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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, welches mehrere Batteriezellen, die je ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweisen, und einen Wärmetauscher zur Temperierung der Batteriezellen umfasst. Die Terminals der Batteriezellen sind dabei mittels Zellverbindern miteinander verbunden, und zwischen dem Wärmetauscher und den Terminals ist eine Wärmeleitfolie angeordnet.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind.
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Sekundärbatterien kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Bei einem Entladevorgang der Batteriezelle fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle fließen Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode.
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Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Stromableiter der beiden Elektroden sind mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
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Batteriezellen weisen ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt und somit elektrisch leitfähig ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Terminals befinden sich dabei außerhalb des besagten Zellengehäuses. Mehrere Batteriezellen können zu einem Batteriemodul verbunden werden. Mehrere Batteriemodule können zu einem Batteriepack zusammen gefügt werden.
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Im Stand der Technik sind Batteriezellen bekannt, die nur in einem begrenzten Arbeitstemperaturbereich optimal betreibbar sind. Zu hohe Temperaturen können irreversible chemische Reaktionen auslösen, was zu einem Kapazitätsverlust oder gar zu einer Zerstörung der Batteriezelle führen kann. Bei zu tiefen Temperaturen kann die Beweglichkeit der Lithiumionen reduziert sein, wodurch die Leistung der Batteriezelle vermindert ist.
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Dokument
DE 10 2012 018 113 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Kühleinrichtung. Auf den Terminals der Batteriezellen liegt eine Wärmeleitfolie auf. Die Wärmeleitfolie stellt einen thermischen Kontakt zwischen den Terminals und der Kühleinrichtung her. Die Wärmeleitfolie ist elektrisch isolierend und thermisch gut leitend ausgebildet.
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Dokument
DE 10 2013 021 639 A1 offenbart eine Batterie, welche mehrere Batteriezellen umfasst. Die Terminals der Batteriezellen sind mittels Zellverbindern miteinander elektrisch verbunden. Auf den Zellverbindern liegt eine Wärmeleitfolie auf, welche Wärme leitend aber elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die Wärmeleitfolie stellt einen thermischen Kontakt zwischen den Zellverbindern und der Kühlplatte her.
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Aus dem Katalog
"Thermal Interface Material Selection Guide" der Firma Bergquist Company aus dem Januar 2015 sind technische Daten sowie Anwendungsmöglichkeiten des Werkstoffs Gap Pad
® bekannt. Dabei handelt es sich um eine Wärmeleitfolie, die unter anderem für Anwendungen in der Automobiltechnik, insbesondere für Batterien, geeignet ist.
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Dokument
DE 10 2011 080 950 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Einzelzellen sowie einer Vorrichtung zur Wärmeabfuhr. Dabei ist ein Wärmeaufnahmeelement vorgesehen, welches thermisch mit den Ableitern der Einzelzelle verbunden ist. Zur Übertragung von Wärme von den Zellen zu dem Wärmeaufnahmeelement ist ein Zellverbinder vorgesehen, welcher einen metallischen Kern aufweist, welcher elektrisch isoliert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches mehrere Batteriezellen umfasst. Die Batteriezellen weisen je ein negatives Terminal und ein positives Terminal auf. Die Terminals der Batteriezellen sind mittels Zellverbindern miteinander verbunden. Das Batteriemodul umfasst ferner einen Wärmetauscher zur Temperierung der Batteriezellen. Dabei ist zwischen dem Wärmetauscher und den Terminals eine Wärmeleitfolie angeordnet.
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Die Batteriezellen sind dabei durch die Zellverbinder parallel oder seriell miteinander verschaltet. Auch Kombinationen aus Parallelschaltungen und Serienschaltungen sind denkbar. Die Wärmeleitfolie ist vorzugsweise auch in Kontakt mit den Zellverbindern und ist somit auch zwischen dem Wärmetauscher und den Zellverbindern angeordnet. Die Wärmeleitfolie ist verhältnismäßig gut wärmeleitend, aber elektrisch isolierend ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist der Wärmetauscher des Batteriemoduls konkave Aussparungen auf, in welche die Terminals der Batteriezellen gemeinsam mit der Wärmeleitfolie, die zwischen dem Wärmetauscher und den Terminals angeordnet ist, hinein ragen. Die Aussparungen in dem Wärmetauscher sind dabei zumindest annähernd komplementär zu den Terminals der Batteriezellen ausgestaltet.
