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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrochemischen Batterien, insbesondere dem Gebiet des Thermomanagements derartiger Batterien. Die Erfindung betrifft einen Zellenstapel eines Batteriemoduls, aufweisend eine Anzahl von entlang einer Stapelrichtung angeordneten Batteriezellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul mit einem derartigen Zellenstapel, sowie eine Fahrzeugbatterie mit einem solchen Batteriemodul.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
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Die Batteriezellen sind hierbei häufig als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt, welche innerhalb eines jeweiligen Batterie- oder Zellengehäuses entlang einer Stapel- oder Reihenrichtung zu einem Zellenstapel oder Zellenpaket beziehungsweise Zellenwickel aneinander gereiht beziehungsweise gestapelt werden. Die Schichtzellen weisen in der Regel einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht auf. In der Regel ist hierbei ein Flüssigelektrolyt, also ein Elektrolyt in einem flüssigen oder gelartigen (gelierten) Aggregatzustand, für die elektrische Leitung zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht vorgesehen, welche die, insbesondere poröse, Separatorschicht durchsetzt.
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Zur Verbesserung der Elektromobilität sind bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen häufig sogenannte Schnelllade- oder Ultraschnellladebetriebe gewünscht, bei welchem die Fahrzeugbatterie, innerhalb einer möglichst kurzen Zeitdauer elektrisch aufgeladen wird. Derartige Schnellladungen benötigen vergleichsweise hohe Stromstärken, welche in der Folge eine Erhöhung der Batteriezellen-Temperatur bewirken. In der Folge treten hohe Erwärmungen der Batteriezellen auf, wobei die erzeugte Wärmeenergie möglichst schnell und effektiv aus dem Zellkern der Batteriezelle oder dem Zellenstapel abgeführt werden muss, um Degenerationen der Batteriezellen zu vermeiden.
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Batteriezellen auf Lithium-Ionen-Basis weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von etwa 95% auf, wobei die auftretenden Verluste in Wärmeenergie gewandelt werden. Hierbei tritt das Problem auf, dass solche Lithium-Ionen-Batteriezellen (abhängig vom Flüssigelektrolyten) bei Batterietemperaturen höher als 45 °C oder 60 °C (Grad Celsius) beginnen zu degenerieren. Dies bedeutet, dass bei derartigen Temperaturen elektrochemische Reaktionen innerhalb der Batteriezelle auftreten, welche das Schichtsystem dauerhaft beschädigen oder vollständig zerstören können. Andererseits nimmt die Leistung der Lithium-Ionen-Batteriezellen unterhalb von -5 °C ab. Für einen effizienten und zuverlässigen Einsatz des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug ist es daher notwendig, dass die Batteriezellen im Betrieb auf eine bestimmte Betriebstemperatur, beispielsweise 25 °C, temperiert werden.
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Zur Verbesserung der Reichweite und der Lebensdauer sowie der abrufbaren Leistung des elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs ist es notwendig, dass die Fahrzeugbatterie eine gewisse Betriebstemperatur aufweist. Hierbei ist es erforderlich, dass die einzelnen Batteriemodule oder Batteriezellen eine möglichst gleiche Temperatur im Verbund des Batteriesystems aufweisen. Zu diesem Zwecke ist es möglich, die oder jede Batterie wärmeleittechnisch mit einer Kühlleitung oder einem Kühlkanal eines Kraftfahrzeug-Kühlkreislaufes zu koppeln. Hierzu wird beispielsweise eine zu kühlende Fläche eines Batterie- oder Zellengehäuses in einen Wärmeleitkontakt mit einer Anlage- oder Deckelfläche des zugeordneten Kühlkanals gebracht, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen der Batterie und einem den Kühlkanal durchströmenden Kühlmedium stattfinden kann.
