DE102020006268A1

DE102020006268A1 - Galvanic cell for a battery

Info

Publication number: DE102020006268A1
Application number: DE102020006268.7A
Authority: DE
Inventors: Cristian Leu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Galvanische Zelle (1) mit einem einen Innenraum im Wesentlichen vollständig umschließenden Gehäuse (2), mit einer im Innenraum angeordneten Elektrodengruppe (3) aus einem Stapel von Elektroden (3.1) und Separatoren (3.2), wobei die Elektrodengruppe (3) Ableiter (4) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, und mit einem an wenigstens einer Stelle durch das Gehäuse (2) hindurchgeführten Kühlelement (5), wobei die Elektrodengruppe (3) das Kühlelement (5) im Innenraum wenigstens einfach umwickelt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) von einem wenigstens abschnittsweise durchströmten Rohr (6) ausgebildet ist.The invention relates to a galvanic cell (1) with a housing (2) which essentially completely encloses an interior space, with an electrode group (3) arranged in the interior space and consisting of a stack of electrodes (3.1) and separators (3.2), the electrode group (3 ) conductor (4) for electrical contacting, and with a at least one point through the housing (2) guided cooling element (5), wherein the electrode group (3) the cooling element (5) in the interior at least once wrapped. The invention is characterized in that the cooling element (5) is formed by a pipe (6) through which flow occurs at least in sections.

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie eine Batterie mit wenigstens einer solcher galvanischen Zelle.The invention relates to a galvanic cell of the type defined in more detail in the preamble of claim 1 and a battery having at least one such galvanic cell.

Galvanische Zellen sind Vorrichtungen zur spontanen Umwandlungen von chemischer Energie in elektrische Energie und werden zur Ausbildung von Gleichspannungsquellen in Form von Batterien und Akkumulatoren genutzt. Eine galvanische Zelle umfasst ein Gehäuse in welchem zumindest zwei über einen Elektrolyt in Verbindung stehende Elektroden angeordnet sind. Zur Erhöhung einer nutzbaren elektrischen Spannung werden typischerweise mehrere galvanische Zellen hintereinander in Reihe geschaltet.Galvanic cells are devices for the spontaneous conversion of chemical energy into electrical energy and are used to form DC voltage sources in the form of batteries and accumulators. A galvanic cell comprises a housing in which at least two electrodes connected via an electrolyte are arranged. In order to increase a usable electrical voltage, several galvanic cells are typically connected in series.

Galvanische Zellen und Batterien sind generell aus dem Stand der Technik bekannt. Um verschiedenen Einsatzbedingungen gerecht zu werden, unterscheiden sich galvanische Zellen neben ihrer chemischen Zusammensatzung auch in ihrer Bauform. Bekannte Zellformate sind neben zylindrischen und prismatischen Zellen auch sogenannte Pouch-Zellen, bei denen die Elektroden von einem Beutel zur Ausbildung einer besonders flachen galvanischen Zelle umhüllt sind, und Jelly-Rolls, bei denen die Elektroden um eine gemeinsame Mittelachse aufgewickelt sind.Galvanic cells and batteries are generally known from the prior art. In order to meet different operating conditions, galvanic cells differ not only in their chemical composition but also in their design. In addition to cylindrical and prismatic cells, known cell formats are also so-called pouch cells, in which the electrodes are encased in a pouch to form a particularly flat galvanic cell, and jelly rolls, in which the electrodes are wound around a common central axis.

Ferner können sich galvanische Zellen beim Laden und/oder Entladen stark aufheizen, bis hin zu einer Temperatur bei der ihre korrekte Funktionsweise und/oder ihre Integrität gefährdet ist. In diesem Fall ist eine Kühlvorrichtung vorzusehen, um die von den galvanischen Zellen dissipierte Wärme abzuführen. Hierzu sind ebenfalls vielfältige Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Eine gängige Methode zur Abfuhr der von den galvanischen Zellen dissipierten Wärme ist das Anschließen eines Kühlkörpers an das Gehäuse der Zellen. Der Kühlkörper kann zur Verbesserung einer Wärmeabfuhr dabei auch Finnen und/oder Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem flüssigen Kühlmedium aufweisen. Um Wärme aus einem Batteriemodul, welches eine Vielzahl von galvanischen Zellen umfasst, effektiv abzuführen, ist ferner bekannt einen ein flüssiges Kühlmedium führenden Schlauch mäanderförmig durch ein solches Batteriemodul zu führen, wobei der Schlauch eng an den galvanischen Zellen anliegt. Auch ist bekannt, die galvanischen Zellen in einem abgedichteten Gehäuse anzuordnen und das Gehäuse selbst mit dem flüssigen Kühlmedium zu durchspülen. Nachteilig bei den genannten Verfahren ist jedoch, dass Wärme nur schlecht aus einem Inneren der galvanischen Zellen abgeführt werden kann.Furthermore, galvanic cells can heat up considerably during charging and/or discharging, up to a temperature at which their correct functioning and/or their integrity is endangered. In this case, a cooling device must be provided to dissipate the heat dissipated by the galvanic cells. Various designs are also known from the prior art for this purpose. A common method of dissipating the heat dissipated by the galvanic cells is to attach a heat sink to the case of the cells. To improve heat dissipation, the heat sink can also have fins and/or cooling channels for a liquid cooling medium to flow through. In order to effectively dissipate heat from a battery module, which comprises a large number of galvanic cells, it is also known to meander a hose carrying a liquid cooling medium through such a battery module, with the hose being in close contact with the galvanic cells. It is also known to arrange the galvanic cells in a sealed housing and to flush the housing itself with the liquid cooling medium. A disadvantage of the methods mentioned, however, is that heat can only be dissipated with difficulty from an interior of the galvanic cells.

