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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit mehreren Batteriezellen und insbesondere mit mehreren Pouch-Zellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Batteriezellenanordnungen sind bereits bekannt und werden beispielsweise als Traktionsbatterien in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt. In einer Batteriezellenanordnung sind dabei mehrere Batteriezellen - und insbesondre Pouch-Zellen - zu einem Stapel verspannt und üblicherweise in einem Halterahmen angeordnet. Die einzelnen Pouch-Zellen sind parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschaltet, wozu Stromableiter der einzelnen Pouch-Zellen an elektrisch leitenden Kontaktierungsplatten - Sammelschienen oder sogenannten Bus-Bars - elektrisch leitend festgelegt sind. Dabei sind die Stromableiter der Pouch-Zellen durch schlitzartige Öffnungen in der jeweiligen Kontaktierungsplatte durchgesteckt und auf der dem Stapel abgewandten Seite der jeweiligen Kontaktierungsplatte elektrisch leitend festgelegt.
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Um die Batteriezellenanordnung zu kühlen und dadurch die Lebensdauer der Pouch-Zellen und deren Leistungsfähigkeit zu verlängern, ist an der Kontaktierungsplatte üblicherweise eine Kühlplatte dem Stapel abgewandt angeordnet. Die Kühlplatte ist wärmeleitend und leitet über die an der Kontaktierungsplatte festgelegten Stromableiter die in den Pouch-Zellen erzeugte Wärme ab. Um die Wärme aus den Pouch-Zellen effektiver abzuleiten, kann die Kühlplatte auch von einem Kühlmittel durchströmt sein. Nachteiligerweise erfordert eine derartige Kühlplatte einen zusätzlichen Bauraum in der Batteriezellenanordnung, der öfters nicht zur Verfügung steht. Zudem ist eine gleichmäßige Kühlung der Kontaktierungsplatte und folglich der Batteriezellenanordnung nur schwer erreichbar.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Batteriezellenanordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine gattungsgemäße Batteriezellenanordnung weist mehrere Batteriezellen - insbesondere mehrere Pouch-Zellen - auf und ist für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet. Die mehreren Batteriezellen sind dabei in einer Stapelrichtung aneinander anliegend zu einem Stapel angeordnet, wobei Stromableiter elektrischer Pole der mehreren Batteriezellen sich an zwei gegenüberliegenden Ableiterseiten des Stapels senkrecht zur Stapelrichtung erstrecken. Ferner liegt an den jeweiligen Ableiterseiten des Stapels jeweils wenigstens eine elektrisch leitende Kontaktierungsplatte mit mehreren zueinander parallelen Öffnungen an. Durch die Öffnungen sind die jeweiligen Stromableiter gesteckt und an einer Kontaktierungsfläche der jeweiligen Kontaktierungsplatte elektrisch leitend festgelegt. Ferner liegt wenigstens eine von einem Temperierfluid durchströmbare Temperiervorrichtung an der wenigstens einen Kontaktierungsplatte an. Erfindungsgemäß weist die Temperiervorrichtung mehrere Temperierrohre auf, wobei die jeweiligen Temperierrohre zwischen den jeweils zwei benachbarten Stromableitern und an einer dem Stapel zugewandten Temperierungsfläche der Kontaktierungsplatte angeordnet sind. Durch das Temperierfluid in den Temperierrohren der Temperiervorrichtung kann ein Wärmetausch zwischen der jeweiligen Kontaktierungsplatte und dem Temperierfluid stattfinden. Die an der elektrisch leitenden Kontaktierungsplatte festgelegte Stromableiter und folglich die Batteriezellen tauschen ebenfalls die Wärme mit dem Temperierfluid aus und sind dadurch temperierbar. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kühlplatte ist in der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung die Temperiervorrichtung an der Kontaktierungsplatte zwischen dem Stapel und der Kontaktierungsplatte angeordnet. Vorteilhafterweise kann auf diese Weise ein Zwischenraum zwischen dem Stapel und der Kontaktierungsplatte genutzt werden und die Temperiervorrichtung platzsparend in der Batteriezellenanordnung angeordnet sein. Ferner kann die Kontaktierungsplatte und die einzelnen Stromableiter gleichmäßiger und effizienter temperiert werden.