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In gewöhnlichen Batteriemodulen überlappen die Separatorschichten der Batteriezellen deren Elektroden in dem Zellenstapel. Mit anderen Worten ummantelt der elektrisch nichtleitende Separator im Wesentlichen den Zellenstapel. Der Separator bildet also im Wesentlichen eine äußere Schicht des Zellenstapels, welche die Wärmeabfuhr an das Zellengehäuse beziehungsweise die Kühlvorrichtung nachteilig beeinflusst. Dadurch ist es beispielsweise notwendig, die Kühlvorrichtung größer zu dimensionieren, um den durch den Separator bewirkten erhöhten Wärmeübergangswiderstand auszugleichen.
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Es sind beispielsweise Kühlvorrichtungen denkbar, bei welchen die Batteriezellen in einem Kühlmedium versenkt sind, bei welchem also die Batteriezellen komplett in das Kühlmedium oder die Kühlflüssigkeit gestellt sind. Derartigen Kühlkonzepte erfordern jedoch eine hohe Dichtigkeit der Batteriezellen beziehungsweise der Batteriezellengehäuse, um Leckagen und elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Vielzahl an Batteriezellengehäusen und Abdichtungen erhöhen somit den Aufwand und die Kosten derartiger Batteriemodule oder Fahrzeugbatterien.
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Die
WO 2012/038163 A1 offenbart eine Batterie mit einem Zellengehäuse und einem darin angeordneten Zellenstapel oder Zellenwickel. Das Zellengehäuse ist hierbei wärmeleittechnisch mit einer Kühlplatte gekoppelt. In die Innenwand des Zellengehäuses ist eine Kapillarstruktur eingebracht, so dass durch den Kapillar-Effekt eine verbesserte Kühlung des Zellengehäuses durch einen im Gehäuse aufgenommenen Flüssigelektrolyten realisiert ist. Dadurch ist die Wärmeabfuhr aus dem Zellkern des Zellenstapels beziehungsweise der Batteriezellen durch die Wärmeleitfähigkeit des Flüssigelektrolyten begrenzt.
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In der
DE 10 2008 038 936 A1 ist ein Zellenstapel mit mehreren aneinander gereihten galvanisches Element beschrieben. Die galvanischen Elemente weisen hierbei jeweils eine Batteriezelle auf, welche mit einer Folie als Batteriezellengehäuse ummantelt ist. Die Folie ist hierbei aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die Folie weist hierbei einen überstehenden Anschlussbereich auf, mit welchem die Folie beziehungsweise die Batteriezelle an eine Kühlvorrichtung koppelbar ist. Der Zellenstapel weist hierbei also eine Anzahl von einzeln verpackten Batteriezellen auf, wodurch eine vergleichsweise aufwendige und kostenintensive Herstellung des Zellenstapels gegeben ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Zellenstapel für ein Batteriemodul anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst effektive und betriebssichere Temperierung oder Kühlung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriemodul sowie eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie anzugeben.
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Hinsichtlich des Zellenstapels wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Batteriemoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und hinsichtlich der Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Zellenstapel angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Batteriemodul und/oder die Fahrzeugbatterie übertragbar und umgekehrt.
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Der erfindungsgemäße Zellenstapel ist für ein Batteriemodul geeignet und eingerichtet. Der Zellenstapel weist hierbei eine Anzahl von elektrochemischen Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind als einzelne (Stapel-)Lagen entlang einer Stapelrichtung gestapelt oder stirnseitig aneinandergereiht angeordnet. Die Batteriezellen sind hierbei jeweils von einem Kathoden-Stromableiter und von einem Anoden-Stromableiter als elektrische Anschlüsse flankiert. Die Stromableiter sind beispielsweise als folienartige Stromableiter ausgeführt, welche dem Außenumfang des Zellenstapels überstehen.
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Geeigneterweise sind die Stromableiter im Stapelverbund doppelseitig ausgeführt. Mit anderen Worten weisen zwei unmittelbar benachbarte Batteriezellen einen gemeinsamen Kathoden-Stromableiter oder Anoden-Stromableiter auf. Dies bedeutet, dass die Batteriezellen nicht gleichartig im Zellenstapel angeordnet sind, sondern insbesondere abwechselnd oder alternierend um 180° rotiert oder invertiert angeordnet sind, so dass die Anodenseiten und Kathodenseiten benachbarter Batteriezellen einander zugewandt sind.
