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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit zumindest zwei Batteriezellen, die über ihre Pole mittels zumindest eines Zellverbinders der Batterieanordnung zu einem Zellpaket elektrisch leitend, insbesondere parallel, miteinander verbundenen sind, wobei zur Kühlung der Batterieanordnung der Zellverbinder mit einer Kühleinrichtung in thermische Wirkverbindung bringbar ist, über die die in der Batterieanordnung anfallende Wärme thermisch ableitbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Batterieanordnung.
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Heutige Batteriesysteme, wie sie beispielsweise im Kraftfahrzeug-Bereich eingesetzt werden, bestehen aus elektrisch verschalteten einzelnen Batteriezellen. Dabei wird die erforderliche Batteriekapazität über eine Parallelverschaltung und die erforderliche Batteriespannung über eine Serienschaltung erreicht. In der Regel werden mehrere Batteriezellen mittels z. B. flächiger Zellverbinder zu einem Zellpaket parallel und wiederum mehrere Zellpakete seriell miteinander zu einer Batterieanordnung verschaltet. Für die parallele Verschaltung kommen zweckmäßigerweise zwei Zellverbinder, angeordnet auf den unterschiedlichen Polseiten, zum Einsatz, die über die Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden sind.
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Im Betrieb und insbesondere bei der Schnellladung fällt in den Batteriezellen erhebliche Abwärme an, die aus dem Batteriesystem abzuführen ist. Die Temperierung der Batteriesysteme kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei unterschiedliche Kühlmedien, z. B. Luft, Wasser oder spezielle Kühlmittel Verwendung finden. Ferner ist die thermische Schnittstelle zu dem Batteriegehäuse relevant. Bei der sogenannten Ableiterkühlung, die eine besonders effiziente Art der Kühlung darstellt, erfolgt die Kühlung beispielsweise über eine Kühleinrichtung, die mit zumindest einer Polseite der Batteriezellen in thermischem Kontakt bzw. in thermischer Wirkverbindung steht. Auf diese Weise wird direkt über die Ableiter und die Elektroden das Zellinnere der Batteriezellen gekühlt und somit der direkte elektrisch leitende Pfad, der ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, in die einzelnen Batteriezellen hinein genutzt. Häufig ist in dieses Kühlkonzept der Zellverbinder eingebunden, von dem die Wärme über ein Kühlmittel, wie etwa Luft, Wasser oder ein Wasser-Glykolgemisch, und Kühlelemente abgeführt wird. Zu beachten ist, dass der thermische Leitungspfad an geeigneter Stelle durch elektrische Isolation von dem elektrischen Leitungspfad abgekoppelt wird, sodass unerwünschte elektrische Stromflüsse, die beispielsweise zu einem Kurzschluss führen können, vermieden werden.
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Ein derartiges Kühlkonzept, von dem, wie eingangs genannt, auch die vorliegende Erfindung ausgeht, mit einer Batterieanordnung und ein entsprechendes Verfahren gehen aus der
DE 10 2013 015 422 A1 hervor. Dabei wird über eine Kühlmediumszufuhreinrichtung Kühlmedium in Richtung auf die Batteriezellen und Zellverbinder geleitet, wobei die Kühlmediumszufuhreinrichtung in einem gewissen Abstand kontaktfrei zu den Zellverbindern angeordnet ist. Über Ausleiteinrichtungen wird das Kühlmedium senkrecht auf die Zellverbinder geleitet, überströmt diese, wodurch die Zellverbinder gekühlt werden, und strömt anschließend seitlich und nach unten ab. Der Zellverbinder kann dabei mit Oberflächenvergrößerungselementen wie z. B. Rippen oder Fahnen versehen sein. Die senkrecht versetzte Anordnung der Kühlmediumszufuhreinrichtung sowie die Ableitung des eingesetzten Kühlmediums erfordern allerdings einen gewissen Bauraum, was die mögliche Packdichte der Batterieanordnung verringert.
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Weitere Batterieanordnungen mit unterschiedlichen Kühlkonzepten sind beispielsweise aus der
US 2008/0248379 A1 , der
WO 2010/012343 A1 , der
DE 10 2013 018 395 A1 und der
US 5424143 bekannt. Ein Kühlkörper für eine Hochvoltbatterie ist in der
DE 10 2013 021 670 A1 angegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterieanordnung mit einer effizienten Kühlung bereitzustellen, die eine hohe Packdichte von Batteriezellen erlaubt, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Kühlung der Batterieanordnung.
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Die Aufgabe wird für die Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bei der Batterieanordnung ist vorgesehen, dass der Zellverbinder zumindest einen Hohlraum zur Leitung von Kühlmittel mit zumindest zwei Anschlüssen zur Einbindung in einen Kühlmittelkreislauf der Kühleinrichtung aufweist.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass zur Kühlung des Zellverbinders Kühlmittel der Kühleinrichtung durch zumindest einen Hohlraum des Zellverbinders geleitet wird.
