem Behälter und dem Wärmeübertragungsfluid im Behälter zusammenwirkt, sodass nach dem Erreichen eines thermischen Ereignisses innerhalb der zumindest einen Batteriezelle die Druckregelungsvorrichtung eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und einer umliegende Umgebung gestattet.
Aus der US 2010/0136404 A1 ist ein Batteriezellenmodul bekannt, wobei Gruppen von Batteriezellen untereinander durch thermische Barrieren voneinander thermisch isoliert sind.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Batteriezellenmodul zu schaffen, bei dem die Wärmeabfuhr von den Batteriezellen verbessert ist, wobei Dichtigkeitsprobleme des Batteriezellenmoduls reduziert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Batteriezellenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Batteriezellenmodul weist mindestens eine Batteriezelle, ein Gehäuse und mindestens ein Wärmerohr auf, das thermisch an die Batteriezellen gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist. Dabei ist das Wärmerohr mit dem Kondensator an eine Wärmesenke geführt. Dabei weist eine Mittelachse des Wärmerohrs vom Verdampfer zum Kondensator in Längsrichtung keine Krümmung auf, ist also eine Gerade. Die Mittelachse geht dabei durch die Flächenschwerpunkte der Querschnittsflächen des Wärmerohrs in Längsrichtung. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die gekrümmte Anbindung des Kondensators an die Wärmesenke im Stand der Technik der Wirkungsgrad des Wärmerohres sich signifikant verschlechtert, was durch die erfindungsgemäße gerade Anbindung vermieden wird. Das Wärmerohr ist dabei vorzugsweise als Heatpipe ausgebildet. Weiter vorzugsweise umfasst das Batteriezellenmodul eine Vielzahl von Batteriezellen.
Dabei sind die Elektroden der Batteriezellen durch Zellverbinder miteinander verbunden, wobei das mindestens eine Wärmerohr über eine elektrische Isolationsschicht auf den Zellverbindern angeordnet ist.
In einer einfachen Ausführungsform ist die Wärmesenke Luft im Gehäuse. Diese Ausführungsform kommt insbesondere zur Anwendung, wenn nur geringe Wärmemengen abgeführt werden müssen, beispielsweise wenn nur eine geringe Anzahl von Batteriezellen vorhanden sind. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können am Kondensator oberflächenvergrößernde Elemente wie Kühlrippen angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ kann eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstromes vorgesehen sein, die einen Luftstrom am Kondensator vorbei erzeugt.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke das Gehäuse, wobei vorzugsweise der Kondensator an die Innenseite des Gehäuses anschlägt oder innerhalb einer Aufnahme des Gehäuses angeordnet ist. Der Vorteil ist, dass diese Ausführungsform keine Durchbrüche im Gehäuse benötigen, die beispielsweise aus Dichtigkeitsgründen nicht erwünscht sind. Die Ausführungsform mit der Aufnahme hat den weiteren Vorteil, dass einerseits das Wärmerohr mechanisch abgestützt wird und andererseits die Verbindungsfläche zwischen Kondensator und Gehäuse vergrößert ist. Des Weiteren kann in der Aufnahme ein thermisches Verbindungsmittel eingebracht werden, um die Wärmekopplung zum Gehäuse zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kühleinrichtung mit dem Gehäuse verbunden. Dabei ist die Anbindung der Kühleinrichtung an das Gehäuse erheblich flexibler und weniger Einschränkungen unterworfen als die Anbindung des Wärmerohres an die Wärmesenke. Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung eine zirkulierende Kühlflüssigkeit auf und ist beispielsweise als Kühlplatte oder Kühlschlauch ausgebildet.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke direkt eine Kühleinrichtung. Mittels dieser Ausführungsform lässt sich am meisten Wärme abführen.