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Um den Wärmetausch zwischen der Kontaktierungsplatte und der Temperiervorrichtung zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Temperierrohre an der Temperierungsfläche der Kontaktierungsplatte wärmeübertragend anliegen. So können die Temperierrohre der Temperiervorrichtung an der Kontaktierungsplatte stoffschlüssig - beispielsweise durch eine Klebeverbindung - festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich können zwischen den Temperierrohren und der Kontaktierungsplatte zusätzliche wärmeleitende Schichten - beispielsweise wärmeleitende Materialien oder Pasten - angeordnet sein, um den Wärmetausch zwischen der Kontaktierungsplatte und dem Temperierfluid in den Temperierrohren zu intensivieren und isolierende Luftschichten vermeiden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung ist vorgesehen, dass die jeweiligen Temperierrohre als Flachrohre mit wenigstens einem Durchströmungskanal ausgebildet sind. Die Flachrohre liegen großflächig an der jeweiligen Temperierungsfläche wärmeübertragend an, wodurch der Wärmetausch zwischen dem Temperierfluid und der Kontaktierungsplatte intensiviert wird. Entsprechend können auch die Batteriezellen in der Batteriezellenanordnung effektiver temperiert werden. Dabei können in dem jeweiligen Flachrohr ein Durchströmungskanal oder auch mehrere Durchströmungskanäle nebeneinander angeordnet sein.
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Um Kurzschlüsse und Fehlströme in der Batteriezellenanordnung zu vermeiden, können die mehreren Temperierrohre aus einem elektrisch nicht leitenden Material - bevorzugt aus einem Kunststoff - bestehen. Das elektrisch nicht leitende Material kann dabei wärmeleitend sein, um den Wärmetausch zwischen der Temperiervorrichtung und den Batteriezellen zu ermöglichen. Das Temperierfluid kann dann vorteilhafterweise sowohl elektrisch leitend als auch elektrisch nicht leitend sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die mehreren Temperierrohre von der Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert sind. So können beispielsweise zwischen der jeweiligen Kontaktierungsplatte und den Temperierrohren der Temperiervorrichtung elektrisch isolierende und dabei wärmeleitende Schichten angeordnet sein.
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Um das Temperierfluid in die einzelnen Temperierrohre zuleiten und aus den einzelnen Temperierrohren ableiten zu können, kann die Temperiervorrichtung ein Zulaufrohr und ein Rücklaufrohr aufweisen, die durch die mehreren Temperierrohre fluidisch miteinander verbunden sind. Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die jeweiligen Temperierrohre von dem Zulaufrohr zu dem Rücklaufrohr durch das Temperierfluid parallel durchströmbar sind. Auf diese Weise kann die Kontaktierungsplatte und folglich die einzelnen Batteriezellen in der Batteriezellenanordnung gleichmäßig und effizient temperiert werden.
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Vorteilhafterweise können die Batteriezellen durch eine Spannvorrichtung in Stapelrichtung zu dem Stapel verspannt sein. Die Spannvorrichtung kann dabei beispielsweise ein Halterahmen sein, in dem die Batteriezellen - und insbesondere die Pouch-Zellen - verspannt sind und der Stapel geformt wird. Zusätzlich können an dem Halterahmen auch die jeweiligen Kontaktierungsplatten kraft- und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig festgelegt sein, um den Stapel zusätzlich zu versteifen und die Batteriezellenanordnung kompakter aufzubauen.
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Beim Festlegen der Stromableiter an der jeweiligen Kontaktierungsplatte ist vorgesehen, dass ein Kontaktierungsbereich des jeweiligen Stromleiters unter 90° umgebogen und stoffschlüssig auf der Kontaktierungsfläche der Kontaktierungsplatte festgelegt ist. Bevorzugt ist der Kontaktierungsbereich des jeweiligen Stromableiters mit der Kontaktierungsplatte verschweißt. Die Stromableiter sind auf diese Weise aufwandreduziert an der Kontaktierungsplatte elektrisch und wärmeleitend festlegbar. Um die Stromtragfähigkeit der Kontaktierungsplatte zu erhöhen, kann ferner eine Breite der jeweiligen Kontaktierungsbereiche kleiner als ein Abstand der benachbarten Öffnungen auf der Kontaktierungsplatte zueinander sein.
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Insgesamt ist die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung kompakt aufgebaut und die Batteriezellen sind in der Batteriezellenanordnung effizient und gleichmäßig temperierbar.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung;
- 2 eine Schnittansicht eines Stapels aus mehreren Batteriezellen an einer Kontaktierungsplatte mit einer Temperiervorrichtung;
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1 zeigt eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 1. Die Batteriezellenanordnung 1 weist mehrere Batteriezellen 2 - wie in 2 gezeigt - auf und ist insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet. Die mehreren Batteriezellen 2 - hier Pouch-Zellen - sind dabei in einer Stapelrichtung 3 aneinander anliegend zu einem Stapel 4 angeordnet und durch eine Spannvorrichtung 5 - hier ein Halterahmen 5a - verspannt. Die Spannvorrichtung 5 kann ein Verformen des Stapels 4 und auch ein Beschädigen der Batteriezellen 2 vorteilhaft verhindern.