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Bei einer parallelen Verschaltung sind zweckmäßigerweise zumindest zwei Zellverbinder, angeordnet auf unterschiedlichen Polseiten, vorhanden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit dem Hohlraum betrifft zumindest einen der Zellverbinder. Der zumindest eine Hohlraum kann z. B. flächig oder kanalartig ausgebildet sein, wobei auch mehrere flächige und/oder kanalartige Hohlräume vorhanden sein können. Durch die zumindest zwei Anschlüsse, wobei zumindest einer als Zuleitung und einer als Ableitung von Kühlmittel dient, wird der Zellverbinder von in dem Kühlmittelkreislauf geleiteten Kühlmittel durchströmt. Der Zellverbinder ist vorzugsweise flächig ausgebildet, wobei er sich insbesondere entlang einer Ebene erstreckt. Der zumindest eine Hohlraum ist vorzugsweise zwischen zwei Wandungen des Zellverbinders angeordnet, die sich z. B. symmetrisch gegenüber der Ebene, entlang derer sich der Zellverbinder erstreckt, in beide Höhenrichtungen erheben. Alternativ kann sich auch lediglich eine der Wandungen gegenüber der anderen zur Bildung des Hohlraums in die Höhenrichtung erheben. Abhängig von z.B. der Einbausituation kann die eine oder andere Variante vorteilhaft sein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batterieanordnung kommen dem Zellverbinder zusätzlich die Funktionen eines Kühlelements und eines Leitungsabschnitts zu. Auf ein zusätzliches Kühlelement sowie eine zusätzliche Leitungsanordnung im Bereich des Zellverbinders kann damit verzichtet werden. Somit verringern sich sowohl der Teile- als auch der Platzbedarf der gekühlten Batterieanordnung. Die Packdichte kann somit bei gleichzeitig effizienter Kühlung erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Batterieanordnung ist als Kühlmittel ein elektrisch nicht leitendes Fluid verwendet. Auf diese Weise können unerwünschte elektrische Leitungsvorgänge über das Fluid, die z.B. Kurzschlüsse auslösen, vermieden werden. Dies erlaubt eine größere Variabilität in der Verschaltung beispielsweise mehrerer Zellverbinder, die unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen. So lässt sich die Batterieanordnung deutlich variabler ausgestalten, was zur Anpassung an unterschiedliche Anwendungen vorteilhaft ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der zumindest ein Zellverbinder als Verdampferplatte ausgebildet, wobei als Kühlmittel Kältemittel verwendet ist. Bei der Ausbildung als Verdampferplatte muss der Zellverbinder gewissen Stabilitätsanforderungen genügen, insbesondere eine gewisse Druckbeständigkeit aufweisen. Dies erfordert z. B. ein geeignetes Material (beispielsweise Aluminium) und/oder eine ausreichende Mindestwandungsdicke (z.B. 0,4 mm pro Wandung). Eine derartige Verdampferplatte kann z. B. vorteilhaft über ein Rollbondverfahren hergestellt sein, das in einem effizienten Fertigungsverfahren eine präzise Ausbildung der Verdampferplatte ermöglicht. Als Kältemittel wird hier ein spezielles Kühlmittel bezeichnet, welches in dem als Verdampferplatte ausgebildeten Zellverbinder zumindest teilweise verdampft. Vorzugsweise ist in dem Kühlmittelkreislauf ein Expansionsventil angeordnet, das dem/den Zellverbinder/n vorgeschaltet ist. Darüber lässt sich die Verdampfung z.B. über einen nachgeschalteten Druck- und Temperatursensor derart regeln, dass das Kältemittel hinter dem am weitesten stromauf gelegenen Zellverbinder (bei Verschaltung mehrerer Zellverbinder hintereinander) noch nicht vollständig oder gerade verdampft ist (d.h. noch keine Temperaturerhöhung in dem Kältemittel stattgefunden hat). Eine derartige Ausgestaltung der Kühlung ergibt den Vorteil, dass die Temperatur des Kältemittels über die Zellverbinder konstant bleibt, da die eingeleitete Wärmeenergie als Verdampfungsenthalpie aufgenommen wird und nicht in einer Temperaturerhöhung resultiert. Auf diese Weise lässt sich eine gute und gleichmäßige Kühlung realisieren.
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Einer effizienten Fertigung und hohen Zuverlässigkeit der Batterieanordnung ist es zuträglich, wenn in dem zumindest einen Zellverbinder zumindest ein Kontaktbereich vorhanden ist, innerhalb dessen zumindest eine der Batteriezellen elektrisch leitend mit dem Zellverbinder in Kontakt steht, wobei (hier definitionsgemäß) in dem Kontaktbereich kein Hohlraum in dem Zellverbinder ausgebildet ist. Dadurch, dass in dem Kontaktbereich kein Hohlraum vorhanden ist, ist dieser zur Befestigung von Batteriezellen geeignet, wobei die Gefahr von Undichtigkeit durch Beschädigung des Hohlraums minimiert bzw. vermieden wird. Zur Erzeugung einer ausreichenden Kühlwirkung in dem Kontaktbereich ist dieser vorzugsweise von dem Bereich des Hohlraums zumindest teilweise umgrenzt, z.B. mindestens von zwei Seiten. Die Ausbildung des Kontaktbereiches z.B. hinsichtlich seiner Flächenform kann unterschiedlich sein. Bei Vorhandensein eines einzigen Kontaktbereichs ist dieser vorzugsweise derart ausgebildet, dass innerhalb des Kontaktbereichs mehrere Batteriezellen mit dem Zellverbinder in Kontakt stehen. In einer anderen Ausgestaltung sind mehrere Kontaktbereiche zum Kontaktieren je einer Batteriezelle oder mehrerer Batteriezellen vorhanden. Eine bevorzugte Variante ist derart, dass je ein Kontaktbereich mit einer Batteriezelle in Kontakt steht, wobei der Kontaktbereich von dem Hohlraum umgeben ist. Wenn in einem Kontaktbereich mehrere Batteriezellen aufgenommen werden, kann beispielsweise jeweils zu beiden Seiten des z. B. länglich ausgebildeten Kontaktbereichs ein länglicher, z. B. kanalartiger, Hohlraum zur Kühlung geführt sein.
