DE102017223215A1 - Cooling device for at least one battery cell, cell module and method for producing a cooling plate of the cooling device - Google Patents
Cooling device for at least one battery cell, cell module and method for producing a cooling plate of the cooling device Download PDFInfo
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Abstract
Vorgeschlagen wird u.a. eine Kühlvorrichtung (6) für zumindest eine Batteriezelle (5), insbesondere Pouchzelle, aufweisend eine Kühlplatte (7), welche durch einen Plattenkern (15) und zwei Decklagen (16, 17) gebildet ist, wobei der Plattenkern (15) zumindest eine langgestreckte Ausnehmung (18a-d) aufweist, welche in Kombination mit den besagten Decklagen (16, 17) eine Kanalstruktur für ein dieselbe in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion durchströmendes Kühlfluid mit einem Fluid-Vor- und einem Fluid-Rücklauf (20a-d; 21a-d) ausbildet.Suggested is u.a. a cooling device (6) for at least one battery cell (5), in particular pouch cell, comprising a cooling plate (7) which is formed by a plate core (15) and two cover layers (16, 17), wherein the plate core (15) at least one elongated Recess (18a-d), which in combination with said cover layers (16, 17) a channel structure for a same in their intended function by flowing cooling fluid with a fluid supply and a fluid return (20a-d; 21a-d ) trains.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für zumindest eine Batteriezelle, insbesondere Pouchzelle, gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 9 der Erfindung betrifft diese des Weiteren ein Zellmodul mit zumindest einer derartigen Kühlvorrichtung. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft diese ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte der besagten Kühlvorrichtung.The invention relates to a cooling device for at least one battery cell, in particular pouch cell, according to the feature combination of
Es ist allgemein bekannt, elektrochemische Zellen bzw. Batteriezellen in einem Modulgehäuse zu einem sogenannten Zellmodul zusammenzufassen und die Batteriezellen mittels elektrischer Verbinder untereinander elektrisch zu verbinden, woraus ein negativer und ein positiver Elektrodenanschluss des betreffenden Zellmoduls resultieren. Durch elektrische Verbindung einer Mehrzahl derartiger Zellmodule ist ein HV-Batteriesystem bzw. eine als Traktionsbatterie für Elektro- oder Hybridfahrzeuge verwendbare HV-Batterie (HV = Hochvolt) herstellbar. Im Fahrbetrieb des Fahrzeugs sowie in der Ladephase derartiger Batteriesysteme wird durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das Batteriesystem eingetragen, die zu einer hohen thermischen Belastung der Batterien führen kann. Durch den Betrieb der Batterie bei hohen Zellentemperaturen ist bekanntermaßen eine beschleunigte Alterung der Batteriezellen zu verzeichnen, welches mit einer verkürzten Lebensdauer des Batteriesystems einhergeht. In extremen Fällen kann eine zu hohe Zelltemperatur zum sogenannten Durchbrennen der Batteriezellen und somit zu einem Defekt des Batteriesystems führen. Um diesem nachteiligen Umstand zu begegnen, kann beispielsweise bei einer Überschreitung einer Batteriebetriebsgrenztemperatur eine systemeigene Leistungsreduzierung vorgesehen sein. Darüber hinaus ist es bekannt, bei einem Aufheizen der Batteriezellen des Batteriesystems die Wärme aus den Batteriezellen abzuführen, indem aktive, kühlmittelabhängige Kühlvorrichtungen in Form von mittels Kühlmittel durchströmten Kühlplatten im Batteriesystem respektive in einem die Batteriezellen aufnehmenden Batteriegehäuse verbaut werden. Diese Kühlvorrichtungen sind beispielsweise in einen Kühlkreislauf einer Klimaanlage des Fahrzeugs eingebunden. Als Batteriezellen kommen bevorzugt prismatische Zellen mit einem prismatischen Außengehäuse, sogenannte Pouchzellen sowie Rundzellen zum Einsatz. Unter einer Pouchzelle wird im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle verstanden, welche gestapelte oder aktive Schichten aufweist, die von einer flexiblen Außenfolie eingeschlossen sind. Es fehlt hier an einem Außengehäuse. Bei der besagten Rundzelle handelt es sich demgegenüber um eine elektrochemische Zelle mit einem zylindrischen Außengehäuse, in welchem eine um eine innere Elektrode gewickelte aktive Schicht angeordnet ist.It is generally known to combine electrochemical cells or battery cells in a module housing into a so-called cell module and electrically connect the battery cells to one