Aus der WO 2009/066881 A1 ist eine Batteriezelle mit verbesserten Wärmeabfuhreigenschaften sowie ein Batteriemodul, welches solche Batteriezellen umfasst, bekannt. Um die verbesserten Wärmeabfuhreigenschaften zu gewährleisten, weist eine in der Druckschrift offenbarte galvanische Zelle an einer Seite, welche keine Elektroden beziehungsweise Ableiter aufweist, einen über ein Dichtelement an die Batteriezelle angeschlossenen Kühlkörper auf. Um die Wärme noch besser abführen zu können, kann ferner der Kühlkörper ein von einem Kühlmedium durchströmtes Rohr aufweisen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass von der Batteriezelle dissipierte Wärme im Inneren der Batteriezelle entsteht und der Kühlkörper beziehungsweise das mit dem Kühlmedium durchströmte Rohr an einer Seite der Batteriezelle angeschlossen ist. Somit muss die Wärme durch die Batteriezelle selbst zum Kühlkörper hin transportiert werden, was mit einem hohen Wärmewiderstand einhergeht. Dies führt dazu, dass ein Wärmeabfuhrpotential zur verbesserten Wärmeabfuhr von der Batteriezelle dissipierten Wärme noch nicht hinreichend ausgeschöpft wird.From the WO 2009/066881 A1 a battery cell with improved heat dissipation properties and a battery module which includes such battery cells is known. In order to ensure the improved heat dissipation properties, a galvanic cell disclosed in the publication has a heat sink connected to the battery cell via a sealing element on one side, which has no electrodes or conductors. In order to be able to dissipate the heat even better, the heat sink can also have a tube through which a cooling medium flows. The disadvantage here, however, is that heat dissipated by the battery cell occurs inside the battery cell and the heat sink or the pipe through which the cooling medium flows is connected to one side of the battery cell. The heat must therefore be transported through the battery cell itself to the heat sink, which is associated with high thermal resistance. As a result, a heat dissipation potential for improved heat dissipation from the heat dissipated by the battery cell has not yet been sufficiently exploited.

Ferner offenbart die EP 2 840 644 A1 eine Batteriezelle mit einer verbesserten Kühlungseffizienz. Die verbesserte Kühlungseffizienz wird dabei dadurch erreicht, dass ein Wärmeabfuhrelement aus einem Wärme gut leitenden Material in direktem Kontakt zu von der Batteriezelle umfassten Elektroden steht. Dies erlaubt es in einem Inneren der Batteriezelle entstehende Wärme besonders effektiv abzuführen. Dabei weist das wärmeabführende Element ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei das erste Ende zwischen den Elektroden angeordnet ist und/oder mit wenigstens einer der Elektroden thermisch leitend kontaktiert ist, und das zweite Ende an das Gehäuse der Batteriezelle angeschlossen ist oder aus dem Gehäuse hinausgeführt ist. Dabei offenbart das Dokument auch ein Umwickeln des wärmeabführenden Elements mit den Elektroden. Dies ist insbesondere bei einer Jelly-Roll der Fall, wobei das wärmeabführende Element in einem von den Elektroden ausgesparten Mittelraum angeordnet ist. Ferner kann an das zweite Ende des wärmeabführenden Elements ein Kühlkörper zur verbesserten Abfuhr der Wärme angeschlossen sein, oder direkt vom zweiten Ende ausgebildet sein. Der Kühlkörper kann dabei ebenfalls von einem Kühlmedium durchströmte Kanäle, sowie Finnen, welche von Luft umströmt werden, um die Wärme besonders effektiv abzuführen, aufweisen. Es können auch mehrere Batteriezellen an denselben Kühlkörper angeschlossen sein. Mit Hilfe der in der Druckschrift offenbarten Erfindung ist zwar eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Batteriezelle möglich, jedoch wird auch hier ein volles Wärmeabfuhrpotential nicht voll ausgeschöpft. Das Wärmeabfuhrelement umfasst Metall und weist damit eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, jedoch sind Vorrichtungen bekannt, welche gegenüber reinem Metall eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.Furthermore, the EP 2 840 644 A1 a battery cell with improved cooling efficiency. The improved cooling efficiency is achieved in that a heat dissipation element made of a material that conducts heat well is in direct contact with the electrodes comprised by the battery cell. This allows heat generated in the interior of the battery cell to be dissipated particularly effectively. The heat-dissipating element has a first and a second end, the first end being arranged between the electrodes and/or being in thermally conductive contact with at least one of the electrodes, and the second end being connected to the housing of the battery cell or from the housing is led out. The document also discloses wrapping the heat-dissipating element with the electrodes. This is particularly the case with a jelly roll, in which case the heat-dissipating element is arranged in a central space which is recessed from the electrodes. Furthermore, a heat sink can be connected to the second end of the heat-dissipating element for improved heat dissipation, or it can be formed directly from the second end. The heat sink can also have channels through which a cooling medium flows, as well as fins around which air flows in order to dissipate the heat particularly effectively. Several battery cells can also be connected to the same heat sink. With the aid of the invention disclosed in the publication, improved heat dissipation from the interior of the battery cell is possible, but the full heat dissipation potential is not fully exploited here either. The heat dissipation element comprises metal and thus has a high thermal conductivity, but devices are known which have an even higher thermal conductivity compared to pure metal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine galvanische Zelle anzugeben, welche ein Kühlelement aufweist, mit dessen Hilfe von der galvanischen Zelle dissipierte Wärme aus einem Inneren der galvanischen Zelle gegenüber dem Stand der Technik noch effektiver abgeführt werden kann.The present invention is based on the object of specifying a galvanic cell which has a cooling element with the aid of which heat dissipated by the galvanic cell can be dissipated from an interior of the galvanic cell even more effectively than in the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine galvanische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie eine Batterie mit wenigstens solch einer galvanischen Zelle ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by a galvanic cell having the features of claim 1. Advantageous refinements and developments as well as a battery with at least one such galvanic cell result from the dependent claims.

