DE102020208022A1

DE102020208022A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102020208022A1
Application number: DE102020208022.4A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hauser; Andreas Gleiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Batteriemodul umfassend:- ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse eine Temperiervorrichtung zur Temperierung einer Mehrzahl von Batteriezellen des Batteriemoduls aufweist;- einen Batteriezellhalter zum Aufnahmen der Batteriezellen;- Batteriezellverbinder zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen;- thermische Zwischenelemente,wobei die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder und an der Temperiervorrichtung des Batteriemodulgehäuses anliegen,wobei die thermischen Zwischenelemente thermische Brücken zwischen den Batteriezellverbindern und der Temperiervorrichtung des Batteriemodulgehäuses ausbilden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul, einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls sowie einer Verwendung des Batteriemodules gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Das Dokument US 2015 214 585 A1 offenbart ein Batteriepack mit einem Gehäuse, einer Anzahl von Batteriezellen, die in dem Gehäuse aufgenommen sind, und ein elektrisches Verbindungsplattenmodul zum Verbinden der Batteriezellen miteinander.
Das Dokument JP 2013 080 625 A offenbart ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Zellen, die durch eine Sammelschiene elektrisch miteinander verbunden sind.
Aufgrund von bauraumspezifischen Vorgaben weisen Batteriemodule häufig geometrische Formen auf, die dazu führen, dass Batteriezellen des Batteriemoduls, insbesondere in einer Mitte des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen, Wärme schwieriger nach außen abführen können, weil sich mehr thermisch isolierende Luft zwischen Batteriezellverbindern der Batteriezellen und dem Batteriemodul befindet, als beispielsweise an seitlichen Bereichen des Batteriemoduls.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Batteriemodul umfasst:

- ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse eine Temperiervorrichtung zur Temperierung einer Mehrzahl von Batteriezellen des Batteriemoduls aufweist;
- einen Batteriezellhalter zum Aufnahmen der Batteriezellen;
- Batteriezellverbinder zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen;
- thermische Zwischenelemente,

Dadurch können Hotspots, also lokale Übertemperaturen, im Batteriemodul vermieden werden, eine verbesserte Wärmeverteilung innerhalb des Batteriemoduls sowie ein verbesserter Wärmetransfer erreicht werden.
Durch den verbesserten Wärmetransfer kann bei besonders warmen Umgebungsbedingungen ein zusätzlicher schneller Kühlvorgang durch eine vom Batteriemodul getrennte Kühlvorrichtung erreicht werden, die zumindest zeitweise in einem physischen, wärmeleitenden Kontakt mit dem Batteriemodul angeordnet ist und/oder thermische Energie mittels Konvektion vom Batteriemodul zu einer Umgebung des Batteriemoduls transportiert.
Weiter kann durch den verbesserten Wärmetransfer ein zusätzlicher Heizvorgang durch eine vom Batteriemodul getrennte Heizvorrichtung erreicht werden, die zumindest zeitweise in einem physischen, wärmeleitenden Kontakt mit dem Batteriemodul angeordnet ist und/oder thermische Energie mittels Konvektion von der Heizvorrichtung zum Batteriemodul transportiert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Temperiervorrichtung ist mit einem Kühlmittel durchströmbar. Dadurch ist eine besonders effektive Kühlung des Batteriemoduls möglich.
Die Temperiervorrichtung weist Aussparungen auf. Die Aussparungen umfassen Strömungsstrukturen, mittels denen eine turbulente Strömung eines Kühlmittels erreicht wird, wodurch eine Effizienz einer Wärmeabfuhr verbessert wird.
Die thermischen Zwischenelemente umfassen ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum. Durch Verwendung unterschiedlicher Füllmaterialien als thermische Zwischenelemente wird ein Abstand zwischen Batteriezellverbindern und Rippen des Batteriemodulgehäuses weiter verringert, wodurch ein besserer Wärmetransfer erreicht wird.
Die Temperiervorrichtung umfasst ein Wärmerohr Dabei wird unter einem Wärmerohr ein Gefäß verstanden, welches ein gekapseltes Volumen enthält und durchströmbar ist. Weiterhin wird unter einem Wärmerohr wird ein Gefäß verstanden, welches ein hermetisch gekapseltes Volumen enthält, das mit einem Verdampfungsmedium gefüllt ist, welches bei erhöhter Temperatur verdampft und in einem kälteren Bereich des Wärmerohrs wiederum kondensiert. Dies bewirkt einen Wärmetransport innerhalb des Wärmerohrs.
Die thermischen Zwischenelemente sind elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend. Dadurch wird ein Brand bei einem thermischen Durchgehen der Batteriezellen verhindert oder zumindest verzögert.
Das Batteriemodulgehäuse ist mehrteilig, aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, gebildet. Dies gewährleistet eine besonders effektive Entwärmung bzw. Erwärmung des Batteriemoduls.
Mindestens ein Teil des Batteriemodulgehäuses, insbesondere eine Bodenfläche, in wärmeleitendem Kontakt mit der Temperiervorrichtung steht. Dadurch ist eine besonders effektive Kühlung des Batteriemoduls möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls umfasst folgende Schritte:

a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen in einen Batteriezellhalter, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen und dem Batteriezellhalter entsteht;
b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern;
c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder anliegen;
d.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse eine Temperiervorrichtung aufweist, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an der Temperiervorrichtung anliegen;
e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls.