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Die Kathoden-Stromableiter und die Anoden-Stromableiter sind zu einer Kathode beziehungsweise zu einer Anode des Zellenstapels geführt und verschaltet. Beispielsweise sind die Stromableiter hierbei stoffschlüssig miteinander verbunden und kontaktiert, beispielsweise mittels Verschweißen. Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.
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Die Anode und die Kathode sind beispielsweise als Ableiterfähnchen (Ableitertabs) ausgeführt, und können hierbei an einer gemeinsamen Seite des Zellenstapels, oder an verschiedenen, insbesondere gegenüberliegenden, Seiten des Zellenstapels angeordnet sein. Die Kathoden-Stromableiter und die Kathode sind beispielsweise aus einem Aluminiummaterial, und die Anoden-Stromableiter und die Anode sind beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellt.
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Erfindungsgemäß ist es hierbei vorgesehen, dass die Stromableiter, also die Kathoden-Stromableiter und die Anoden-Stromableiter der Batteriezellen, mittels eines wärmeleitfähigen Materials entlang der Stapelrichtung wärmeleittechnisch gekoppelt sind.
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Das wärmeleitfähige Material ist hierbei so ausgelegt, dass wenn sich die Batteriezellen im Betrieb erwärmen, die Wärmeentwicklung der Batteriezelle über die Stromableiter an das Material hin abgeleitet wird, und dadurch die Batteriezellen temperiert beziehungsweise entwärmt oder gekühlt werden. Durch die wärmeleittechnische Kopplung der Stromableiter untereinander mittels des wärmeleitfähigen Materials wird die Wärmeabfuhr, also das Ableiten einer in den Batteriezellen entstehenden Wärmeenergie, verbessert, so dass die Batteriezellen im Betrieb zuverlässig entwärmbar oder kühlbar sind. Dadurch ist ein besonders geeigneter Zellenstapel realisiert.
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Die entstehende Wärme wird von den jeweiligen Stromableitern aus dem Zellenkern im Wesentlichen zweidimensional abgeführt, wobei das wärmeleitfähige Material den Wärmeleitungsquerschnitt erhöht, und dadurch die Wärmeabfuhr verbessert. Insbesondere ist hierbei eine verbesserte Wärmeanbindung an ein Zellengehäuse ermöglicht.
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Unter einem wärmeleitfähigen oder wärmeleitenden Material wird hierbei insbesondere ein Material verstanden, welches eine hohe Wärmeleitung, insbesondere mittels Wärmediffusion oder Konduktion, aufweist. Mit anderen Worten weist das wärmeleitfähige Material eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
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Das wärmeleitfähige Material ist beispielsweise Silikon oder ein Polyolefin, zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, gefüllt mit 10 % bis 75 % Thermofüller, insbesondere einem keramischen Thermofüller, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Bornitrid, oder einem anderen Thermofüller, wie beispielsweise Graphit oder Metallpulver. Ebenso möglich ist beispielsweise ein wärmeleitfähiges Material, welches als ein thermoplastisches Elastomer (TPE) mit 75 Gew% Bornitrid als Thermofüller ausgeführt ist, und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 15 Watt pro Meter Kelvin (W/(m K)) aufweist. Bei einem isoelektrischen oder keramischen Thermofüller weist das wärmeleitfähige Material beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,5 W/(m K) und 20 W/(m K) auf. Im Falle eines Metallpulvers als Thermofüller sind höhere Wärmeleitfähigkeiten von beispielsweise 20 W/(m K) bis 400 W/(m K) realisierbar.
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Die Erfindung ist insbesondere zur Kühlung, also zur Entwärmung oder Abfuhr von Wärmeenergie, der Batteriezelle vorgesehen, so dass im Betrieb, insbesondere im Ladebetrieb, Degenerationen der Materialien der Batteriezelle vermieden werden. Nachfolgend ist die Erfindung daher - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - insbesondere im Hinblick auf die Kühlung der Batteriezelle beschrieben. Die Erfindung ist jedoch ebenso zur Erwärmung, also zur Zufuhr von Wärmeenergie, der Batteriezelle geeignet. Dadurch ist es möglich, die Batteriezelle im Betrieb zuverlässig und einfach auf eine gewünschte Betriebstemperatur, beispielsweise 25°C, zu temperieren.