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Wenn der Zellverbinder in dem oder den Kontaktbereich/en Fügebereiche aufweist, in denen die Batteriezellen jeweils an dem Zellverbinder befestigt sind, können diese vorteilhaft für eine optimierte Befestigung ausgestaltet sein. Die Fügebereiche können im Grenzfall flächenmäßig den Kontaktbereichen entsprechen, oder kleiner ausgebildet sein.
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Dabei ist es beispielsweise von Vorteil, wenn die Wandungsdicke des Zellverbinders zumindest in den Fügebereichen geringer ist als Wandungsdicke in dem Bereich des Hohlraums. Die Dicke kann dabei zumindest geringer sein als die Summe der beiden Wandungen des Hohlraums, wobei sie vorzugsweise geringer ist als die Dicke einer der Wandungen. Sie kann z.B. 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm betragen. So können bei der Montage vorteilhaft effiziente Befestigungsverfahren der Batteriezellen an dem Zellverbinder eingesetzt werden, wie beispielsweise Widerstands-, Impuls-, Lichtbogen-, Laser- oder Ultraschallschweißen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist der Kontaktbereich zumindest in den Fügebereichen bereichsweise derart ausgeformt, dass er dort jeweils einen Polbereich einer Batteriezelle im Wesentlichen formschlüssig aufnimmt. Der Polbereich einer Batteriezelle umfasst zumindest einen Pol und ggf. einen Teil der Batteriewandung um den Pol, z.B. bis hin zu dem Außendurchmesser der Batteriezelle oder auch noch einen Teil einer zylindrischen Umfangswandung. Bei dieser Variante weist z.B. der Fügebereich und/oder ein den Fügebereich umfassender Bereich des Kontaktbereichs ein Relief im Wesentlichen komplementär zu dem Polbereich auf. Auch der Übergang in den Bereich des Hohlraums kann in das Relief miteinbezogen sein oder das Relief bilden. Das Relief kann beispielsweise eine Ausnehmung zur Aufnahme des Pols umfassen. Auf diese Weise lässt sich die Montage vereinfachen, da die Batteriezellen gegenüber dem Zellverbinder bereits vor dem Fügeprozess einfach vorpositioniert werden können.
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Eine besonders hohe Packdichte ist erreichbar, wenn die Batteriezellen zylindrisch ausgebildet sind. Bei zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ist das Verfahren der Ableiterkühlung ist sehr effizient anwendbar, da die Wärmeleitung über den elektrischen Leitungspfad wesentlich höher ist als in radialer Richtung einer Batteriezelle.
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Eine hohe Kühlwirkung bei gleichzeitig definierter elektrischer Verbindung lässt sich dadurch erzielen, dass an dem Zellpaket zumindest zwei, je zumindest einen Hohlraum aufweisende, Zellverbinder vorhanden sind, die an unterschiedlichen Polseiten der Batteriezellen angeordnet sind und auf diese Weise über die Batteriezellen elektrisch verbunden sind, wobei die Hohlräume, insbesondere über eine (zumindest teilweise elektrisch isolierte) Kühlmittelleitung, über einen ersten Übergang elektrisch isolierend miteinander in Strömungsverbindung stehen. Über die unterschiedlichen Polseiten der Batteriezellen ergibt sich ein Spannungsabfall, sodass die Zellverbinder auf unterschiedlichen Potenzialebenen liegen. Durch die elektrisch isolierende strömungsmechanische Verbindung lässt sich dieser Potenzialunterschied definiert aufrechterhalten, da durch die elektrisch isolierende Strömungsverbindung die elektrische Verbindung zwischen den Zellverbindern abgesehen von den Batteriezellen unterbrochen ist. Die Verbindung kann z. B. durch eine, zumindest abschnittsweise, isolierende (z.B. Rohr-)Leitung als Kühlmittelleitung ausgebildet sein. Die Anordnung der Zellverbinder zueinander ist abhängig von der Anordnung der Pole. Sind diese beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten (Kopf- und Bodenseite) angeordnet, liegen auch die Zellverbinder einander auf den Stirnseiten gegenüber.
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Eine ausreichend hohe Batteriespannung der Batterieanordnung lässt sich dadurch erreichen, dass zumindest zwei seriell verschaltete Zellpakete und mehrere, je zumindest einen Hohlraum aufweisende, Zellverbinder vorhanden sind, wobei zur Überleitung von Kühlmittel ein zweiter Anschluss des einen Zellverbinders mit einem ersten Anschluss des anderen Zellverbinders in Strömungsverbindung steht. Der zweite Anschluss dient zur Ableitung des Kühlmittels aus dem einen, der erste Anschluss zur Zuleitung des Kühlmittels in den anderen Zellverbinder.