another by means of electrical connectors, resulting in a negative and a positive electrode connection of the cell module in question. By electrical connection of a plurality of such cell modules HV battery system or usable as a traction battery for electric or hybrid vehicles HV battery (HV = high voltage) can be produced. When driving the vehicle and in the charging phase of such battery systems heat is entered into the battery system by electrical power loss in live components, which can lead to high thermal load on the batteries. As a result of the operation of the battery at high cell temperatures, accelerated aging of the battery cells is known to occur, which is accompanied by a shortened service life of the battery system. In extreme cases, too high a cell temperature can lead to so-called burn-through of the battery cells and thus to a defect in the battery system. In order to counteract this disadvantageous circumstance, a system-specific power reduction can be provided, for example, if the battery operating limit temperature is exceeded. In addition, it is known to dissipate the heat from the battery cells when heating the battery cells of the battery system by active, coolant-dependent cooling devices are installed in the form of coolant-flowed cooling plates in the battery system or in a battery cell receiving battery case. These cooling devices are integrated, for example, in a cooling circuit of an air conditioning system of the vehicle. The battery cells used are preferably prismatic cells with a prismatic outer housing, so-called pouch cells and round cells. A pouch cell is generally understood to mean an electrochemical cell having stacked or active layers enclosed by a flexible outer foil. It lacks here on an outer housing. In contrast, said round cell is an electrochemical cell having a cylindrical outer housing in which an active layer wound around an inner electrode is arranged.
Die
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einer im Hinblick auf den Stand der Technik alternativen Kühlplatte für zumindest eine Batteriezelle, insbesondere Pouchzelle, zu schaffen, welche bei Gewährleistung der erforderlichen Kühlleistung einfach und kostengünstig herstellbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Zellmodul mit zumindest einer derartigen Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte der besagten Kühlvorrichtung anzugeben.On this basis, it is an object of the invention to provide a cooling device with an alternative with respect to the prior art cooling plate for at least one battery cell, in particular pouch cell, which is easy and inexpensive to produce while ensuring the required cooling capacity. Furthermore, it is an object of the invention to provide a cell module with at least one such cooling device available. It is another object of the invention to provide a method for producing a cooling plate of said cooling device.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine besonders hohe Kühlleistung erzielbar ist, wenn einer jeden elektrochemischen bzw. Batteriezelle, insbesondere Pouchzelle, eine Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte zugeordnet wird, welche die Batteriezelle mittel- oder unmittelbar großflächig kontaktiert.The invention is based on the recognition that a particularly high cooling capacity can be achieved if a cooling device with a cooling plate is assigned to each electrochemical or battery cell, in particular pouch cell, which contacts the battery cell directly or indirectly over a large area.
Eine derartige Kühlvorrichtung für zumindest eine Batteriezelle, insbesondere Pouchzelle, aufweisend eine Kühlplatte ergibt sich dadurch, dass besagte Kühlplatte durch einen Plattenkern und zwei Decklagen gebildet ist, wobei der Plattenkern zumindest eine langgestreckte Ausnehmung aufweist, welche in Kombination mit den besagten Decklagen eine Kanalstruktur für ein dieselbe in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion durchströmendes Kühlfluid mit einem Fluid-Vor- und einem Fluid-Rücklauf ausbildet.Such a cooling device for at least one battery cell, in particular pouch cell, comprising a cooling plate results from the fact that said cooling plate by a plate core and two Cover layers is formed, wherein the plate core has at least one elongated recess, which forms in combination with the said cover layers a channel structure for a same flowing through its intended function cooling fluid with a fluid pre-and a fluid return.