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In einer denkbaren Ausführung sind die Batteriezellen beispielsweise in Form von (Dünn-)Schichtzellen mit jeweils zwei Elektrodenschichten, einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, sowie mit einer jeweils dazwischen angeordneten Separatorschicht ausgeführt. Die Batteriezellen sind hierbei als Flüssigzellen, also mit einem Flüssigelektrolyten, ausgeführt. Mit anderen Worten sind die Batteriezellen im Montage- oder Einbauzustand des Zellenstapels von einem Flüssigelektrolyten umgeben. Vorzugsweise umgibt der Flüssigelektrolyt alle Batteriezellen des Zellenstapels gemeinsam, die einzelnen Batteriezellen sind also nicht voneinander getrennt oder versiegelt. Dadurch ist ein geeigneter Zellenstapel realisiert.
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In einer geeigneten Ausbildung sind die Separatorschichten der Batteriezellen im gestapelten zustand nicht miteinander verbunden. Mit anderen Worten sind die Separatorschichten der einzelnen Batteriezellen räumlich voneinander getrennt oder separiert. Dadurch wird der Zellenstapel nicht von einem Separator umgeben oder ummantelt. Dadurch wird der Wärmeübergangswiderstand des Zellenstapels vorteilhaft reduziert, so dass eine zuverlässige und betriebssichere Kühlung der Batteriezellen gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das wärmeleitfähige Material an dem Außenumgang der gestapelten Batteriezellen angeordnet. Das wärmeleitfähige Material ist also an einem äußeren Rand der Batteriezellen beziehungsweise des Zellenstapels angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass eine besonders zuverlässige und effektive Wärmeabfuhr aus dem Zellkern nach Außen, also zur Umgebung des Zellenstapels hin, gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist hierbei vorgesehen, dass das wärmeleitfähige Material, je nach Anordnung der Stromableiter oder der Kathode und der Anode - einseitig, zweiseitig oder dreiseitig an dem Außenumfang angeordnet ist. Dadurch sind eine besonders effektive Wärmeabfuhr sowie ein besonders hoher Wärmeleitungsquerschnitt gewährleistet.
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Das wärmeleitfähige Material ist beispielsweise als ein silikonhaltiges Wärmepad ausgeführt. Zum Zwecke einer chemischen Isolierung gegenüber dem Flüssigelektrolyten ist es beispielsweise denkbar, dass das wärmeleitfähige Material mittels einer Mantelhülle eingekapselt wird.
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Zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse ist das wärmeleitfähige Material vorzugsweise elektrisch nicht leitend beziehungsweise elektrisch nicht leitfähig. Bei wärmeleitfähigen Materialien ohne solche isolierenden Eigenschaften ist es in einer vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass das wärmeleitfähige Material mit einer elektrischen Isolierung versehen ist. Die Isolierung ist beispielsweise als ein Isolierrahmen ausgeführt, oder als eine Mantelhülle oder Beschichtung auf das wärmeleitfähige Material aufgebracht. Beispielsweise ist das wärmeleitfähige Material von einer Polyethylen- (PE) oder Polypropylenfolie (PP) umgeben.