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Vorzugsweise sind jeweils zwei Zellpakete elektrisch seriell hintereinandergeschaltet, indem, gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante, ein Zellverbinder auf der einen Polseite des einen Zellpakets mit einem anderen Zellverbinder, auf der anderen Polseite des anderen Zellpakets, elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Zellverbinder über einen zweiten Übergang, insbesondere über eine Kühlmittelleitung, in Strömungsverbindung stehen. So stellt sich bei den beiden Zellverbindern im Wesentlichen das gleiche elektrische Potential ein. Dadurch wird bei dieser Variante keine elektrische Isolierung des vorhandenen zweite Übergangs, der die Strömungsverbindung, vorzugsweise über den ersten und den zweiten Anschluss z.B. über einen ein zwischengeordneter Leitungsabschnitt darstellt, benötigt. Bei dieser Variante sind einem Zellpaket jeweils zwei separate Zellverbinder zugeordnet. Wenn n Zellpakete in Reihe geschaltet sind, beträgt die Gesamtanzahl an Zellverbindern der Anordnung somit vorzugsweise 2*n.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind jeweils zwei Zellpakete elektrisch seriell hintereinandergeschaltet, indem die beiden Zellpakete mit jeweils unterschiedlichen Polseiten auf einem gemeinsamen Zellverbinder angeordnet sind und über diesen miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Dabei ist ein gemeinsamer Zellverbinder dazu ausgebildet, mit zwei Zellpaketen verbunden zu werden, d.h. er weist eine entsprechende Fläche und Anzahl von Kontakt- bzw. Fügebereichen auf. Der bzw. die Hohlräume des Zellverbinders sind vorzugsweise durchgängig ausgebildet, sodass strömungsmechanisch auf einen gesonderten zweiten Übergang zwischen den beiden Zellpaketen verzichtet werden kann bzw. dieser in den Zellverbinder integriert ist. Der erste und letzte Zellverbinder der Serienschaltung sind vorzugsweise jeweils nur einem Zellpaket sowie z.B. entsprechenden elektrischen Anschlüssen einer Peripherie zugeordnet. Sind n Zellpakete in Reihe geschaltet, ergibt sich so z.B. eine Gesamtanzahl an Zellverbindern, unter Berücksichtigung der an den Enden angeordneten, d.h. ersten und letzten, Zellverbinder, von n+1. Damit kann vorteilhaft eine geringere Anzahl an Zellverbindern verwendet werden als in der ersten Variante, was zum einen eine vorteilhafte Reduktion der Teileanzahl mit sich bringt. Weiterhin kann durch einen Verzicht auf die zweiten Übergänge der Druckverlust des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf reduziert werden, wodurch die Effizienz der Kühleinrichtung, in die die Batterieanordnung im Betrieb eingebunden ist, erhöht werden kann.
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In beiden Varianten dient so gemäß einer Reihenschaltung das Ausgangspotential des einen Zellpakets als Eingangspotential des dahinter geschalteten Zellpakets. Je nach Anforderungen, z.B. räumlicher Art, können beide Varianten miteinander kombiniert werden, z.B. indem immer eine gewisse Anzahl an Zellpaketen über gemeinsame, je zwei Zellpakete verbindende, und andere Zellpakete über separate Zellverbinder miteinander verschaltet werden.
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Vorzugsweise sind die Zellverbinder, entsprechend den gegenüberliegenden Polseiten, auf gegengenüberliegenden Stirnseiten der Zellpakete angeordnet. In einer bevorzugten Variante sind dabei jeweils gleich ausgebildete Zellverbinder verwendet, zumindest innerhalb einer Verschaltungsvariante (über gemeinsame oder separate Zellverbinder). Zellverbinder mit gesonderten Funktionen bzw. Positionen innerhalb der Reihenschaltung, z.B. solche, die die Verschaltung abschließen (am Anfang und Ende der Reihenschaltung), oder einen Übergang zu einer anderen Verschaltungsvariante bilden, können anders ausgebildet sein. Der Verwendung gleich ausgebildete Zellverbinder reduziert vorteilhaft die Teilevielfalt und kann damit die Fertigung erleichtern. Falls jedoch, z.B. für die räumliche Anordnung, zweckmäßig, können auch unterschiedliche, z.B. auf den gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils gleich ausgebildete, Zellverbinder verwendet werden.
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Eine besonders vorteilhafte Strömungsführung ergibt sich, wenn die beiden Anschlüsse der jeweiligen Zellverbinder auf einander gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Zellverbinders angeordnet sind. In einer bevorzugten Variante liegen die Anschlüsse z.B. auf den jeweiligen Längsseiten des Zellverbinders und sind jeweils seitlich versetzt von einer Mittelachse angeordnet, z.B. jeweils mittig der auf beiden Seiten der Mittelachse gelegenen Hälften. Bei Durchströmung mit Kühlmedium bildet sich ein s-förmiger Verlauf in der Strömung von dem ersten zu dem zweiten Anschluss aus, wodurch eine weitgehend gleichmäßige Strömung des Hohlraums um die Kontaktbereiche erreicht wird. Dadurch wird eine gut gleichmäßige Kühlung aller Batteriezellen des Zellpakets ermöglicht.
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In einer anderen Ausgestaltung können die Anschlüsse eines Zellverbinders auf einer Stirnseite der Batterieanordnung auf gegenüberliegenden, insbesondere kurzen, Seiten des Zellverbinders angeordnet sein, während die Anschlüsse des Zellverbinders auf der anderen Stirnseite der Batterieanordnung auf einer gleichen Längsseite des Zellverbinders angeordnet sind. Dies erlaubt eine andere räumliche Anordnung der Übergange bzw. der Zellpakete zueinander, die z.B. je nach Einbausituation ebenfalls zweckmäßig sein kann.
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Wenn bei dem Verfahren zur Kühlung, insbesondere bei Verschaltung mehrerer Zellverbinder, als Kühlmittel ein elektrisch nicht leitendes Fluid verwendet wird, reduziert dies die Kurzschlussgefahr und erlaubt eine definierte Stromleitung über die dafür vorgesehenen elektrischen Leitungspfade.
