DE102017122661B3 - Verfahren zur Herstellung eines Batteriemodules - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung (30) eines Batteriemodules (10) bereit. Ein Blech (23) wird hierzu mittels einer Biegestanze (24) zerteilt; das zerteilte Blech (23) wird durch Keilbiegen (25) zu einem Wärmeleitelement (15) umgeformt; Batteriezellen (12) werden bis zu einer Auflagefläche (14) in ein Gehäuse (11) eingeschoben; das Wärmeleitelement (15) wird zwischen die Batteriezellen (12) eingefügt; und eine Leistungselektronikplatine (13) wird gegenüber der Auflagefläche (14) flächig auf das Wärmeleitelement (15) gelegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemodules.
  • Stand der Technik
  • Mehrpunktumrichter (multilevel Converters) werden in der Leistungselektronik eingesetzt, um eine mehrstufige, „treppenförmige“ Spannung zu erzeugen, welche ohne aufwändige LC-Filter auch bei niedriger Pulsfrequenz der verwendeten Leistungshalbleiter lediglich geringe Oberschwingungsanteile aufweist. Topologie und Steuerung modularer Mehrpunktumrichter, die wahlweise eine Reihen- und Parallelschaltung ihrer Module erlauben, werden etwa erörtert in GOETZ, Stefan M.; PETERCHEV, Angel V.; WEYH, Thomas. Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: Topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30. Jg., Nr. 1, S. 203-215.
  • Gattungsmäßige Mehrpunktumrichter erlauben es beispielsweise, die herkömmlicherweise fest verdrahteten Batteriepacks baulich so in gleichartige Batteriemodule aufzuteilen, dass die elektrische Verschaltung der Einzelteile dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Vor allem bei großen Batterien wie in elektrischen Fahrzeugen oder Netzspeichern ist ein Trend zu derartiger Modulbildung festzustellen. Etwaige Elektronik wird in diesen Modulen zumeist an einer oberen oder seitlichen Fläche montiert.
  • Batterien mit solchermaßen integriertem Mehrpunktumrichter oder ähnlich komplexer Leistungselektronik weisen somit zwei Wärmequellen auf: Einerseits erwärmen sich die Batteriezellen aufgrund ihres nicht vernachlässigbaren Innenwiderstandes sowohl bei der Ladung als auch der Entladung; andererseits leitet die Leistungselektronik ihrerseits große Ströme durch Elektronikkomponenten, die zusätzliche Durchlass- und Schaltverluste erzeugen. Diese zusätzliche Wärmequelle in der Elektronik ist in konventionellen Batteriekonzepten nicht vorgesehen.
  • Das Batteriekühlsystem bestimmt somit in starkem Maß die Leistung eines elektrischen Fahrzeuges. Bei Elektroautos nach dem Stand der Technik wird daher mitunter eine aufwändige Flüssigkühlung eingesetzt, die die Batterien kühlt. DE 102013020961 A1 beschreibt ein solches Batteriesystem, das ein leistungselektronisches Bauelement oder eine leistungselektronische Baugruppe zum Zu- und Abschalten eines elektrischen Verbrauchers umfasst, mit einem Kühlmittelkreislauf zwischen Elektronik und Batterie. Auch CN 106130408 A offenbart eine zum Kühlen an die Batterie gekoppelte Fahrzeug-Leistungselektronik. Ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf für Fahrzeugbatterie und Leistungselektronik wird ferner in DE 102011012723 A1 , DE 102014009772 A1 , US 20120104843 A1 , US 20120152186 A1 , US 20160226421 A1 und US 20160318370 A1 erörtert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemodules mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bereit.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, die Leistungselektronik thermisch an die Batteriezellen zu koppeln, für die wiederum leistungsfähige Kühlungskonzepte bekannt sind. Die im Folgenden beschriebene technische Umsetzung verursacht somit lediglich einen geringen Mehraufwand hinsichtlich Kosten, Bauraum und Gewicht.
  • Die vorgeschlagene Lösung nutzt hierzu die thermischen Eigenheiten der beiden Wärmequellen in vorteilhafter Weise. Die durch die Leistungselektronik zusätzlich erzeugte Wärmeenergie kann so von den Zellen und deren Kühlsystem sehr einfach kompensiert werden und bedarf keiner oder nur geringer Verstärkung des Kühlsystems.
  • Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die unterschiedlichen thermischen Betriebsfenster von Elektronik und Batteriezellen ein hohes Temperaturgefälle schaffen, das - geeignete konstruktive Maßnahmen vorausgesetzt - einen ausreichend starken Wärmestrom von der Elektronik in die Zellen gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die relativ konzentriert anfallende Wärme der Elektronik daher auf eine größere Fläche verteilt und großflächig an die Batteriezellen abgegeben.