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Die Wärmeleitfolie ist dabei entsprechend flexibel ausgestaltet und schmiegt sich an die Form der konkaven Aussparungen in dem Wärmetauscher und an die Form der Terminals an, die in Form von konvexen Vorsprüngen von den Batteriezellen abstehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeleitfolie als teilvernetzte Folie ausgestaltet, die aus einer Vergussmasse hergestellt ist. Die Vergussmasse ist damit in einem pastösen bis festen Zustand. Somit ist die Vergussmasse verhältnismäßig weich und flexibel. Die Vergussmasse enthält beispielsweise Sand und Silikon.
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Bei der Montage des Batteriemoduls wird die besagte Vergussmasse zunächst auf die Terminals der Batteriezellen sowie auf die Zellverbinder aufgetragen. Anschließend wird der Wärmetauscher derart auf den Batteriezellen positioniert, dass die Terminals der Batteriezellen gemeinsam mit der Vergussmasse in die konkaven Aussparungen in dem Wärmetauscher hinein ragen. Die Vergussmasse gleicht dabei auch Maßtoleranzen bei den Terminals der Batteriezellen sowie bei den Aussparungen in dem Wärmetauscher aus. Die Vergussmasse füllt Zwischenräume zwischen den Terminals der Batteriezellen und den Aussparungen in dem Wärmetauscher aus. Anschließend wird die Vergussmasse bei einer Temperatur von vorzugsweise 60°C ausgehärtet und bildet somit die Wärmeleitfolie. Die Wärmeleitfolie wirkt zwischen den Batteriezellen und dem Wärmetauscher wie eine Dichtung und gewährleistet zusätzlich eine mechanisch feste Verbindung zwischen den Batteriezellen und dem Wärmetauscher.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeleitfolie als beschichtete Polymerfolie ausgestaltet. Insbesondere ist die Wärmeleitfolie aus dem Werkstoff Gap Pad® hergestellt. Die Wärmeleitfolie weist dabei eine Trägerschicht auf, welche aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid, gebildet ist. Die besagte Trägerschicht der Wärmeleitfolie ist dabei mit einer Beschichtung versehen. Als Material für die Beschichtung kommen beispielsweise Fiberglas sowie Kautschuk in Frage. Die Wärmeleitfolie kann zusätzlich eine Klebstoffschicht aufweisen, wodurch die Haftung der Wärmeleitfolie auf den Terminals der Batteriezellen sowie auf den Zellverbindern verbessert ist.
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Bei der Montage des Batteriemoduls wird die besagte Wärmeleitfolie, die als beschichtete Polymerfolie ausgestaltet ist, zunächst auf die Terminals der Batteriezellen sowie auf die Zellverbinder aufgelegt oder geklebt. Danach wird der Wärmetauscher derart auf den Batteriezellen positioniert, dass die Terminals der Batteriezellen gemeinsam mit der Wärmeleitfolie in die konkaven Aussparungen in dem Wärmetauscher hinein ragen. Anschließend erfolgt noch eine zusätzliche mechanische Befestigung der Batteriezellen an dem Wärmetauscher.
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Vorzugsweise sind die Aussparungen in dem Wärmetauscher kreiszylindrisch ausgebildet. Die Terminals der Batteriezellen, die zumindest annähernd komplementär zu den Aussparungen in dem Wärmetauscher ausgestaltet sind, sind dann ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet. Die Aussparungen können somit verhältnismäßig einfach mittels Bohren in den Wärmetauscher eingebracht werden.