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Ein effizientes Verfahren zur Kühlung mit einem im Wesentlichen konstanten Temperaturniveau des Kühlmittels lässt sich dadurch erreichen, dass als Kühlmittel Kältemittel verwendet wird, welches in dem zumindest einen Zellverbinder zumindest teilweise verdampft und welches in einem als Kältekreislauf der Kühleinrichtung ausgebildeten Kühlmittelkreislauf geführt wird, in der der zumindest eine Zellverbinder als Verdampfer wirkt und in dem das Kältemittel weiterhin durch einen Verdichter, einen Kondensator und ein Expansionsventil geleitet wird. Die Kühleinrichtung mit den entsprechenden Kältekreislauf-Komponenten (Verdichter, Kondensator und Expansionsventil) kann zumindest teilweise einer bereits in dem Gesamtsystem (z. B. Kraftfahrzeug) vorhandenen Kühleinrichtung zugeordnet oder von dieser gebildet sein, wie beispielsweise einer Klimaanlage. Alternativ kann eine separate Kühleinrichtung zu Kühlung der Batterieanordnung vorhanden sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Zellpaket einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung in perspektivischer Ansicht auf einen Zellverbinder,
- 2A-C je einen Teil eines Zellverbinders mit einer daran angeordneten Batteriezelle in unterschiedlichen Varianten in seitlicher Ansicht,
- 3 schematisch eine Verschaltung mehrerer Zellpakete zu einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung, die über das erfindungsgemäße Verfahren gekühlt wird,
- 4A, B eine Variante mehrerer miteinander verschalteter Zellpakete mit einem über zwei Zellpakete reichenden Zellverbinder in perspektivischer Ansicht von unten (4A) und oben (4B) und
- 5A, B eine weitere Variante mehrerer miteinander verschaltete Zellpakete mit einem über zwei Zellpakete reichenden Zellverbinder in perspektivischer Ansicht von unten (5A) und oben (5B).
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1 zeigt eine Batterieanordnung 1, bei der mehrere einzelne Batteriezellen 11, hier zylindrisch ausgebildet, mittels eines Zellverbinders 20 elektrisch leitend parallel zu einem Zellpaket 10 verbunden sind. Ein in der Regel vorhandener zweiter Zellverbinder auf der gegenüberliegenden Polseite der Batteriezellen 11 ist nicht dargestellt. Der Zellverbinder 20 weist einen Hohlraum 23 auf, der sich gegenüber einer flächigen, in einer Ebene liegenden Grundplatte 28 des Zellverbinders 20 in Höhenrichtung erhebt. Der Hohlraum 23 ist durch eine obere, von den Batteriezellen 11 abgewandte Wandung 22 und eine dieser gegenüberliegende untere Wandung 21 begrenzt. Alternativ könnten auch mehrere getrennte flächige und/oder kanalartige Hohlräume 23 vorhanden sein. Der Hohlraum 23 dient im Betrieb zur Leitung von Kühlmittel, wodurch die Batterieanordnung 1 gekühlt wird. Der Zellverbinder 20 ist vorzugsweise als Verdampferplatte ausgebildet, d.h. er erfüllt entsprechende Anforderungen an die Stabilität, insbesondere Druckfestigkeit. Dazu weisen z.B. die den Hohlraum 23 begrenzenden Wandungen 21, 22 eine gewisse Mindestdicke auf, z.B. 0,3 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,4 mm. Als Kühlmittel ist dann entsprechend Kältemittel verwendet, das in dem Zellverbinder 20 zumindest teilweise verdampft.
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Der Hohlraum 23 des Zellverbinders 20 weist vorliegend zwei Anschlüsse auf, von denen ein erster Anschluss 24 der Zuleitung von Kühlmittel und ein zweiter Anschluss 25 der Ableitung von Kühlmittel dient. Möglich wären auch mehr als zwei Anschlüsse. Über die Anschlüsse 24, 25 lässt sich der Zellverbinder 20 als eine Art Leitungselement in einen Kühlmittelkreislauf einer Kühleinrichtung einbinden, der in einem Gesamtsystem (beispielsweise einem Kraftfahrzeug) vorhandenen ist. Die Kühleinrichtung kann zumindest teilweise bereits in dem Gesamtsystem vorhanden sein und auch andere Komponenten, beispielsweise eine Klimaanlage bedienen, oder separat zur Batteriekühlung vorgesehen sein.
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Innerhalb des Bereiches, in dem der Hohlraum 23 auf der Grundplatte 28 ausgebildet ist, d.h. von dem Hohlraum 23 umgeben, sind Kontaktbereiche 26 angeordnet. In den Kontaktbereichen 26 ist kein Hohlraum 23 ausgebildet. Innerhalb der Kontaktbereiche 26 stehen die Batteriezellen 11 elektrisch leitend in Kontakt mit dem Zellverbinder 20. Vorliegend entspricht die Anzahl der Kontaktbereiche 26 der Anzahl der Batteriezellen 11, d.h. jedem Kontaktbereich 26 ist eine Batteriezelle 11 zugeordnet. Dazu weist der Kontaktbereich 26 jeweils einen, vorliegend kreisförmigen, Fügebereich 27 auf, der hier flächenmäßig kleiner ausgebildet ist als der Kontaktbereich 26 und an dem jeweils die - gleichen - Polseiten der Batteriezellen 11 befestigt sind.