  • So kann bei seitlicher Platinen-Anordnung (und vorzugsweise Kühlung mindestens von unten) das zur beschriebenen Kopplung dienende Wärmeleitelement entsprechend ausgestaltet werden. Diese Ausführungsform trägt unter Umständen dazu bei, die Anzahl der Ausstanzungen zu verringern, die für Anschlusspunkte der Batteriezellen notwendig sind.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung bei jeglicher Batterie mit mehreren Zellen und einer Elektronik eingesetzt werden kann, bei der neben den Batteriezellen auch die Elektronik Wärme abgibt und optimalerweise die Elektronik eine höhere obere Grenztemperatur aufweist.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
    • 1 zeigt die perspektivische Ansicht eines ersten Batteriemoduls.
    • 2 zeigt den Längsschnitt des Batteriemoduls gemäß 1.
    • 3 zeigt den entsprechenden Längsschnitt eines zweiten Batteriemoduls.
    • 4 zeigt die perspektivische Ansicht eines wärmeleitfähigen Blechs.
    • 5 zeigt die perspektivische Ansicht eines ersten Wärmeleitelements.
    • 6 zeigt die perspektivische Ansicht eines zweiten Wärmeleitelements.
    • 7 zeigt eine Explosionsdarstellung des Batteriemoduls gemäß 1.
    • 8 zeigt die perspektivische Ansicht eines dritten Wärmeleitelements.
    • 9 zeigt die Explosionsdarstellung eines dritten Batteriemoduls.
    • 10 zeigt die perspektivische Ansicht einer Leistungselektronikplatine.
    • 11 zeigt die perspektivische Ansicht einer Biegestanze.
    • 12 zeigt die perspektivische Ansicht eines Keilbiegewerkzeugs.
    • 13 zeigt schematisch die Herstellung eines vierten Batteriemoduls.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1 und 2 illustrieren den grundlegenden Aufbau eines Batteriemodules (10) für eine - in ihrer Gesamtheit zeichnerisch nicht dargestellte - Traktionsbatterie. In zunächst herkömmlicher Weise umfasst das Batteriemodul (10) eine Vielzahl innerhalb seines Gehäuses (11) angeordneter Batteriezellen (12), die auf einer gemeinsamen unterseitigen Auflagefläche (14) für die Kühlplatte der Traktionsbatterie aufstehen. Zwischen Batteriezellen (12) und Deckel (19) des Gehäuses (11) verläuft eine Leistungselektronikplatine (13), die von den Batteriezellen (12) lediglich durch ein im Profil kammförmiges Wärmeleitelement (15) getrennt wird, wobei sich die Auflagefläche (14) gegenüber vom Deckel (19) erstreckt.
  • Die Ausläufer dieses Wärmeleitelementes (15) erstrecken sich in der Ausgestaltung gemäß 2 entlang der gesamten Seitenfläche der Batteriezellen (12) in Richtung der als Gehäuseboden dienenden Auflagefläche (14). Wie 3 verdeutlicht, mögen die Ausläufer in einer alternativen Ausführungsform gleichwohl nur einen Teil dieser Fläche abdecken, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die 4 und 5 verkörpern eine Darstellung der Lösung als besondere Ausführungsform eines Blechbiegeteiles. Das - vorzugsweise aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer gewalzte - Blech (23) wird dabei durch einen im Weiteren noch zu beschreibenden Biege-Stanzprozess so geformt, dass eine Oberfläche (16) entsteht, an der die Leistungselektronikplatine (13) thermisch gekoppelt werden kann, und Fortsätze (17) gebildet werden, die zwischen die Batteriezellen (12) reichen und die Wärme über eine große Fläche in die Batteriezellen (12) und gleichzeitig über die Fortsätze (17) in Richtung der Auflagefläche (14) transportieren, die sich zumeist an der Unterseite des Batteriemodules (10) erstreckt.
  • Einer Zusammenschau der 6 und 7 ist hierbei der Zweck der in 5 bereits angedeuteten Aussparungen (18) in der Oberfläche (16) zu entnehmen: In der abgebildeten Variante dienen die Aussparungen (18) zum Durchführen jeweils zweier Anschlüsse (20) - in Betracht kommen unter anderem Schraub- oder Schweißanschlüsse - der einzelnen Batteriezellen (12). Bei einer alternativen, in 8 und 9 skizzierten seitlichen Anordnung der Leistungselektronikplatine (13) indes mögen diese Aussparungen (18) entfallen, sofern auch hier eine unterseitige Kühlung des Batteriemodules (10) vorgesehen ist.