Eine derartige Kühlplatte ist einfach und kostengünstig herstellbar und kann außerordentlich materialsparsam, dünn und somit leichtgewichtig ausgebildet werden. Sie muss nicht selbsttragend und demgemäß eigensteif ausgeführt sein, da sie durch ihre Anordnung im Verbund des Zellmoduls, bestehend üblicherweise aus einer Mehrzahl Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, mit zwischengelagerten Kühlplatten der vorbeschriebenen Art, formstabil gehalten ist.Such a cooling plate is simple and inexpensive to produce and can be extremely material-saving, thin and thus lightweight. It does not have to be self-supporting and therefore inherently rigid, since it is kept dimensionally stable by its arrangement in the composite of the cell module, which usually consists of a plurality of battery cells, in particular pouch cells, with interposed cooling plates of the type described above.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims describe preferred developments or refinements of the invention.
Danach ist bevorzugt der Plattenkern mit den Decklagen durch Stoffschluss gefügt. Durch diese einfache und kostengünstige Fügemaßnahme ist der erforderliche fluiddichte Fügeverbund erzielbar. Weiter bevorzugt ist der Plattenkern mit den Decklagen durch kostenminimierendes Kleben gefügt. Hieraus ergeben sich fertigungstechnische Vorteile mit insbesondere minimiertem maschinentechnischen Aufwand im Hinblick auf alternative und demgemäß ebenfalls durch die Erfindung erfasste Fügemaßnahmen, wie Schweißen, insbesondere Laserschweißen, oder Löten. Wie die Erfindung weiter vorsieht, bestehen zumindest die die Batteriezellen mittel- oder unmittelbar kontaktierenden Decklagen aus einem thermisch leitfähigen Werkstoff, wodurch ein besonders wirkungsvoller Temperaturaustausch zwischen der betreffenden Batteriezelle und dem Kühlfluid ermöglicht ist. Bevorzugt jedoch sind sowohl die Decklagen als auch der Plattenkern aus besagtem thermisch leitfähigen Werkstoff gefertigt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der thermisch leitfähige Werkstoff, ein Metall, wie Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ein Stahl, oder ein thermisch leitfähiger Kunststoff. Besagter thermisch leitfähiger Kunststoff ist beispielsweise durch eine thermoplastische Kunststoffmatrix gebildet, in welcher thermisch leitfähige Partikel und/oder Fasern, insbesondere Kurzfasern, aus einer Keramik eingebettet sind. Die vorstehend beschriebene Kühlplatte ist als ein separates Einbauteil konzipiert, d.h., diese wird bevorzugt an getrennten Orten hergestellt und nachfolgend mit den Batteriezellen zum besagten Zellmodul komplettiert.Thereafter, the plate core is preferably joined to the cover layers by material adhesion. By means of this simple and cost-effective joining measure, the required fluid-tight joining composite can be achieved. More preferably, the plate core is joined to the cover layers by cost-minimizing gluing. This results in manufacturing advantages with particular minimized mechanical complexity in terms of alternative and therefore also detected by the invention joining measures, such as welding, in particular laser welding, or soldering. As the invention further provides, at least the middle or directly contacting the battery cells cover layers of a thermally conductive material, whereby a particularly effective temperature exchange between the battery cell and the cooling fluid is made possible. Preferably, however, both the cover layers and the plate core are made of said thermally conductive material. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the thermally conductive material, a metal such as aluminum, an aluminum alloy or a steel, or a thermally conductive plastic. Said thermally conductive plastic is formed, for example, by a thermoplastic polymer matrix in which thermally conductive particles and / or fibers, in particular short fibers, are embedded in a ceramic. The cooling plate described above is designed as a separate built-in part, that is, it is preferably made in separate locations and subsequently completed with the battery cells to said cell module.
Demgegenüber ist durch die Erfindung auch eine Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte erfasst, bei der zumindest eine der Decklagen durch eine Batteriezelle respektive eine Seitenwandung derselben gebildet ist. Hierdurch sind vorteilhaft Einsparungen an Material-, Fertigungs- und Montagekosten zu verzeichnen. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Kühlvorrichtung der gattungsgemäßen Art, bei der beide Decklagen durch je eine Batteriezelle respektive eine Seitenwandung derselben gebildet sind. Insoweit ergibt sich dadurch ein Verbund aus zumindest zwei Batteriezellen und einer dazwischen angeordneten Kühlplatte der Kühlvorrichtung. Ein Stapel aus zwei oder mehr Batteriezellen und einer derart zwischen je zwei Batteriezellen ausgebildeten Kühlplatte ist im Hinblick auf die Anzahl der Batteriezellen und Kühlplatten weitestgehend nicht limitiert.In contrast, a cooling device with a cooling plate is detected by the invention, wherein at least one of the cover layers is formed by a battery cell or a side wall thereof. As a result, savings in material, manufacturing and assembly costs are advantageously recorded. Particularly advantageous is a cooling device of the generic type, in which both cover layers are formed by a respective battery cell or a side wall thereof. In that regard, this results in a composite of at least two battery cells and an interposed cooling plate of the cooling device. A stack of two or more battery cells and such a cooling plate formed between each two battery cells is largely not limited in terms of the number of battery cells and cooling plates.