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Der Fügebereich 27 weist vorzugsweise eine geringere Wandungsdicke auf als die obere Wandung 21 und die untere Wandung 22, die den Hohlraum 23 begrenzen, beispielsweise 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. So können die Batteriezellen 11 mittels effizienter Fügeverfahren, wie z.B. Laser- oder Ultraschallschweißen, an dem Zellverbinder 20 befestigt werden. Dadurch, dass in dem Kontaktbereich 26 mit dem Fügebereich 27 kein Hohlraum 23 zur Leitung von Kühlmittel ausgebildet ist, wird bei der Befestigung der Batteriezellen 11 die Gefahr einer Leckage in dem Zellverbinder 20 minimiert. Ferner kann die Wandungsdicke, wie oben ausgeführt, entsprechend geringer sein als in dem Bereich des Hohlraums 23, da nicht derart hohe Stabilitätsanforderungen wie im Bereich des Hohlraums 23 zu erfüllen sind.
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Die Kontaktbereiche 26 weisen vorliegend einen runden Umfang auf und sind jeweils vollständig von dem Hohlraum 23 umfasst. Dadurch lässt sich eine hohe Kühlwirkung auf die einzelnen Batteriezellen 11 erzielen. Anstelle eines flächigen Hohlraums 23 könnte dieser auch kanalartig, d.h. mit einer wesentlich größeren Länge als der Strömungsquerschnitt, ggf. auch mit mehreren Zweigen, ausgebildet sein. Hier könnte sich ein geringeres Volumen ergeben, sodass vorteilhaft eine geringere Kühlmittelmenge nötig wäre.
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Wie die 2A, C zeigen, kann die untere Seite des Zellverbinders 20, die in Richtung der Batteriezellen 11 weist, innerhalb der Kontaktbereiche 26 derart ausgebildet sein, dass sie die Batteriezellen 11 mit ihren Polbereichen 12 (d.h. die Pole umfassende Bereiche) im Wesentlichen formschlüssig aufnehmen. In den in 2A, C gezeigten Ausführungsbeispielen ist dazu jeweils das Relief einer Mulde in den Kontaktbereichen 26 ausgebildet, das im Wesentlichen komplementär der Formgebung des Polbereichs 12 einer Batteriezelle 11 entspricht. Das Relief ergibt sich jeweils durch den Übergang zu dem Hohlraum 23. In 2A ist dazu die untere Wandung 21 des Zellverbinders in Richtung Batteriezelle 10 weisend, d.h. definitionsgemäß nach unten, ausgewölbt, während die obere Wandung 22 flach ausgebildet ist. Somit erstreckt sich der Hohlraum 23 von einer Ebene mit einem Niveau N, auf dem auch die Grundplatte 28 liegt, nur in eine Höhenrichtung, nämlich in Richtung der Batteriezellen 11. In 2C sind hingegen beide Wandungen 21, 22 gegenüber der Grundplatte 28 ausgewölbt, sodass sich der Hohlraum 23 in beide Höhenrichtungen ausgehend von der Grundplatte 28 erstreckt. 2B zeigt eine Variante ohne Relief, bei der die untere Wandung 21 flach und die obere Wandung 22 nach oben gewölbt ausgebildet ist. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Variante mit einem gegenüber dem Kontaktbereich kleineren Polbereich 12 wäre auch möglich, dass das Relief lediglich in einem kleineren, den Fügebereich 27 umfassenden Bereich des Kontaktbereichs 26, z.B. durch eine Prägung, gebildet ist. Durch das Relief lassen sich bei der Fertigung die Batteriezellen 11 relativ zu dem Zellverbinder 20 präzise vorpositionieren, bevor sie befestigt werden, was die Fertigung vereinfacht.
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Im Kühlbetrieb, in dem der Zellverbinder 20 über die Anschlüsse 24, 25 in den Kühlmittelkreislauf der Kühleinrichtung eingebunden ist, fließt das Kühlmittel von dem Anschluss 24 in den Hohlraum 23 ein. Dort umströmt das Kühlmittel die Kontaktbereiche 26 und nimmt dabei Wärmeenergie, die in den Batteriezellen 11 anfällt und die über die Fügebereichen 27 und Kontaktbereiche 26 in den Zellverbinder 20 geleitet wird, auf. Bei Verwendung eines Kältemittels als Kühlmittel verdampft das Kältemittel zumindest teilweise beim Durchfließen des als Verdampferplatte ausgebildeten Zellverbinders 20, da die aufgenommene Wärmeenergie als Verdampfungsenthalpie wirkt. Die Temperatur in dem Kältemittel bleibt so im Wesentlichen konstant.
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In einer Variante können an dem Zellpaket 10 vorteilhaft zwei Zellverbinder 20, jeweils an unterschiedlichen Polseiten 12.1, 12.2 der Batterien, angeordnet sein. Vorzugsweise weisen beide Zellverbinder 20 einen Hohlraum 23 auf und sind im Betrieb von Kühlmittel durchströmt. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Kühlwirkung erzielen. Die Zellverbinder 20 sind dabei strömungsmechanisch in Reihe geschaltet, wobei die Hohlräume 23 der Zellverbinder 20 elektrisch isolierend miteinander verbunden sind, beispielsweise über eine zumindest teilweise elektrisch isolierte Kühlmittelleitung. Die elektrische Verbindung der Zellverbinder 20 erfolgt definiert über die Batteriezellen 11. Insbesondere bei Verschaltung mehrerer Zellverbinder 20 wird vorzugsweise ein elektrisch nicht leitendes Fluid als Kühlmittel bzw. Kältemittel eingesetzt, um unerwünschte elektrische Leitungsvorgänge über das Kühlmittel, insbesondere Kurzschlüsse, auszuschließen.