  • Zur elektrischen Isolation des Wärmeleitelementes (15) dient beispielsweise eine sehr dünne Beschichtung aus vorzugsweise thermisch gut leitendem Material, die in Anbetracht zumindest der lokal auftretenden Spannungen elektrisch isolieren sollte. Als Beschichtungswerkstoff in Betracht kommen unterschiedlichste Polymere wie Poly-Ether-Ether-Keton, Polyurethan, Polyamid, Polyimid, Teflon, Epoxid mit einer typischen Durchschlagsfestigkeit zwischen 10 kV mm  und 100 kV mm .
    Figure DE102017122661B3_0001
    Vorzugsweise ist ferner eine Füllung mit Aluminiumoxid (Al2O3), Zinkoxid (ZnO), Zirkonoxid (ZrO), Titandioxid (TiO2) oder anderweitigem Material von hoher thermischer Leitfähigkeit über 10 W mK
    Figure DE102017122661B3_0002
    vorgesehen, sodass der resultierende Verbundstoff eine thermische Leitfähigkeit über 2 W mK
    Figure DE102017122661B3_0003
    erreicht. Zu denken ist auch an eine anorganische, beispielsweise keramische Beschichtung, die - ggf. mit Kunststoff getränkt - zur Vermeidung von Schäden vorzugsweise nach dem Biege-Stanzprozess auf das Blech (23) aufzutragen ist.
  • Wie 10 am Beispiel einer Leistungselektronikplatine (13) und deren Anschluss beleuchtet, kann die Kühlung einer solchen Elektronik auf mehrere Arten erfolgen, von denen im Folgenden einige beschrieben werden. So können Leistungshalbleiter (21) wie Transistoren an ihrer Oberfläche mit dem Wärmeleitelement (15) in Kontakt gebracht werden. Diverse Elektronikbauteile wie moderne Kleinspannungsleistungstransistoren sind zudem derart gestaltet, dass deren Wärme über die elektrischen Kontakte in das Kupfermaterial gezogen werden kann. In diesem Fall kann die Wärme aus dem Kupfer der Leistungselektronikplatine (13) über das besagte Wärmeleitelement (15) in die Batteriezellen (12) transportiert werden. Die zu diesem Zweck beschichtete Kupferfläche (22) kann durch ihre Kupferauflage dabei durchaus die gleiche Höhe wie die Leistungshalbleiter (21) aufweisen oder sogar über diese hinausragen.
  • Die Herstellung (30) des Wärmeleitelementes (15) aus einem oder mehreren Blechbiegeteilen je Batteriemodul (10) kann sehr kostengünstig mittels einer Biegestanze (24) der in 11 gezeigten Bauart erfolgen. Die Anformung der Fortsätze (17) erfolgt sodann - wie in 12 wiedergegeben -durch sogenanntes Keilbiegen (25). Etwaige Fortsätze (17) an den Außenkanten des Wärmeleitelementes (15) können per Kantenbiegung (edge bending) angeformt werden.
  • Die Außenkanten und alle nötigen Aussparungen (18), um beispielsweise Schraub- oder Anschlüsse (20) der Batteriezellen (12) durch das Wärmeleitelement (15) zur Leistungselektronikplatine (13) zu führen oder Elemente auf der Leistungselektronikplatine (13) mit größerer Bauhöhe aus dem Wärmeleitelement (15) auszusparen, lassen sich vorzugsweise stanzen. Indem Biegen auf diese Weise mit Stanzen kombiniert wird, sind die in 13 bereits erkennbaren Aussparungen (18) und Außenkanten des Bleches (23) vor dessen Durchlaufen der Presse noch nicht vorhanden.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Herstellung (30) eines Batteriemodules (10) mit den folgenden Merkmalen:   - ein Blech (23) wird mittels einer Biegestanze (24) zerteilt, - das zerteilte Blech (23) wird durch Keilbiegen (25) zu einem Wärmeleitelement (15) umgeformt, - Batteriezellen (12) werden bis zu einer Auflagefläche (14) in ein Gehäuse (11) eingeschoben, - das Wärmeleitelement (15) wird zwischen die Batteriezellen (12) eingefügt und - eine Leistungselektronikplatine (13) wird gegenüber der Auflagefläche (14) flächig auf das Wärmeleitelement (15) gelegt.
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