Bei einer galvanischen Zelle der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß ein an wenigstens einer Stelle durch ein Gehäuse der galvanischen Zelle hindurch geführtes Kühlelement von einem wenigstens abschnittsweise durchströmten Rohr ausgebildet. Das Kühlelement bildet somit einen Wärmeübertrager aus und kann von einem beliebigen tropfbaren oder gasförmigen Fluid durchströmt sein. Beispielsweise kann das Kühlelement von Luft, Wasser, Glykol, einem Kältemittel und/oder dergleichen durchströmt sein. Dadurch, dass das Rohr wenigstens abschnittsweise durchströmt wird, lässt sich gegenüber einem Kühlelement aus einem Vollmaterial ein höherer Wärmestrom aus der galvanischen Zelle abführen. Generell ist es auch denkbar, das Kühlelement mit einem gegenüber der galvanischen Zelle heißeren Medium zu durchströmen, um die galvanische Zelle aufzuheizen. Hiermit lässt sich die galvanische Zelle nach Einschalten eines an der galvanischen Zelle hängenden Verbrauchers schnell auf eine Betriebstemperatur aufheizen und/oder eine Betriebstemperatur bei kalten Witterungsbedingungen aufrechterhalten. Dadurch, dass die Elektroden um das Kühlelement gewickelt sind, lässt sich zudem ein Wärmestrom besonders effektiv aus einem Inneren der galvanischen Zelle abführen oder in diese einbringen.In a galvanic cell of the type mentioned at the outset, according to the invention, a cooling element guided at least at one point through a housing of the galvanic cell is formed by a tube through which flow occurs at least in sections. The cooling element thus forms a heat exchanger and any liquid that can be dripped or gaseous can flow through it. For example, air, water, glycol, a refrigerant and/or the like can flow through the cooling element. Because the tube is flowed through at least in sections, a higher heat flow can be dissipated from the galvanic cell compared to a cooling element made of a solid material. In general, it is also conceivable for a medium that is hotter than the galvanic cell to flow through the cooling element in order to heat up the galvanic cell. In this way, the galvanic cell can be quickly heated to an operating temperature after a consumer connected to the galvanic cell has been switched on and/or an operating temperature can be maintained in cold weather conditions. Due to the fact that the electrodes are wound around the cooling element, a heat flow can also be dissipated particularly effectively from an interior of the galvanic cell or introduced into it.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der galvanischen Zelle sieht vor, dass das Kühlelement von einem Wärmerohr ausgebildet ist. Ein solches Wärmerohr ist auch unter dem Begriff Heat Pipe bekannt, und erlaubt das Abführen eines gegenüber einem Kühlelement aus einem Vollmaterial noch höheren Wärmestroms. Dies begründet sich durch Nutzung einer Verdampfungswärme eines das Wärmerohr wenigstens abschnittsweise durchströmenden Mediums. Das Medium nimmt an einer heißen Seite des Wärmerohrs Wärme auf und verdampft dabei. Das dampfförmige Medium wandert dann aufgrund eines ansteigenden Dampfdrucks durch das Wärmerohr zu einem kalten Ende, an dem das Medium die abzugebende Wärme, beispielsweise an eine gegenüber der heißen Seite kalten Umgebung, abgibt. Dabei kondensiert das Medium und wird, beispielsweise aufgrund von Schwerkraft oder Kapillarkräften, wieder zur heißen Seite des Wärmerohrs geführt. Als Medium lässt sich ein beliebiger Stoff einsetzen, beispielsweise ein Gas wie Helium oder Stickstoff, ein Kältemittel wie Ammoniak, Wasser oder im Falle von besonders hohen Betriebstemperaturen, auch Alkalimetalle wie Natrium oder Lithium.An advantageous development of the galvanic cell provides that the cooling element is formed by a heat pipe. Such a heat pipe is also known by the term heat pipe and allows the dissipation of an even higher heat flow compared to a cooling element made of a solid material. This is due to the use of an evaporation heat of a medium flowing through the heat pipe at least in sections. The medium absorbs heat on a hot side of the heat pipe and evaporates in the process. Due to an increasing vapor pressure, the vaporous medium then migrates through the heat pipe to a cold end, at which the medium gives off the heat to be released, for example to an environment that is cold compared to the hot side. The medium condenses and is fed back to the hot side of the heat pipe, for example due to gravity or capillary forces. Any substance can be used as the medium, for example a gas such as helium or nitrogen, a refrigerant such as ammonia, water or, in the case of particularly high operating temperatures, also alkali metals such as sodium or lithium.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der galvanischen Zelle ist das Kühlelement wenigstens abschnittsweise thermisch leitend mit wenigstens einem der Ableiter kontaktiert. Durch Kontaktieren der Ableiter kann eine Kontaktfläche zwischen Kühlelement und den Elektroden vergrößert werden, wodurch ein abzuführender Wärmestrom noch effektiver aus der galvanischen Zelle abgeführt werden kann.According to a further advantageous embodiment of the galvanic cell, the cooling element is in thermally conductive contact with at least one of the conductors, at least in sections. A contact surface between the cooling element and the electrodes can be increased by contacting the conductors, as a result of which a heat flow to be dissipated can be dissipated even more effectively from the galvanic cell.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der galvanischen Zelle sieht ferner vor, dass das Kühlelement und zu kühlende Komponenten der galvanischen Zelle über eine Schicht aus einem Material mit einer festgelegten Mindestwärmeleitfähigkeit thermisch leitend kontaktiert sind, insbesondere über eine Schicht aus Wärmeleitopaste. Beim Kontaktieren des Kühlelements und zu kühlender Komponenten ist darauf zu achten, dass sich das Kühlelement und die zu kühlenden Komponenten möglichst großflächig berühren. Dabei entspricht eine tatsächliche Kontaktfläche nicht einer projizierten Fläche einer Kontaktfläche zwischen Kühlelement und zu kühlender Komponente, sondern bedingt durch Oberflächenrauheiten einer reduzierten Fläche. So weisen die zu kontaktierenden Flächen Erhebungen und Vertiefungen auf, welche sich bereichsweise berühren, wobei eine Wärmeleitung zwischen dem Kühlelement und den zu kühlenden Komponenten über die sich berührende Abschnitte erfolgt. Mit Hilfe der Schicht aus dem thermisch leitenden Material, insbesondere der Schicht aus Wärmeleitpaste, lässt sich ein Volumen zwischen den Erhebungen und Vertiefungen füllen, was zu einer vergrößerten Kontaktfläche zwischen Kühlelement und zu kühlenden Komponenten führt. Dies führt zu einer Reduktion eines Wärmewiderstands zwischen Kühlelement und zu kühlender Komponente. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Schichtmaterials ist, desto stärker kann der Wärmewiderstand gesenkt werden. Das Schichtmaterial kann ein beliebiges Material, insbesondere Silber und/oder Kohlenstoff umfassen.A further advantageous embodiment of the galvanic cell also provides that the cooling element and components of the galvanic cell to be cooled are thermally conductively contacted via a layer of a material with a defined minimum thermal conductivity, in particular via a layer of thermally conductive paste. When contacting the cooling element and the components to be cooled, care must be taken to ensure that the cooling element and the components to be cooled touch as extensively as possible. In this case, an actual contact area does not correspond to a projected area of a contact area between the cooling element and the component to be cooled, but rather a reduced area due to surface roughness. Thus, the surfaces to be contacted have elevations and depressions which touch one another in certain areas, heat conduction between the cooling element and the components to be cooled taking place via the sections in contact. With the help of the layer made of the thermally conductive material, in particular the layer made of thermally conductive paste, a volume between the elevations and depressions can be filled, which leads to an enlarged contact surface between the cooling element and the components to be cooled. This leads to a reduction in thermal resistance between the cooling element and the component to be cooled. The higher the thermal conductivity of the layer material, the more the thermal resistance can be lowered. The layer material can include any material, in particular silver and/or carbon.