Wie die Erfindung noch vorsieht, ist dem zumindest einen Fluid-Vor- und Fluid-Rücklauf der Kühlplatte wenigstens ein Anschlusselement zur Versorgung der Kühlplatte mit besagtem Kühlfluid zugeordnet. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Anbindung der Kühlplatte an Fluidleitungen eines zugeordneten Fluidkühlkreislaufes, beispielsweise einer Klimaanlage eines Fahrzeugs ermöglicht. Bevorzugt ist das wenigstens eine Anschlusselement durch Kleben oder Umgspritzen mit insbesondere einem Kunststoff fluiddicht mit der Kühlplatte verbunden, da besagter Kleber oder Kunststoff Fehlstellen und/oder Unebenheiten im Material bzw. Toleranzen und daraus resultierende Undichtigkeiten der Fügepartner komfortabel ausgleicht bzw. abdichtet.As the invention still provides, at least one connection element for supplying the cooling plate with said cooling fluid is associated with the at least one fluid supply and return line of the cooling plate. This allows a simple and cost-effective connection of the cooling plate to fluid lines of an associated fluid cooling circuit, such as an air conditioning system of a vehicle. Preferably, the at least one connecting element is connected in a fluid-tight manner to the cooling plate by gluing or injecting, in particular, a plastic, since said adhesive or plastic conveniently compensates or seals flaws and / or unevennesses in the material or tolerances and resulting leaks in the joining partners.
Die Erfindung betrifft auch ein Zellmodul mit zumindest einer Kühlvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Wie bereits vorstehend angedeutet, besteht ein derartiges Zellmodul bevorzugt aus einer Mehrzahl neben- oder übereinander angeordneter Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, wobei zumindest zwischen jeweils zwei Batteriezellen eine Kühlplatte der besagten Kühlvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad der Kühlung des Zellmoduls respektive der Batteriezellen desselben.The invention also relates to a cell module with at least one cooling device of the type described above. As already indicated above, such a cell module preferably consists of a plurality of juxtaposed or stacked battery cells, in particular pouch cells, wherein at least between each two battery cells a cooling plate of said cooling device is arranged , This results in a particularly high efficiency of the cooling of the cell module respectively the battery cells thereof.
Ein besonders einfach und kostengünstig durchzuführendes Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte der Kühlvorrichtung der vorbeschriebenen Art ergibt sich bevorzugt aus folgenden Schritten:
- a) Bereitstellung einer ersten und einer zweiten Platine aus einem thermisch leitfähigen Werkstoff und Ausbildung zumindest einer Ausformung in wenigstens einer der Platinen,
- b) Bereitstellung einer dritten Platine und Ausbildung zumindest einer langgestreckten Ausnehmung mit einem ersten und einem zweiten offenen Ende derselben,
- c) Fügen der gemäß den Schritten a) und b) bearbeiteten ersten, zweiten und dritten Platine untereinander durch Stoffschluss derart, dass die bearbeitete dritte Platine als Plattenkern zwischen der ersten und zweiten, jeweils als Decklage fungierenden Platine angeordnet ist und sich eine Kanalstruktur in der Kühlplatte für ein dieselbe in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion durchströmendes Kühlfluid mit zumindest einem Fluid-Vor- und Fluid-Rücklauf ausbildet, und
- d) Anbringung wenigstens eines Anschlusselements am gebildeten Fügeverbund nach Schritt c) im Bereich des gebildeten zumindest einen Fluid-Vor- und Fluid-Rücklaufs zur Versorgung der Kühlplatte mit Kühlfluid.