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In einer bevorzugten Anwendung ist das vorstehend beschriebene Zellengehäuse ein Teil eines Batteriemoduls einer Fahrzeugbatterie. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist hierbei mindestens ein Zellengehäuse auf, in welchem der Zellenstapel aufgenommen ist. Die Kathode und die Anode sind hierbei an zwei Terminals oder Anschlüsse des Zellengehäuses, als Pluspol und als Minuspol, kontaktiert, wobei die Terminals gegenüber dem Zellengehäuse elektrisch isoliert sind. Die Batteriezellen sind somit in einem gemeinsamen (Batterie-)Gehäuse aufgenommen. Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriemodul realisiert.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung liegt das wärmeleitfähige Material des Zellenstapels direkt oder unmittelbar an dem Zellengehäuse an. Mit anderen Worten ist zumindest an einer Gehäusefläche oder Gehäusewand des Zellengehäuses ein direkter oder unmittelbarer wärmeleittechnischer Kontakt, insbesondere ein Berührungskontakt, zu dem wärmeleitfähigen Material realisiert. Dadurch wird die Wärmeabfuhr des Zellenstapels an das Zellengehäuse wesentlich verbessert. Insbesondere werden der Wärmeleitungsquerschnitt und die Wärmeanbindung zwischen dem Zellenstapel und dem Zellengehäuse erhöht. Somit ist eine zuverlässige, aufwandsreduzierte und konstruktiv einfache Wärmeabfuhr, also eine Entwärmung oder Kühlung, der Batteriezellen beziehungsweise des Zellenstapels über das Zellengehäuse ermöglicht.
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In einer besonders geeigneten Ausführung ist das Zellengehäuse des Zellenstapels mit einer Kühlvorrichtung zur Temperierung oder Kühlung der Batteriezellen wärmeleittechnisch gekoppelt. Das Zellengehäuse ist hierbei wärmeleittechnisch mit zumindest einer Gehäuseseite oder Gehäusefläche an die Kühlvorrichtung geführt, gekoppelt oder angebunden. Dadurch wird eine besonders effektive und zuverlässige Kühlung der Batteriezellen, auch während eines Lade- oder Entladevorgangs gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie ist für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, geeignet und eingerichtet. Die Fahrzeugbatterie ist hierbei insbesondere als eine Traktionsbatterie mit mindestens einem vorstehend beschriebenen Batteriemodul ausgeführt. Dadurch ist eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie realisiert. Insbesondere weist die Fahrzeugbatterie eine besonders hohe Reichweite und Lebensdauer sowie Leistung auf.
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Durch die verbesserte Wärmeabfuhr aufgrund der Kopplung der Batteriezellen über die Stromableiter und das wärmleitfähige Material an das Zellengehäuse ist die Fahrzeugbatterie insbesondere für Schnelllade- oder Ultraschnellladebetriebe geeignet und eingerichtet.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie mit einer Anzahl von Batteriemodulen,
- 2 ein Batteriemodul mit einem Zellenstapel mit einer Anzahl von gestapelten Batteriezellen, und mit einem an eine Kühlvorrichtung gekoppelten Zellengehäuse,
- 3, 4 in Seitenansicht den Zellenstapel in unterschiedlichen Ausführungsformen, und
- 5 bis 12 in Draufsicht den Zellenstapel in unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug 2, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 2 weist einen internen elektrochemischen Energiespeicher in Form einer als Traktionsbatterie ausgeführten Fahrzeugbatterie 4 auf. Die Fahrzeugbatterie 4 weist hierbei eine Anzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen 6 auf, wobei in der 1 beispielhaft lediglich vier Batteriemodule 6 schematisch gezeigt sind. Zur (Auf-)Ladung der Fahrzeugbatterie 4 beziehungsweise der Batteriemodule 6 ist eine Ladeschnittstelle 8 des Kraftfahrzeugs 2 vorgesehen, mittels welcher das Kraftfahrzeug 2 beispielsweise an ein Ladekabel 10 elektrisch anschließbar ist. Im Zuge eines Ladevorgangs wird die Fahrzeugbatterie 4 mittels eines Ladestroms aufgeladen.
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Insbesondere bei Schnelllade- oder Ultraschnellladebetrieben wird ein Ladestrom mit hoher Stromstärke in die Fahrzeugbatterie 4 eingespeist. Um die in der Folge auftretenden Erwärmungen möglichst schnell und effektiv abzuführen sind die Batteriemodule 6 - wie in 2 dargestellt - vorzugsweise wärmeleittechnisch an eine Kühlvorrichtung 12 des Kraftfahrzeugs 2 gekoppelt.