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der galvanischen Zelle weist das Kühlelement wenigstens entlang eines durch den Innenraum verlaufenden Abschnitts einen kreisrunden, elliptischen, quadratischen oder im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei kann eine Querschnittsform des Kühlelements auch in Form eines beliebigen Vielecks und/oder in Form eines offenen Profils, beispielsweise als U-Profil, ausgeführt sein. Eine Querschnittsform des Kühlelements kann außerhalb des Innenraums gleich der Querschnittsform des durch den Innenraum verlaufenden Abschnitts sein oder eine hiervon abweichende Form aufweisen. Dies erlaubt eine flexible Anpassung einer Ausgestaltung des Kühlelements an wechselnde Anforderungen, beispielsweise an eine Bauform der galvanischen Zelle. So lässt sich ein großflächiges und zuverlässiges Anschließen des Kühlelements an die Elektrodengruppe gewährleisten.According to a further advantageous embodiment of the galvanic cell, the cooling element has a circular, elliptical, square or essentially rectangular cross section at least along a section running through the interior. One can Cross-sectional shape of the cooling element can also be in the form of any polygon and/or in the form of an open profile, for example a U-profile. A cross-sectional shape of the cooling element outside of the interior space can be the same as the cross-sectional shape of the section running through the interior space, or it can have a different shape. This allows a configuration of the cooling element to be flexibly adapted to changing requirements, for example to a design of the galvanic cell. In this way, a large-area and reliable connection of the cooling element to the group of electrodes can be ensured.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der galvanischen Zelle sieht ferner vor, dass das Kühlelement an einer Rohrinnenseite wenigstens einen Vorsprung aufweist. Der Vorsprung kann dabei eine beliebige Querschnittsform aufweisen. Beispielsweise kann der Vorsprung quadratisch, rechteckig, elliptisch oder dreieckig sein oder die Form eines beliebigen Vielecks aufweisen. Er kann sich darüber hinaus beliebig weit in Richtung einer Mittelachse des Rohres erstrecken. Er kann sich auch über die Mittelachse hinaus erstrecken und bis zu einer gegenüberliegenden Rohrinnenseite reichen. Mit Hilfe eines solchen Vorsprungs lässt sich ein Wärmeübergang zwischen einem das Rohr durchströmenden Kühlmedium und dem Rohr selbst verbessern, wodurch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlelements noch effektiver ein von der galvanischen Zelle dissipierter Wärmestrom aus dieser abgeführt werden kann. Dabei kann das Kühlelement einen solchen Vorsprung oder auch eine Vielzahl solcher Vorsprünge aufweisen. Die Vorsprünge können dabei entlang einer Mittelachse des Rohres durchgehend ausgeführt sein oder unterbrochen sein. Auch können die Vorsprünge um die Mittelachse verdrillt sein, beispielsweise nach Art eines gezogenen Kanonenlaufs. So lässt sich eine Durchströmung durch das Rohr verbessern.A further advantageous embodiment of the galvanic cell also provides that the cooling element has at least one projection on the inside of the tube. The projection can have any cross-sectional shape. For example, the protrusion may be square, rectangular, elliptical, triangular, or any polygon shape. In addition, it can extend as far as desired in the direction of a central axis of the tube. It can also extend beyond the central axis and reach an opposite inner side of the tube. With the help of such a projection, a heat transfer between a cooling medium flowing through the tube and the tube itself can be improved, whereby with the help of the cooling element according to the invention a heat flow dissipated by the galvanic cell can be dissipated from it even more effectively. The cooling element can have such a projection or also a large number of such projections. The projections can be continuous or interrupted along a central axis of the tube. The projections can also be twisted around the central axis, for example in the manner of a rifled cannon barrel. Flow through the pipe can thus be improved.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der galvanischen Zelle umfasst das Kühlelement wenigstens zwei wenigstens abschnittsweise durchströmte Kanäle. Dabei kann eine Geschwindigkeit mit der ein Kühlmedium durch die Kanäle strömt für jeden Kanal unterschiedlich eingestellt werden. Auch ist es möglich, dass unterschiedliche Medien durch verschiedene Kanäle strömen.According to a further advantageous embodiment of the galvanic cell, the cooling element comprises at least two channels through which flow occurs at least in sections. A speed at which a cooling medium flows through the channels can be set differently for each channel. It is also possible for different media to flow through different channels.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der galvanischen Zelle sieht ferner vor, dass die wenigstens zwei Kanäle dazu eingerichtet sind im Gleichstromprinzip oder im Gegenstromprinzip durchströmt zu werden. Somit lässt sich das Kühlelement flexibel an wechselnde Anforderungen zur Kühlung der galvanischen Zelle anpassen. Insbesondere wird es so ermöglicht das Kühlelement an einer einzigen Stelle in die galvanische Zelle einzuführen, wobei in diesem Fall das Kühlmedium an einem innerhalb des Innenraums angeordneten Endes des Kühlelements umzulenken ist. Hierzu kann das Kühlelement einen Umlenkstutzen aufweisen. Zwei das Kühlmedium in unterschiedliche Richtungen führende Kanäle können dabei beliebig angeordnet sein. Beispielsweise kann das Kühlelement von zwei konzentrisch zueinander verlaufenden kreisrunden Rohren ausgebildet sein, wobei sich die Strömungsrichtung durch ein äußeres und ein inneres Rohr unterscheidet. Dabei kann das Kühlmedium durch das äußere Rohr in die galvanische Zelle eingeführt und durch das innere Rohr aus der galvanischen Zelle hinausgeführt werden. So lässt sich eine Temperatur einer Außenseite des Kühlelements noch stärker reduzieren, wodurch die galvanische Zelle noch effektiver gekühlt werden kann. Generell kann aber auch das Kühlmedium durch das innere Rohr in die galvanische Zelle eingeführt werden.A further advantageous embodiment of the galvanic cell also provides that the at least two channels are set up to be flown through in the direct current principle or in the countercurrent principle. The cooling element can thus be flexibly adapted to changing requirements for cooling the galvanic cell. In particular, this makes it possible to introduce the cooling element into the galvanic cell at a single point, in which case the cooling medium is to be deflected at an end of the cooling element arranged inside the interior. For this purpose, the cooling element can have a deflection connector. Two channels guiding the cooling medium in different directions can be arranged in any way. For example, the cooling element can be formed by two circular tubes running concentrically to one another, with the direction of flow differing by an outer tube and an inner tube. The cooling medium can be introduced into the galvanic cell through the outer tube and out of the galvanic cell through the inner tube. A temperature on an outside of the cooling element can thus be reduced even more, as a result of which the galvanic cell can be cooled even more effectively. In general, however, the cooling medium can also be introduced into the galvanic cell through the inner tube.