- a) providing a first and a second board of a thermally conductive material and forming at least one formation in at least one of the boards,
- b) providing a third board and forming at least one elongate recess having first and second open ends thereof;
- c) joining the first, second and third circuit boards processed in accordance with steps a) and b) with one another such that the processed third circuit board acts as a disk core between the first and second, respectively as Covering layer acting board is arranged and forms a channel structure in the cooling plate for the same in their intended function by flowing cooling fluid with at least one fluid pre-and fluid return, and
- d) attachment of at least one connecting element on the formed joining composite after step c) in the region of the formed at least one fluid pre-and fluid return for supplying the cooling plate with cooling fluid.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung eines Zellmoduls, welches eine Mehrzahl Modulkassetten mit je einer Batteriezelle, insbesondere Pouchzelle, und je einer Kühlvorrichtung aufweist, -
2 eine Explosionsdarstellung einer einzelnen Modulkassette, -
3 die Modulkassette nach1 und2 in einer perspektivischen Seitenansicht, -
4 eine Explosionsdarstellung der besagten Kühlvorrichtung, -
5 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Anschlusselements der Kühlvorrichtung, und -
6 eine Schnittdarstellung eines verbauten Anschlusselements nach5 (Schnitt I-I nach5 ).
-
1 a perspective view of a cell module, which has a plurality of module cassettes each having a battery cell, in particular pouch cell, and each having a cooling device, -
2 an exploded view of a single module cassette, -
3 the module cassette after1 and2 in a perspective side view, -
4 an exploded view of said cooling device, -
5 an individual perspective view of a connection element of the cooling device, and -
6 a sectional view of a built connection element according to5 (Section II after5 ).
Das besagte Schaumelement
Eine jede Batteriezelle
Gemäß
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht der Plattenkern
Zur komfortablen Handhabung des Plattenkerns
Bevorzugt sind auch die Decklagen
Wie
Wie den
Gemäß den
Was den zweiten Verbindungsabschnitt
Wie den
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt auf eine Kühlplatte
Demgegenüber ist durch die Erfindung auch eine Kühlvorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zellmodulcell module
- 22
- Modulgehäusemodule housing
- 33
- Modul-KassetteModule cassette
- 44
- Rahmenelementframe element
- 55
- Batteriezellebattery cell
- 66
- Kühlvorrichtungcooler
- 77
- Kühlplattecooling plate
- 88th
- Foliefoil
- 99
- Schaumelementfoam element
- 1010
-
elektrischer Anschluss (Batteriezelle
5 )electrical connection (battery cell5 ) - 1111
-
elektrischer Anschluss (Batteriezelle
5 )electrical connection (battery cell5 ) - 1212
- elektrischer Verbinderelectrical connector
- 1313
-
Elektrodenanschluss (Zellmodul
1 )Electrode connection (cell module1 ) - 1414
-
Elektrodenanschluss (Zellmodul
1 )Electrode connection (cell module1 ) - 1515
- Plattenkernboard core
- 1616
- Decklagetopsheet
- 1717
- Decklagetopsheet
- 18a-d18a-d
- Ausnehmungenrecesses
- 19a-e19a-e
- Plattenabschnitteplate sections
- 20a-d20a-d
- Fluid-VorlaufFluid-flow
- 21a-d21a-d
- Fluid-RücklaufFluid return
- 2222
-
Ausformung (Decklage
16 ,17 )Forming (coverlayer 16 .17 ) - 2323
- Klebstoffadhesive
- 2424
- Vorsprunghead Start
- 2525
- Anschlusselementconnecting element
- 25a25a
- erster Verbindungsabschnittfirst connection section
- 25b25b
- zweiter Verbindungsabschnittsecond connection section
- 2626
-
Aufnahmespalt (erster Verbindungsabschnitt
25a )Receiving gap (first connectingsection 25a ) - 2727
-
Öffnung (erster Verbindungsabschnitt
25a )Opening (first connectingsection 25a ) - 2828
- Bohrungdrilling
- 2929
- Positionier- bzw. ZentriermittelPositioning or centering means
- 3030
- Fluid-AnschlusskanalFluid connection channel
- 3131
- DurchgangsbohrungThrough Hole
- 3232
- Hülseshell
- 3333
- Befestigungsschraubefixing screw
- 3434
- Dichtungpoetry
- 3535
- Kontaktstellecontact point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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