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Bevorzugt sind die Zellverbinder an die Terminals der Batteriezellen angeschweißt. Die Zellverbinder sind dabei als ebene Bleche ausgebildet und aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer oder aus Aluminium, hergestellt. Vorteilhaft sind die Zellverbinder mittels Laserschweißens mit den Terminals der Batteriezellen verschweißt. Durch Laserschweißen entsteht eine mechanisch feste, elektrisch und thermisch gut leitende Verbindung zwischen den Terminals der Batteriezellen und den Zellverbindern. Ferner ergibt sich durch Laserschweißen nur ein verhältnismäßig geringer Wärmeeintrag in die Batteriezelle.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen prismatisch, insbesondere quaderförmig ausgebildet. Die Terminals der Batteriezellen stehen dabei in Form von konvexen Vorsprüngen von den Batteriezellen parallel zueinander in die gleiche Richtung ab.
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Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet. Die Terminals der Batteriezellen stehen dabei in Form von konvexen Vorsprüngen von den Batteriezellen parallel zueinander in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen ab.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen als Pouchzellen ausgebildet. Dabei weisen die Batteriezellen ein flexibles Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus einer Folie gebildet ist. Die Terminals der Batteriezellen ragen dabei in Form von konvexen Vorsprüngen aus der besagten Folie heraus.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher von einem Kühlmedium durchströmbar. Dazu weist der Wärmetauscher Kühlkanäle auf, die von dem Kühlmedium durchströmt sind. Durch das Kühlmedium kann in den Batteriezellen des Batteriemoduls entstandene Wärme abtransportiert werden. Das Kühlmedium kann aber auch vor Eintritt in den Wärmetauscher erwärmt werden und somit den Batteriezellen des Batteriemoduls Wärme zuführen.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriemoduls können die einzelnen Batteriezellen über die Zellverbinder sowie über die Terminals temperiert werden. Durch die komplementäre Ausgestaltung der Aussparungen in dem Wärmetauscher zu den Terminals der Batteriezellen ist eine schnelle und direkte Wärmeübertragung möglich. Dabei kann Wärme, je nach Bedarf, von den Batteriezellen zu dem Wärmetauscher abgeführt werden, aber ebenso von dem Wärmetauscher den Batteriezellen zugeführt werden. Durch die Verbindung der Terminals der Batteriezellen mittels metallischer Zellverbindern ist die mechanische Festigkeit ebenso wie die Wärmeleitfähig vorteilhaft erhöht. Auch ist wegen der elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie keine zusätzliche Isolierung oder ein zusätzlicher Abstandshalter zwischen den Batteriezellen und dem Wärmetauscher erforderlich. Das Batteriemodul kann dabei prismatische sowie zylindrische Batteriezellen ebenso wie Pouchzellen umfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
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2 eine teilgeschnittene Darstellung eines Batteriemoduls mit zwei in 1 gezeigten Batteriezellen und
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3 eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist eine Batteriezelle 2 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches vorliegend prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 kann auch beispielsweise kreiszylindrisch ausgebildet sein. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an dem Zellengehäuse 3 angeordnet.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 der Anode 21 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
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Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 der Kathode 22 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
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Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig. Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt, welcher ebenfalls ionisch leitfähig ist.
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2 zeigt eine teilgeschnittene Darstellung eines Batteriemoduls 50, welches zwei in 1 gezeigte Batteriezellen 2 aufweist. Das Batteriemodul 50 kann auch mehr als zwei Batteriezellen 2 umfassen. Das Batteriemodul 50 ist beispielsweise an einem nicht dargestellten Fahrzeug befestigt und dient insbesondere als Traktionsbatterie zum Antrieb des Fahrzeugs. Ferner können mehrere Batteriemodule 50 zu einem Batteriepack zusammen gefügt werden.
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Das negative Terminal 11 der einen Batteriezelle 2 ist mittels eines Zellverbinders 52 mit dem positiven Terminal 12 der anderen Batteriezelle 2 verbunden. Die beiden Batteriezellen 2 sind somit elektrisch seriell verschaltet. Eine Wärmeleitfolie 70 ist auf die Terminals 11, 12 der Batteriezellen 2 sowie auf den Zellverbinder 52 aufgelegt und schmiegt sich an die Kontur der die Terminals 11, 12 sowie des Zellverbinders 52 an.