Bevorzugt ist die galvanische Zelle als zylindrische Zelle, prismatische Zelle oder Pouch-Zelle ausgeführt. Somit lässt sich das Kühlelement zur Kühlung und/oder Erwärmung gängiger Zellformate nutzen. Generell ist es aber auch denkbar, dass die Elektroden nicht um das Kühlelement gewickelt sind, sondern beispielsweise parallel zu diesem ausgerichtet sind und dabei eng an diesem anliegen.The galvanic cell is preferably designed as a cylindrical cell, prismatic cell or pouch cell. The cooling element can thus be used for cooling and/or heating common cell formats. In general, however, it is also conceivable for the electrodes not to be wound around the cooling element, but instead to be aligned parallel to it, for example, and to be in close contact with it.

Eine Batterie weist erfindungsgemäß wenigstens eine im Vorigen beschriebene galvanische Zelle auf. Somit lässt sich eine Batterie besonders effektiv kühlen. Insbesondere kann es sich dabei um eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs handeln.According to the invention, a battery has at least one galvanic cell as described above. A battery can thus be cooled particularly effectively. In particular, this can be a traction battery of a vehicle.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.Further advantageous configurations of the galvanic cell according to the invention also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen galvanischen Zelle;
2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle aus 1;
3 eine Schnittansicht dreier Kühlelemente mit einer unterschiedlich ausgeführten Innenwandstruktur;
4 eine Schnittansicht durch verschiedene Kühlelemente mit einem unterschiedlichen Querschnitt; und
5 eine perspektivische Darstellung eines im Gegenstromprinzip durchströmten, einseitig geschlossenen Rohrs.