In einer Ausführungsform weist die Kühleinrichtung eine zirkulierende Kühlflüssigkeit auf, wobei der Kondensator in die Kühlflüssigkeit geführt ist. Dies maximiert die Wärmeabfuhr, wobei jedoch die Anforderungen bezüglich der Dichtigkeit steigen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke eine Kühleinrichtung, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der Kondensator in einer Aufnahme auf oder in einem Gehäuse der Kühleinrichtung außerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Durch diese „trockene“ Anbindung ist die Wärmeabfuhr minimal reduziert als im Vergleich zur „feuchten“ Anbindung, dafür sind die Dichtigkeitsprobleme geringer. Dabei ist die Kühleinrichtung vorzugsweise eine Kühlplatte.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke eine Kühleinrichtung, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die Kühleinrichtung als Kühlschlauch mit einer metallischen Ummantelung ausgebildet ist, wobei der Kondensator mit der Ummantelung vercrimpt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriezellenmodul mindestens zwei Wärmerohre auf, wodurch sich die Wärmeleitung gleichmäßiger gestalten lässt, sodass die Temperaturdifferenz zwischen den Batteriezellen verringert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer dritten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung eines Betriebszellenmoduls in einer vierten Ausführungsform und
5 eine schematische Darstellung eines Betriebszellenmoduls in einer fünften Ausführungsform.

In der 1 ist ein Batteriezellenmodul 1 dargestellt, das eine Vielzahl von Batteriezellen 2 aufweist, wobei exemplarisch nur vier Batteriezellen 2 dargestellt sind. Die Batteriezellen 2 sind mittels Zellverbinder 3 in Reihe geschaltet, die mit Schraffur dargestellt sind. Des Weiteren weist das Batteriezellenmodul 1 ein Gehäuse 4 auf. Die äußeren Anschlüsse 5 der Reihenschaltung der Batteriezellen 2 sind aus dem Gehäuse 4 geführt und beispielsweise mit weiteren Batteriezellenmodulen verschaltet. Auf den Zellverbindern 3 ist ein Wärmerohr 6 angeordnet, das einen Verdampfer 7 und einen Kondensator 8 aufweist, wobei an dem Kondensator 8 oberflächenvergrößernde Elemente 9 angeordnet sind, die beispielsweise als Kühlrippen ausgebildet sind. Der Kondensator 8 ist dabei an die Luft 10 als Wärmesenke im Gehäuse 4 angekoppelt. Weiter weist das Batteriezellenmodul 1 eine Einrichtung 11 zur Erzeugung eines Luftstromes 12 auf, der an dem Kondensator 8 vorbeistreicht. Die Einrichtung 11 ist beispielsweise als Lüfter ausgebildet. Schließlich kann das Batteriezellenmodul 1 eine Kühleinrichtung 13 aufweisen, die als Kühlplatte 14 mit Zulauf 15 und Ablauf 16 für eine Kühlflüssigkeit 14a ausgebildet ist. Die Wärme der Batteriezellen 2 wird dabei durch Verdampfung eines Mediums im Wärmerohr 6 abgeführt, wobei das Wärmerohr durch Kondensation am Kondensator 8 die Wärme an die Luft 10 abführt. Die erwärmte Luft 10 wird dann durch die Einrichtung 11 vom Kondensator 8 weggeführt und an der Kühleinrichtung 16 abgekühlt. Das Wärmerohr 6 kann dabei einen beliebigen Querschnitt aufweisen (rund, oval oder D-förmig), weist jedoch in der Mittelachse M in Längsrichtung L keine Krümmung auf, sodass der Wärmetransport nicht gestört wird. Da üblicherweise die Wärmerohre 6 aus metallischem Material bestehen (z.B. Kupfer), ist zwischen dem Wärmerohr 6 und dem Zellverbinder 3 eine nicht dargestellte elektrische Isolationsschicht aufgebracht, die eine gute thermale Leitfähigkeit aufweist, um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Batteriezellen 4 zu verbinden.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Batteriezellenmoduls 1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der wesentliche Unterschied ist, dass der Kondensator 8 an das Gehäuse 4 an der Innenseite des Batteriezellenmoduls 1 anschlägt, also das Gehäuse 4 als Wärmesenke für den Kondensator 8 genutzt wird. Die an das Gehäuse 4 abgegebene Wärme wird dann insbesondere durch die Kühleinrichtung 13 abgeführt. In der dargestellten Ausführungsform sind dabei auch die Verbindungen zu den äußeren Anschlüssen 5 thermisch mit dem Wärmerohr 6 gekoppelt, was aber auch in der Ausführungsform gemäß 1 möglich ist.