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Die in 2 ausschnittsweise dargestellte Kühlvorrichtung 12 ist insbesondere eine Kühlleitung oder ein Kühlkanal eines Kraftfahrzeug-Kühlkreislaufes. Das Batteriemodul 6 weist hierbei ein metallisches Zellengehäuse 14 auf, welches mit einem Gehäuseboden 16 in einen Wärmekontakt mit einer Anlage- oder Deckelfläche 18 der Kühlvorrichtung 12 gebracht ist, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Batteriemodul 6 und einem die Kühlvorrichtung 12 durchströmenden Kühlmedium 20 stattfindet. Die Kühlvorrichtung 12 ist somit als ein Bodenkühlungssystem für das Zellengehäuse 14 ausgeführt. Die Strömung des Kühlmediums 20 ist in der 2 schematisch mit horizontalen Pfeilen dargestellt.
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Das Batteriemodul 6 weist einen im Zellengehäuse 14 aufgenommenen Zellenstapel 22 auf. Der Zellenstapel 22 ist mit einer Anzahl von entlang einer Stapelrichtung S gestapelten oder aneinander stirnseitig angereihten Batteriezellen 24 ausgeführt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 weist der Zellenstapel 22 beispielsweise fünf gestapelte Batteriezellen 24 auf. Die Batteriezellen 24 sind in den Figuren lediglich teilweise mit Bezugszeichen versehen.
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Die Batteriezellen 24 sind jeweils als eine (Dünn-)Schichtzelle mit einem nicht näher gezeigten Flüssigelektrolyten ausgeführt. Die Batteriezelle 24 weist hierbei eine Kathodenschicht 26 und eine Anodenschicht 28 sowie eine dazwischen angeordnete Separatorschicht 30 auf.
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Die Batteriezellen 24 sind hierbei jeweils von einem beispielsweise aus einem Aluminiummaterial hergestellten Kathoden-Stromableiter 32 und von einem beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellten Anoden-Stromableiter 34 als elektrische Anschlüsse flankiert. Die Stromableiter 32, 34 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als folienartige Stromableiter ausgeführt, welche einem Außenumfang 36 des Zellenstapels 22 überstehen.
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Die Stromableiter 32, 34 sind im Stapelverbund doppelseitig ausgeführt. Mit anderen Worten weisen teilen sich zwei unmittelbar benachbarte Batteriezellen 24 jeweils einen gemeinsamen Kathoden-Stromableiter 32 oder Anoden-Stromableiter 34. Wie in der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die Batteriezellen 24 nicht gleichartig im Zellenstapel 22 angeordnet sind, sondern insbesondere abwechselnd oder alternierend um 180° zur Stapelrichtung S rotiert oder invertiert angeordnet, so dass die Anodenseiten und Kathodenseiten benachbarter Batteriezellen 24 einander zugewandt sind.
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Die Kathoden-Stromableiter 32 und die Anoden-Stromableiter 34 sind zu einer Kathode 38 beziehungsweise zu einer Anode 40 des Zellenstapels 22 geführt und stoffschlüssig verschaltet oder gefügt. Die Kathode 38 und die Anode 40 sind hierbei an zwei Anschlüsse oder Terminals in Form eines Pluspols 42 und eines Minuspols 44 geführt. Die Kathode 38 ist hierbei an den Pluspol 32 und die Anode 40 an den Minuspol 44 angeschlossen. Die Terminals 42, 44 sind hierbei elektrisch von dem Zellengehäuse 14 isoliert. Zusätzlich können auch die Zellenwände des Zellengehäuses 14 elektrisch isoliert sein, wie beispielsweise bei einem Pouch-Zellengehäuse, also einem Zellengehäuse einer Pouch-(Batterie-)Zelle.