show:

1 a perspective view of a galvanic cell according to the invention;
2 a sectional view of the galvanic cell according to the invention 1 ;
3 a sectional view of three cooling elements with a differently designed inner wall structure;
4 a sectional view through different cooling elements with a different cross section; and
5 a perspective view of a counterflow principle flowed through, closed at one end tube.

1 zeigt eine zylindrisch ausgeführte galvanische Zelle 1. Diese weist an ihren beiden Stirnseiten S1 und S2 jeweils eine Öffnung auf, durch die ein Kühlelement 5 in Form eines Rohres 6 hindurchgeführt ist. Während eines Betriebs der galvanischen Zelle 1 kann sich diese aufheizen. Das Rohr 6 lässt sich von einem Kühlmedium durchströmen, um den beim Aufheizen der galvanischen Zelle 1 anfallenden Wärmestrom aus der galvanischen Zelle 1 besonders effektiv abzuführen. Ein Anschluss des Rohres an den aus der galvanischen Zelle herausgeführten Enden kann dabei beliebig sein. 1 1 shows a cylindrical galvanic cell 1. This has an opening on each of its two end faces S1 and S2, through which a cooling element 5 in the form of a tube 6 is guided. During operation of the galvanic cell 1, it can heat up. A cooling medium can flow through the tube 6 in order to particularly effectively dissipate the heat flow from the galvanic cell 1 that occurs when the galvanic cell 1 is heated. A connection of the tube at the ends leading out of the galvanic cell can be arbitrary.