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Wie 3 schematisch zeigt, können mehrere Zellpakete 10 zu einer Batterieanordnung 1 seriell verschaltet sein. So zeigt 3 beispielhaft vier miteinander in Serie verschaltete Zellpakete 10. An jedem Zellpaket 10 sind jeweils zwei Zellverbinder 20 angeordnet, die je mit den unterschiedlichen Polseiten 12.1, 12.2 der Batteriezellen 11 in elektrisch leitendem und thermischem Kontakt stehen. Die Zellverbinder 20 werden über die Hohlräume 23 von Kühlmittel bzw. Kältemittel durchströmt. Dazu sind sie in eine Leitungsanordnung 30 einer - hier sonst nicht näher dargestellten - Kühleinrichtung eingebunden. Der Stromfluss in der Batterieanordnung 1 ist durch ungefüllte, der Kühlmittelfluss durch gefüllte Pfeile dargestellt.
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Der elektrische Stromfluss erfolgt in den ersten Zellverbinder 20, der auf der Polseite 12.1 angeordnet ist und die Batteriezellen 11 des ersten Zellpakets 10 parallel miteinander elektrisch verschaltet. Über die Batteriezellen 11 ergibt sich eine gewisse Spannungsdifferenz. Auf der gegenüberliegenden Polseite 12.2 der Batteriezellen 11 setzt sich der Stromfluss in dem zweiten Zellverbinder 20 fort. Der zweite Zellverbinder 20 auf der Polseite 12.2 des ersten Zellpakets 10 ist mit einem dritten Zellverbinder 20, angeordnet an einemzweiten Zellpaket 10 auf dessen Polseite 12.1, elektrisch leitend verbunden, um das erste und das zweite Zellpaket 10 seriell miteinander zu verschalten. Alternativ kann anstelle der separaten, hier zweiten und dritten, Zellverbinder 20 auch ein gemeinsamer Zellverbinder 20 verwendet sein, an dem die Polseiten 12.2 des einen, hier ersten Zellpakets 10 und die anderen Polseiten 12.1 des anderen, hier zweiten Zellpakets 10 angeordnet sind und in elektrisch leitender und thermischer Verbindung stehen (vgl. z.B. 4, 5). In entsprechender Weise setzt sich der Stromfluss fort.
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Strömungsmechanisch sind alle Zellverbinder 20 der Zellpakete 10 in Reihe geschaltet. Das Kältemittel fließt in der Leitungsanordnung 30 zunächst über einen Zulauf 31 in den ersten Zellverbinder 20 ein, wo es teilweise verdampft. Das Kältemittel fließt weiter über einen ersten Übergang 32, der z. B. durch eine zumindest teilweise isolierte Rohrleitung, elektrisch isolierend ausgebildet ist. Auf diese Weise sind die beiden Zellverbinder 20 des ersten Zellpakets 10 elektrisch voneinander entkoppelt bzw. stehen ausschließlich über die Batteriezellen 11 definiert in elektrischer Verbindung. Das Kältemittel fließt weiter durch den zweiten Zellverbinder 20, wobei es weiter verdampft, und anschließend über einen zweiten Übergang 33 in den dritten Zellverbinder, der dem zweiten Zellpaket 20 zugeordnet ist. Aufgrund der ohnehin vorhandenen elektrischen Verschaltung des zweiten und des dritten Zellverbinders 20 ist eine elektrische Isolation des zweiten Übergangs 33 nicht erforderlich. In der Variante, in der anstelle des zweiten und des dritten Zellverbinders 20 ein gemeinsamer Zellverbinder 20 verwendet ist, ist vorzugsweise kein gesonderter zweiter Übergang 33 vorhanden bzw. ist dieser in den Zellverbinder 20 integriert. Auf die gleiche Weise fließt das Kältemittel durch die übrigen Zellverbinder 20, wobei es mehr und mehr verdampft. Stromab des letzten Zellverbinders 20 wird das Kältemittel über einen Ablauf 34 in einen anschließenden Bereich der Kühleinrichtung geleitet. Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung derart geregelt, dass das Kältemittel stromab des letzten in Reihe geschalteten Zellverbinders 20 gerade vollständig verdampft ist. Auf diese Weise erreicht das Kältemittel noch nicht den Überhitzungsbereich, in dem die Temperatur ansteigt. Dadurch wird die Temperatur in dem Kältemittelkreislauf zwischen den einzelnen Zellverbindern 20 im Wesentlichen konstant gehalten, was zu einer gleichmäßigen, kontrollierbaren Kühlung der einzelnen Batteriezellen 11 beiträgt.
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In den 4A und 4B sowie den 5A und 5B sind Varianten einer Batterieanordnung 1 mit mehreren in Serie zueinander verschalten Zellpaketen 10, 10' in perspektivischer Ansicht von einer Seite (4A bzw. 5A) und der gegenüberliegenden Seite (4B bzw. 5B) dargestellt. Beispielhaft sind lediglich zwei Zellpakete 10,10' der Serienschaltung gezeigt. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils neun Batteriezellen 11 zu einem Zellpaket 10 miteinander verbunden, wobei die Anzahl selbstverständlich variieren kann. Die beiden Zellpakete 10,10' sind elektrisch in Serie hintereinander geschaltet, wobei jeweils die unterschiedlichen Polseiten 12.1,12.2 der beiden Zellpakete 10, 10' den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten der Zellpakete 10, 10' bzw. der Batterieanordnung 1 zugewandt sind.