In der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, die weitgehend der Ausführungsform gemäß 2 entspricht. Der Unterschied ist, dass der Kondensator 8 nicht an das Gehäuse 4 anschlägt, sondern in einer Aufnahme 17, die beispielsweise als Sackloch ausgebildet ist, angeordnet ist. Auch hier weist das Wärmerohr 6 in Längsrichtung L keine Krümmung auf, sondern tritt gerade, d.h. üblicherweise im rechten Winkel, in das Gehäuse 4 ein. Ist die Gehäusewand an der Aufnahme 17 aber selbst abgeschrägt, so handelt es sich nicht um einen rechten Winkel. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist die bessere thermische Anbindung des Wärmerohrs 6 an das Gehäuse 4 sowie die zusätzliche mechanische Abstützung des Wärmerohrs 6.
In der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Dabei ist der Kondensator 8 des Wärmerohrs 6 in eine Aufnahme in der Kühleinrichtung 13 geführt. Die Aufnahme der Kühleinrichtung 13 liegt dabei außerhalb der Kühlflüssigkeit 14a, die erst im Bereich unterhalb der Strichelung fließt.
In der 5 ist schließlich eine Ausführungsform dargestellt, bei der zwei Wärmerohre 6 vorgesehen sind, um die Temperaturdifferenz über den Batteriezellen 2 zu reduzieren. Die nicht näher dargestellte Anbindung der Kondensatoren 8 an eine Wärmesenke kann beispielsweise wie in einem der vorangegangenen Ausführungsformen erfolgen.

Claims

Batteriezellenmodul (1), wobei das Batteriezellenmodul (1) mindestens eine Batteriezelle (2), ein Gehäuse (4) und mindestens ein Wärmerohr (6) aufweist, das thermisch an die Batteriezelle (2) gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr (6) einen Verdampfer (7) und einen Kondensator (8) aufweist, wobei das Wärmerohr (6) mit dem Kondensator (8) an eine Wärmesenke geführt ist, wobei eine Mittelachse (M) des Wärmerohrs (6) vom Verdampfer (7) zum Kondensator (8) in Längsrichtung (L) keine Krümmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Batteriezellen (2) durch Zellverbinder (3) miteinander verbunden sind, wobei das mindestens eine Wärmerohr (6) über eine elektrische Isolationsschicht auf den Zellverbindern (3) angeordnet ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke Luft (10) im Gehäuse (4), das Gehäuse (4) oder eine Kühleinrichtung (13) ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke Luft (10) im Gehäuse (4) ist, wobei an dem Kondensator (8) oberflächenvergrößernde Elemente (9) angeordnet sind und/oder eine Einrichtung (11) zur Erzeugung eines Luftstromes (12) vorgesehen ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke das Gehäuse (4) ist, wobei der Kondensator (8) an die Innenseite des Gehäuses (4) anschlägt oder innerhalb einer Aufnahme (17) des Gehäuses (4) angeordnet ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) mit einer Kühleinrichtung (13) verbunden ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (13) eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a) aufweist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (13) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a) aufweist, wobei der Kondensator (8) in die Kühlflüssigkeit (14a) geführt ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (13) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a) aufweist, wobei der Kondensator (8) in einer Aufnahme auf oder in einem Gehäuse der Kühleinrichtung (13) außerhalb der Kühlflüssigkeit (14a) angeordnet ist.
Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (13) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a) aufweist, wobei die Kühleinrichtung (13) als Kühlschlauch mit einer metallischen Ummantelung ausgebildet ist, wobei der Kondensator (8) mit der Ummantelung vercrimpt ist.
Batteriezellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenmodul (1) mindestens zwei Wärmerohre (6) aufweist.