2 zeigt ein Schnitt durch die in 1 dargestellte galvanische Zelle 1 entsprechend einer Schnittebene A-A und verdeutlicht somit einen Aufbau der galvanischen Zelle 1. Diese umfasst ein Gehäuse 2, in welchem eine Elektrodengruppe 3 aus einer Vielzahl an Elektroden 3.1 und Separatoren 3.2 angeordnet ist. Die Elektrodengruppe 3 ist um eine Mittelachse 10 kreisförmig angeordnet. Das Kühlelement 5 in Form des Rohres 6 ist dabei konzentrisch um die Mittelachse 10 zur Elektrodengruppe 3 durch das Gehäuse 2 der galvanischen Zelle 1 hindurchgeführt. Die Elektrodengruppe 3 umwickelt das Rohr 6 dabei. Dadurch, dass sich die galvanische Zelle 1 während ihres Betriebs von innen her aufheizt, lässt sich die abzuführende Wärme besonders effektiv aus der galvanischen Zelle 1 abführen, indem das Kühlelement 5 durch das Innere der galvanischen Zelle 1 hindurchverläuft. Zur Reduktion eines Wärmewiderstands kann dabei die Elektrodengruppe 3 über eine Schicht aus Wärmeleitpaste 7 an das Rohr 6 thermisch leitend angeschlossen sein. Ebenso ist es möglich, dass von der galvanischen Zelle 1 umfasste Ableiter 4 an das Kühlelement 5 angeschlossen sind, wodurch eine Kontaktoberfläche zwischen Kühlelement 5 und zu kühlenden Komponenten vergrößert werden kann. Hierdurch lässt sich die galvanische Zelle 1 noch effektiver kühlen. Ferner kann hierdurch eine Betriebstemperatur der Ableiter 4 reduziert werden, wodurch potentielle thermisch bedingte Bauteilschäden der Ableiter 4 verhindert werden können. 2 shows a section through the in 1 galvanic cell 1 shown corresponds to a sectional plane AA and thus illustrates a structure of the galvanic cell 1. This comprises a housing 2, in which an electrode group 3 is arranged from a plurality of electrodes 3.1 and separators 3.2. The electrode group 3 is arranged in a circle around a central axis 10 . The cooling element 5 in the form of the tube 6 is passed through the housing 2 of the galvanic cell 1 concentrically around the central axis 10 to the electrode group 3 . The electrode group 3 wraps around the pipe 6 in the process. Since the galvanic cell 1 heats up from the inside during its operation, the heat to be dissipated can be dissipated particularly effectively from the galvanic cell 1 by the cooling element 5 running through the interior of the galvanic cell 1 . In order to reduce thermal resistance, the electrode group 3 can be connected to the tube 6 in a thermally conductive manner via a layer of thermally conductive paste 7 . It is also possible for conductors 4 included in the galvanic cell 1 to be connected to the cooling element 5, as a result of which a contact surface between the cooling element 5 and the components to be cooled can be increased. This allows the galvanic cell 1 to be cooled even more effectively. Furthermore, an operating temperature of the arresters 4 can be reduced as a result, as a result of which potential thermally induced component damage to the arresters 4 can be prevented.

Die in 3 dargestellten Kühlelemente weisen eine unterschiedlich ausgeführte Innenwandstruktur auf. So ist eine Innenwand des in 3a) dargestellten Kühlelements glatt ausgeführt. Das in 3b) dargestellte Kühlelement weist vier Vorsprünge 8 in Form von Dreiecken auf. Diese sind symmetrisch zueinander mit einem Abstand von 90 Grad in Umfangsrichtung um die Mittelachse 10 an der Innenwand angeordnet. Mit Hilfe der Vorsprünge 8 kann eine Kontaktoberfläche zwischen einem das Rohr 6 durchströmenden Kühlmedium und der Innenwand des Rohr 6 vergrößert werden, wodurch der Wärmestrom aus der galvanischen Zelle 1 noch effektiver abgeführt werden kann. Generell können die Vorsprünge 8 dabei eine beliebige Anzahl und/oder Form aufweisen. Auch ist es möglich, wie 3c) zeigt, dass die Vorsprünge 8 so weit zur Mittelachse 10 vordringen, dass sie sich berühren und das Rohr 6 in einzelne Kanäle 9.1, 9.2,9.3, 9.4, unterteilen. Dabei ist es auch denkbar, dass verschiedene Kanäle 9 von einem unterschiedlichen Kühlmedium durchströmt werden. In the 3 The cooling elements shown have a different inner wall structure. So is an inner wall of the in 3a) cooling element shown running smoothly. This in 3b) cooling element shown has four projections 8 in the form of triangles. These are arranged symmetrically to one another at a distance of 90 degrees in the circumferential direction around the central axis 10 on the inner wall. With the help of the projections 8, a contact surface between a cooling medium flowing through the tube 6 and the inner wall of the tube 6 can be enlarged, as a result of which the heat flow from the galvanic cell 1 can be dissipated even more effectively. In general, the projections 8 can have any number and/or shape. Also it is possible like 3c ) shows that the projections 8 advance so far towards the central axis 10 that they touch and divide the tube 6 into individual channels 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. It is also conceivable that a different cooling medium flows through different channels 9 .