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Ein Wärmetauscher 60 dient zur Temperierung der Batteriezellen 2. Der Wärmetauscher 60 weist dazu Kühlkanäle 64 auf, wobei in der gezeigten Darstellung nur ein Kühlkanal 64 sichtbar ist. Ein Kühlmedium durchfließt den Kühlkanal 64 des Wärmetauschers 60 in einer Flussrichtung F. Der Wärmetauscher 60 ist über die Wärmeleitfolie 70 in thermischem Kontakt zu den Batteriezellen 2.
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Der Wärmetauscher 60 weist ferner mehrere konkave Aussparungen 62 auf Der Wärmetauscher 60 ist derart an den Batteriezellen 2 angeordnet, dass die Terminals 11, 12 der Batteriezellen 2 in die Aussparungen 62 hinein ragen. Auch die Wärmeleitfolie 70 ragt teilweise in die Aussparungen 62 des Wärmetauschers 60 hinein. Die Wärmeleitfolie 70 ist somit zwischen dem Wärmetauscher 60 und den Terminals 11, 12 ebenso wie zwischen dem Wärmetauscher 60 und dem Zellverbinder 52 angeordnet.
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Die konkaven Aussparungen 62 sind vorliegend als Sacklöcher in dem Wärmetauscher 60 ausgeführt. Die konkaven Aussparungen 62 ragen in den Wärmetauscher 60 hinein, haben aber einen Abstand zu dem Kühlkanal 64. In einer alternativen Ausgestaltung können die konkaven Aussparungen 62 als Durchgangsbohrungen ausgeführt sein und bis in den Kühlkanal 64 hinein reichen.
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Die Wärmeleitfolie 70 ist beispielsweise eine teilvernetzte Folie, die aus einer Vergussmasse hergestellt ist, welche beispielsweise Sand und Silikon enthält. Die Wärmeleitfolie 70 kann auch beschichtete Polymerfolie sein, die insbesondere aus dem Werkstoff Gap Pad® hergestellt ist.
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3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teilbereichs aus 2. Dabei ist der Bereich um das negative Terminal 11 und um die Aussparung 62 des Wärmetauschers 60, in welche das negative Terminal 11 hineinragt, vergrößert dargestellt.
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Der Zellverbinder 52 ist mittels Schweißstellen 54 mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Die Schweißstellen 54 befinden sich dabei auf einer Schulter des negativen Terminals 11. Anstelle von mehreren singulären Schweißstellen 54 kann auch eine einzige Schweißstelle 54 vorgesehen sein, welche beispielsweise als umlaufende Schweißnaht ausgebildet ist.
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Die Aussparungen 62 in dem Wärmetauscher 60 sind vorliegend kreiszylindrisch ausgebildet. Die Terminals 11, 12 der Batteriezellen 2 sind ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet. Die Durchmesser der Terminals 11, 12 sowie der Aussparungen 62 sind derart gewählt, dass die Terminals 11, 12 zusammen mit der Wärmeleitfolie 70 in die Aussparungen 62 eingeführt werden können ohne die Wärmeleitfolie 70 zu beschädigen. Somit sind die Terminals 11, 12 der Batteriezellen 2 annähernd komplementär zu den Aussparungen 62 in dem Wärmetauscher 60 ausgestaltet.
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In der besagten alternativen Ausgestaltung, bei welcher die konkaven Aussparungen 62 als Durchgangsbohrungen ausgeführt sind und bis in den Kühlkanal 64 hinein reichen, dient die Wärmeleitfolie 70 auch zur Abdichtung und verhindert ein Austreten von Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 64 durch die Aussparungen 62.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012018113 A1 [0008]
- DE 102013021639 A1 [0009]
- DE 102011080950 A1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Thermal Interface Material Selection Guide" der Firma Bergquist Company aus dem Januar 2015 [0010]