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Die jeweiligen Batteriezellen 2 sind in dem Stapel 4 über Stromableiter 6 der elektrischen Pole miteinander parallel oder seriell verschaltet. Die Stromableiter 6 erstrecken sich dabei an zwei gegenüberliegenden Ableiterseiten 7a und 7b des Stapels 4 senkrecht zur Stapelrichtung 3 und sind an Kontaktierungsplatten 8 festgelegt. Die Kontaktierungsplatten 8 sind elektrisch leitend, so dass die Stromableiter 6 über die jeweilige Kontaktierungsplatte 8 elektrisch miteinander kontaktierbar sind. Zum Festlegen der Stromableiter 6 weisen die Kontaktierungsplatten 8 mehrere schlitzartige Öffnungen 9 auf, die zueinander parallel an den Kontaktierungsplatten 8 angeordnet sind. Durch die Öffnungen 9 sind die Stromableiter 6 der Batteriezellen 2 gesteckt und in einem Kontaktierungsbereich 6a mit einer Kontaktierungsfläche 8a der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 verschweißt. Der Kontaktierungsbereich 6a weist dabei einen 90°-Winkel zu dem Stromableiter 6 auf. Um die Stromtragfähigkeit der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 zu erhöhen, ist eine Breite der jeweiligen Kontaktierungsbereiche 6a kleiner als ein Abstand der benachbarten Öffnungen 9 auf der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 zueinander.
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Zum Temperieren der Batteriezellen 2 weist die Batteriezellenanordnung 1 eine Temperiervorrichtung 10 mit mehreren Temperierrohren 11 auf. Die jeweiligen Temperierrohre 11 sind zwischen den jeweils zwei benachbarten Stromableitern 6 angeordnet und liegen an einer dem Stapel 4 zugewandten Temperierungsfläche 8b der Kontaktierungsplatte 8 an. Durch das Temperierfluid in den Temperierrohren 11 der Temperiervorrichtung 10 findet ein Wärmetausch zwischen der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 und dem Temperierfluid statt. Die an der elektrisch leitenden Kontaktierungsplatte 8 festgelegte Stromableiter 6 und folglich die Batteriezellen 2 tauschen ebenfalls die Wärme mit dem Temperierfluid aus und sind dadurch temperierbar.
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Um den Wärmetausch zwischen der Temperiervorrichtung 10 und der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 zu ermöglichen, sind die Temperierrohre 11 wärmeübertragend an der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 festgelegt. Die Temperierrohre 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Flachrohre ausgebildet und liegen großflächig an der Temperierungsfläche 8b der Kontaktierungsplatte 8 an, wodurch der Wärmetausch zwischen der Temperiervorrichtung 10 und der jeweiligen Kontaktierungsplatte 8 verbessert ist. Entsprechend können dadurch auch die Batteriezellen 2 in der Batteriezellenanordnung 1 effektiver temperiert werden. Die Temperierrohre 11 weisen mehrere Durchströmungskanäle 12 - hier sechs - auf, durch die der Wärmetausch zusätzlich optimiert werden kann. Zweckgemäß sind die Temperierrohre 11 von der elektrisch leitenden Kontaktierungsplatte 8 elektrisch isoliert oder bestehen alternativ aus einem elektrisch nichtleitenden Material, bevorzugt aus einem Kunststoff. Das Temperierfluid kann dabei sowohl elektrisch leitend als auch elektrisch nicht leitend sein.
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Die Temperiervorrichtung 10 weist ferner ein Zulaufrohr 10a und ein Rücklaufrohr 10b auf, die durch die mehreren Temperierrohre 11 fluidleitend miteinander verbunden sind. Das Temperierfluid strömt dabei von dem Zulaufrohr 10a zu dem Rücklaufrohr 10b parallel durch die einzelnen Temperierrohre 11, wodurch die jeweilige Kontaktierungsplatte 8 und folglich die einzelnen Batteriezellen 2 in der Batteriezellenanordnung 1 gleichmäßig und effizient temperiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Temperierrohre 11 an dem Zulaufrohr 10a und an dem Rücklaufrohr 10b integral ausgebildet, so dass die Temperiervorrichtung 10 einstückig ausgebildet ist. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Leckage des Temperierfluids in der Temperiervorrichtung 10 vermieden und auf eine kostspielige und aufwändige Abdichtung der einzelnen Temperierungskanäle 11 vorteilhaft verzichtet werden.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kühlplatte ist in der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 1 die Temperiervorrichtung 10 an der Kontaktierungsplatte 8 zwischen dem Stapel 4 und der Kontaktierungsplatte 8 angeordnet. Vorteilhafterweise ist auf diese Weise die Temperiervorrichtung 10 platzsparend in der Batteriezellenanordnung 1 angeordnet. Ferner kann die Kontaktierungsplatte 8 und die einzelnen Stromableiter 6 gleichmäßiger und effizienter temperiert werden.