Auch kann eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums für verschiedene Kanäle 9 unterschiedlich sein.A flow rate of the cooling medium can also be different for different channels 9 .

4 verdeutlicht eine Flexibilität bei der Gestaltung des Rohrs 6. So kann dieses ein beliebigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Rohr 6 einen quadratischen, rechteckigen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Dabei können die Vorsprünge 8 auch eine unterschiedliche Gestalt, oder wie dargestellt, unterschiedliche Dimensionen aufweisen. 4 illustrates a flexibility in the design of the tube 6. So this can have any cross section. For example, the tube 6 can have a square, rectangular or oval cross-section. The projections 8 can also have a different shape or, as shown, have different dimensions.

Generell ist es auch möglich, dass das Kühlelement 5 lediglich an einer Seite in die galvanische Zelle 1 hineingeführt ist. Um das Kühlelement 5 in diesem Falle durchströmen zu können, lässt es sich wie in 5 dargestellt als einseitig geschlossenes Rohr ausführen. Dabei verläuft innerhalb eines äußeren Rohres 6.1 ein inneres Rohr 6.2. In 5 verlaufen die beiden Rohre 6.1 und 6.2 konzentrisch zueinander um die Mittelachse 10. Mit Hilfe von Pfeilen ist eine Durchströmungsrichtung des einseitig geschlossenen Rohres dargestellt. So wird frisches Kühlmedium dem einseitig geschlossenen Rohr über das äußere Rohr 6.1 zugeführt, was dazu führt, dass ein äußerer Mantel des äußeren Rohrs 6.1 eine besonders niedrige Temperatur aufweist, wodurch die galvanische Zelle 1 besonders effektiv gekühlt werden kann. Das Kühlmedium wird anschließend mit Hilfe eines Umlenkdeckels 11 umgelenkt und tritt in das innere Rohr 6.2 ein, welches die galvanische Zelle 1 durch dieselbe Öffnung verlässt, durch die das äußere Rohr 6.1 in die galvanische Zelle 1 eingeführt ist. Generell ist es auch möglich, dass das Kühlmedium die galvanische Zelle 1 über das innere Rohr 6.2 betritt und über das äußere Rohr 6.1 verlässt.In general, it is also possible for the cooling element 5 to be guided into the galvanic cell 1 on only one side. In order to be able to flow through the cooling element 5 in this case, it can be opened as in 5 shown as a tube closed on one side. An inner tube 6.2 runs inside an outer tube 6.1. In 5 the two tubes 6.1 and 6.2 run concentrically to one another around the central axis 10. A flow direction of the tube closed on one side is shown with the aid of arrows. Fresh cooling medium is fed to the tube which is closed on one side via the outer tube 6.1, with the result that an outer jacket of the outer tube 6.1 has a particularly low temperature, as a result of which the galvanic cell 1 can be cooled particularly effectively. The cooling medium is then deflected with the aid of a deflection cover 11 and enters the inner tube 6.2, which leaves the galvanic cell 1 through the same opening through which the outer tube 6.1 is introduced into the galvanic cell 1. In general, it is also possible for the cooling medium to enter the galvanic cell 1 via the inner tube 6.2 and leave it via the outer tube 6.1.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2009/066881 A1 [0005]
EP 2840644 A1 [0006]

Claims

Galvanic cell (1) with a housing (2) substantially completely enclosing an interior space, with an electrode group (3) arranged in the interior space and consisting of a stack of electrodes (3.1) and separators (3.2), the electrode group (3) containing conductors (4 ) for electrical contacting, and with a cooling element (5) that is guided through the housing (2) at least at one point, the electrode group (3) wrapping around the cooling element (5) at least once in the interior or lying against it at least in sections, characterized in that that the cooling element (5) is formed by a pipe (6) through which flow occurs at least in sections.

Galvanic cell (1) after claim 1 , characterized in that the cooling element (5) is formed by a heat pipe.

Galvanic cell (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the cooling element (5) is at least partially in thermally conductive contact with at least one of the conductors (4).

Galvanic cell (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the cooling element (5) and components to be cooled are thermally conductively contacted via a layer of a material with a specified minimum thermal conductivity, in particular via a layer of thermally conductive paste (7).

Galvanic cell (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the cooling element (5) has a circular, elliptical, square or substantially rectangular cross-section at least along a section running through the interior.

Galvanic cell (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the cooling element (5) has at least one projection (8) on a tube inside.

Galvanic cell (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the cooling element (5) comprises at least two channels (9.1, 9.2) through which flow occurs at least in sections.

Galvanic cell (1) after claim 7 , characterized in that the at least two channels (9.1, 9.2) are set up to be flown through in the cocurrent principle or in the countercurrent principle.

Galvanic cell (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized by , a design as a cylindrical cell, prismatic cell, or pouch cell.

Battery, characterized by at least one galvanic cell (1) according to one of the preceding claims.