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Im Zuge eines Ladevorgangs entsteht eine Verlustwärme in den Batteriezellen 24. Die Wärmeenergie des Zellenstapels 22 wird hierbei zumindest teilweise mittels der Stromableiter 32, 34 an das Zellengehäuse 14 abgeführt. Um die Wärmeabfuhr des Zellenstapels 22 an das Zellengehäuse 14 zu verbessern sind die Stromableiter 32, 34 mittels eines wärmeleitfähigen Materials 46 entlang der Stapelrichtung S wärmeleittechnisch miteinander gekoppelt.
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Durch die wärmeleittechnische Kopplung der Stromableiter 32, 34 untereinander mittels des wärmeleitfähigen Materials 46 wird die Wärmeabfuhr, also das Ableiten einer in den Batteriezellen 24 entstehenden Wärmeenergie, verbessert, so dass die Batteriezellen 24 im Betrieb zuverlässig entwärmbar oder kühlbar sind. Dadurch kann eine entstehende (Verlust-)Wärme oder Wärmeenergie schneller über das Zellgehäuse 14 zum Kühlmedium 20 übertragen und abgeführt werden. Mit anderen Worten ist somit eine schnellere Ableitung der Wärme aus dem Inneren des Zellenstapels 22 beziehungsweise der Batteriezellen 24 möglich. Die Wärmeleitung oder Wärmeabfuhr ist in der 2 schematisch mit im Wesentlichen vertikal verlaufenden Pfeilen beispielhaft gezeigt.
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Wie in der 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich wird, liegt das wärmeleitfähige Material 46 des Zellenstapels 22 direkt oder unmittelbar an dem Zellengehäuse 14 an. Mit anderen Worten ist an dem Gehäuseboden 16 ein direkter oder unmittelbarer wärmeleittechnischer Kontakt, insbesondere ein Berührungskontakt, zu dem wärmeleitfähigen Material 46 realisiert. Dadurch wird die Wärmeabfuhr des Zellenstapels 22 an das Zellengehäuse 14 beziehungsweise an das Kühlmedium 20 wesentlich verbessert. Insbesondere wird somit der Wärmeleitungsquerschnitt und die Wärmeanbindung zwischen dem Zellenstapel 22 und dem Zellengehäuse 14 erhöht.
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Anhand der 3 und 4 sind nachfolgend mögliche Ausführungsformen des Zellenstapels 22 näher erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten Ausführungsform des Zellenstapels 22.
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Wie in der 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die Separatorschichten 30 der Batteriezellen 24 im Zellenstapel 22 nicht miteinander verbunden. Die Separatorschichten 30 der einzelnen Batteriezellen 24 sind somit entlang der Stapelrichtung S räumlich voneinander getrennt oder separiert.
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Das Material 46 ist in dieser Ausführungsform an einer dem Gehäuseboden 16 zugewandten Seite oder Fläche des Außenumfangs 36 angeordnet. Das Material 46 ist beispielsweise in Form von wärmeleitenden Silikonpads beziehungsweise als silikonhaltiges Wärmepad zwischen den jeweils positiven und negativen Stromableitern 32, 34 einer jeweiligen Batteriezellen 24 angeordnet. Zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse ist das wärmeleitfähige Material 46 vorzugsweise elektrisch nicht leitend beziehungsweise elektrisch nicht leitfähig.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Material 46 mit einer elektrischen Isolierung 48 beziehungsweise einem Isoliermaterial versehen ist. In der 4 ist die Isolierung 48 beispielhaft als ein Isolierrahmen ausgeführt. Der Isolierrahmen ist beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) hergestellt. Das Material 46 ist hierbei in die Isolierung 48 integriert oder eingebettet.
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Nachfolgend sind anhand der schematischen und stark vereinfachten Draufsichten der 5 bis 12 unterschiedliche Ausgestaltungen und Anordnungen der Materialien 46 im Zellenstapel 22 näher erläutert.