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Auf der einen Stirnseite sind die unterschiedlichen Polseiten 12.1,2.2 der beiden hintereinandergeschalteten Zellpakete 10,10' mit einem gemeinsamen Zellverbinder 20 der verbunden. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite sind die beiden Zellpakete 10,10' jeweils anderen Zellverbindern 20 zugeordnet, die jeweils dazu ausgebildet sind, mit einem weiteren, vor bzw. hinter das jeweilige Zellpaket 10 bzw. 10' geschaltete Zellpaket 10 verbunden zu werden.
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Bei den gemeinsamen Zellverbindern 20 ist auf die zweiten Übergänge 33 zwischen den Zellpaketen 10 und 10' verzichtet bzw. sind diese in die Zellverbinder 20 integriert. Dadurch geht der Zellverbinder 20 in unveränderter Ausbildung von dem Bereich verbunden mit dem einen Zellpaket 10in den Bereich verbunden mit dem anderen Zellpaket10' über.
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Die beiden Zellverbinder 20, die jeweils an einem Zellpaket 10,10' auf dessen unterschiedlichen Polseiten 12.1,2.2 angeordnet sind, sind mit ihren Hohlräumen 23 strömungsmechanisch über den ersten Übergang 32, d.h. elektrisch isolierend, hier als Leitungsabschnitt t ausgebildet, miteinander verbunden.
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In der in den 4A und 4B gezeigten Variante sind die auf den einander gegenüberliegenden Stirnseiten angeordneten Zellverbinder 20 jeweils unterschiedlich ausgebildet. Bei den in 4A nach oben weisenden Zellverbindern 20 liegen die beiden Anschlüsse 24, 25 einander an den kurzen Seiten des Zellverbinders 20 gegenüber. Bei den auf der gegenüberliegenden Stirnseite (vgl. 4B) angeordneten Zellverbindern 20 sind hingegen die beiden Anschlüsse 24, 25 auf einer Längsseite jeweils eines Zellverbinders 20 angeordnet. Die auf den gegenüberliegenden Stirnseiten angeordneten Zellverbinder 20 sind in ihrer Längsausrichtung jeweils um 90° zueinander gedreht. Diese Ausbildung und Anordnung der Zellverbinder 20 ist vorteilhaft, wenn jeweils Blöcke von zwei hintereinanderliegenden Zellpaketen 10, 10' nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist jeweils ein erster Anschluss 24 gegenüberliegend eines zweiten Anschlusses 25 angeordnet, wodurch vorteilhaft ein kurzer Weg für den ersten Übergang 32 erreicht wird.
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In der in den 5A und 5B gezeigten Variante sind jeweils gleich ausgebildete Zellverbinder 20 auf den einander gegenüberliegenden Stirnseiten verwendet. Auf diese Weise lassen sich die Teilevielfalt und damit der Fertigungsaufwand reduzieren. Die Längsausrichtungen der Zellverbinder 20 auf den beiden Stirnseiten entsprechen einander. So ist bei der Reihenschaltung jeweils ein Zellpaket 10, 10' neben dem anderen einreihig angeordnet. Die beiden Anschlüsse 24, 25 sind jeweils an den gegenüberliegenden Längsseiten der Zellverbinder 20 angeordnet. Dabei sind sie zueinander versetzt jeweils etwa mittig der jeweiligen Hälften der Längsseiten angeordnet. Auf diese Weise wird eine vorteilhafte Strömungsführung erreicht, bei der das Kältemittel in einer Art S-förmigem Verlauf von dem ersten Anschluss 24 quer zur Längsausrichtung des Zellverbinders in den Hohlraum 23 einströmt, sich in Richtung der Längsausrichtung ausrichtet und schließlich quer zur Längsachse durch den zweiten Anschluss 25 aus dem Hohlraum 23 ausströmt. Auf diese Weise werden die Kontaktbereiche 26 weitgehend gleichmäßig umströmt und gekühlt.
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Sowohl in der Ausführungsvariante 4A und B sowie jener in den 5A und B ist die untere Wandung 21, die jeweils den Batteriezellen 11 zugewandt ist, flach ausgebildet. Auf diese Weise können Batteriezellen 11 mit unterschiedlich geformten Polbereichen 12, insbesondere mit unterschiedlichen Polseiten 12.1, 12.2 gleichermaßen sicher an dem Zellverbinder 20 befestigt werden. Dies reduziert den Fertigungsaufwand, da nicht unterschiedliche Reliefs an einem Zellverbinder 20 ausgebildet werden brauchen.
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Durch die in den 4A, B sowie 5A, B gezeigten Varianten mit der Verbindung mehrerer, insbesondere zweier, Zellpakete 10,10' durch einen gemeinsamen Zellverbinder 20 wird die Stückzahl an Zellverbindern erheblich reduziert und der Fertigungsaufwand gesenkt. Gleichzeitig kann eine hohe Packdichte bei effizienter Kühlung erreicht werden. Zudem wird der Gesamtdruckverlust in der Leitungsanordnung 30 reduziert, da die zweiten Übergänge 33 entfallen können, was der Gesamteffizienz der Kühleinrichtung zuträglich ist.
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Durch die erfindungsgemäße Batterieanordnung 1, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gekühlt wird, lässt sich eine hohe Packdichte der Batterieanordnung 1 realisieren, wobei gleichzeitig eine effiziente Kühlung gewährleistet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015422 A1 [0004]
- US 2008/0248379 A1 [0005]
- WO 2010/012343 A1 [0005]
- DE 102013018395 A1 [0005]
- US 5424143 [0005]
- DE 102013021670 A1 [0005]