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In den 5 bis 7 sind Ausführungsformen des Zellenstapels 22 gezeigt, bei welchen das Material 46 lediglich an einer Seite oder entlang eines Abschnitts beziehungsweise einer Kante des Außenumfangs 36 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Material 46 einseitig an den Batteriezellen 24 beziehungsweise an dem Zellenstapel 22 angeordnet. Das Material 46 weist in der Draufsicht eine etwa streifen- oder rechteckförmige Geometrie auf, und erstreckt sich im Wesentlichen über die volle Länge der zugeordneten Seite des Zellenstapels 22.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform sind die Kathode 38 und die Anode 40 an einer gemeinsamen Schmalseite des Zellenstapels 22 angeordnet, wobei das Material 46 mit einer seiner Längsseiten und seinen zwei Schmalseiten mit dem Außenumfang 36 im Wesentlichen bündig abschließt.
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Das Ausführungsbeispiel der 6 entspricht etwa der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der 5, wobei das Material 46 lediglich mit einer Längsseite mit dem Außenumfang 36 bündig abschließt.
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In der 7 ist eine Ausführungsform des Zellenstapels 22 gezeigt, welche im Wesentlichen derjenigen der 6 entspricht, wobei die Kathode 38 und die Anode 40 an gegenüberliegenden Schmalseiten des Zellenstapels 22 angeordnet sind.
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In den 8 bis 10 sind Ausführungsformen des Zellenstapels 22 gezeigt, bei welchen das Material 46 im Wesentlichen zweiseitig integriert ist. Das Material 46 ist also an zwei Seiten oder Kanten des etwa rechteckförmigen Außenumfangs 36 angeordnet.
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Das Material 46 kann hierbei einteilig, also einteilig oder monolithisch beziehungsweise durchgehend, mit einer L-förmigen oder gewinkelten Geometrie oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig, also als zwei separate oder getrennte, beispielsweise geradlinige, Geometrien, in den Trägerrahmen 26 integriert sein.
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In dem Ausführungsbeispiel der 8 ist das Material 46 einteilig und etwa L-förmig ausgebildet. Das Material 46 erstreckt sich hierbei entlang einer der Anode 40 zugewandten Längsseite, über einen Eckbereich hin und entlang einer der Anode 40 und Kathode 38 gegenüberliegenden Schmalseite des Außenumfangs 36.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Material 46 als zwei getrennte rechteckförmige oder streifenförmige Wärmepads ausgebildet ist, welche zweiseitig oder L-förmig am Zellenstapel 22 angeordnet sind.
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In der 10 ist eine Ausgestaltungsform des Zellenstapels 22 gezeigt, bei welcher die Kathode 38 und die Anode 40 an gegenüberliegenden Schmalseiten des Zellenstapels 22 angeordnet sind. Das Material 46 ist hierbei zweiteilig entlang der gegenüberliegenden Langseiten angeordnet.
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In den 11 und 12 sind Ausführungsformen des Zellenstapels 22 gezeigt, bei welchen das Material 46 dreiseitig, also entlang drei Seiten oder Flächen, am Außenumfang 36 angeordnet ist. Das Material 46 ist in Draufsicht also etwa U-förmig an dem Zellenstapel 22 angeordnet.
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In dem Ausführungsbeispiel der 11 ist das Material 46 einteilig, also einstückig oder monolithisch beziehungsweise durchgehend ausgeführt, wobei in dem Ausführungsbeispiel der 12 eine mehrteilige, insbesondere dreiteilige Ausführung gezeigt ist.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Fahrzeugbatterie
- 6
- Batteriemodul
- 8
- Ladeschnittstelle
- 10
- Ladekabel
- 12
- Kühlvorrichtung
- 14
- Zellengehäuse
- 16
- Gehäuseboden
- 18
- Anlagefläche
- 20
- Kühlmedium
- 22
- Zellenstapel
- 24
- Batteriezelle
- 26
- Kathodenschicht
- 28
- Anodenschicht
- 30
- Separatorschicht
- 32
- Kathoden-Stromableiter
- 34
- Anoden-Stromableiter
- 36
- Außenumfang
- 38
- Kathode
- 40
- Anode
- 42
- Pluspol/Terminal
- 44
- Minuspol/Terminal
- 46
- Material
- 48
- Isolierung
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/038163 A1 [0010]
- DE 102008038936 A1 [0011]