Vorteilhafterweise findet das erfindungsgemäße Batteriemodul Verwendung in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100. Das Batteriemodul 100 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 101 und mit Seitenflächen physikalisch verbundenen Temperiervorrichtungen 120 mit Aussparungen 121. Die Aussparungen 121 werden in der gezeigten Ausführungsformen mittels eingeschraubter Buchsen gebildet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 200. Das Batteriemodul 200 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 201, einen Batteriezellhalter 206 zum Aufnehmen von Batteriezellen 202 und mit Seitenflächen des Batteriemodulgehäuses 201 physikalisch verbundenen Temperiervorrichtungen 220 mit Aussparungen 221.
Die Batteriezellen 202 sind mittels Batteriezellverbindern 205 elektrisch kontaktiert. An den Batteriezellverbindern 205 und der Temperiervorrichtung 220 des Batteriemodulgehäuses 201 liegen thermischen Zwischenelemente 204 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 205 und der Temperiervorrichtung 220 des Batteriemodulgehäuses 201 ausbilden.
Die Temperiervorrichtung 220 umfasst in der gezeigten Ausführungsform ein erstes Wärmerohr 222 und ein zweites Wärmerohr 224, welche mittels einer Verbindung 223 und Anschlusszapfen 242, 243 miteinander physikalisch verbindbar sind. Weiter sind Anschlusszapfen 240, 241 zur Durchströmung der Temperiervorrichtung 220 mit einem Kühlmittel vorgesehen.
Durch die thermischen Zwischenelemente 204 wird Luft zwischen den Batteriezellverbindern 205 und der Temperiervorrichtung 220 vorteilhafterweise überbrückt, die ansonsten die Batteriezellen 202 von einer Umgebung des Batteriemoduls 200 isoliert. Dadurch werden die Batteriezellen 202 bei einer elektrischen Zyklisierung thermisch gleichmäßig belastet, wodurch ein verlängerter Lebenszyklus der Batteriezellen 202 erreicht wird.
Die thermischen Zwischenelemente 204 umfassen in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise ein wärmeleitfähiges Pad und/oder ein wärmeleitfähiges Gel. Das wärmeleitfähige Pad ist elektrisch isolierend und weist eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen den Batteriezellverbindern 205 und der Temperiervorrichtung 220 auf.
Zusätzlich wird das Batteriemodul 200 auf der Vorderseite und/oder Rückseite durch ein Blech 250 mit Sicken zusammengehalten. Über dieses Blech 250 erfolgt eine zusätzliche Wärmeverteilung über eine Verschraubung mit dem Batteriemodulgehäuse 201 und/oder der Temperiervorrichtung 220.
Das Batteriemodulgehäuse 201 ist vorteilhafterweise als Strangpressprofil aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, ausgeführt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 300. Das Batteriemodul 300 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 301 sowie eine Temperiervorrichtung 320 mit Aussparungen 321. Weiter befindet sich ein Anschlusszapfen 340 an der Temperiervorrichtung 320, beispielsweise zur Abfuhr überflüssiger Wärmeenergie, die beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt sein kann. Diese Ausführungsform gewährleistet zum einen eine effektive Entwärmung bzw. Erwärmung des mindestens Batteriezellen des Batteriemoduls 300.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 400. Das Batteriemodul 400 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 401 sowie eine Temperiervorrichtung 420 mit Aussparungen 421 sowie mit elektrische Anschlusspole 460.
Zusätzlich wird das Batteriemodul 400 auf der Vorderseite und/oder Rückseite durch ein Blech 450 mit Sicken zusammengehalten. Über dieses Blech 450 erfolgt eine zusätzliche Wärmeverteilung über eine Verschraubung mit dem der Temperiervorrichtung 420.
Weiter befinden sich ein Anschlusszapfen 440, 441 an der Temperiervorrichtung 420, beispielsweise zur Abfuhr überflüssiger Wärmeenergie, die beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt sein kann. Diese Ausführungsform gewährleistet zum einen eine effektive Entwärmung bzw. Erwärmung des mindestens Batteriezellen des Batteriemoduls 400.
In einer weiteren Ausführungsform können mehrere Batteriemodule 400 über die Anschlusszapfen 440, 441 miteinander verbunden werden. Durch die modulare Ausführung kann für eine Mehrzahl von Batteriemodulen 400 ein Kühlkreislauf gebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015214585 A1 [0002]
JP 2013080625 A [0003]

Claims

Batteriemodul (100, 200, 300, 400) umfassend: - ein Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401) eine Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) zur Temperierung einer Mehrzahl von Batteriezellen (202) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) aufweist; - einen Batteriezellhalter (206) zum Aufnahmen der Batteriezellen (202); - Batteriezellverbinder (205) zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen (202); - thermische Zwischenelemente (204), wobei die thermischen Zwischenelemente (204) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder (205) und an der Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401) anliegen, wobei die thermischen Zwischenelemente (204) thermische Brücken zwischen den Batteriezellverbindern (205) und der Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401) ausbilden.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei die Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) mit einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) Aussparungen (121, 221, 321, 421) aufweist.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (204) ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum umfassen.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) ein Wärmerohr (222, 224) umfasst.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (204) elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend sind.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401) mehrteilig, aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401), insbesondere eine Bodenfläche, in wärmeleitendem Kontakt mit der Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) steht.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend folgende Schritte: a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen (202) in einen Batteriezellhalter (206), wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen (202) und dem Batteriezellhalter (206) entsteht; b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen (202) mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern (205); c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen (204), wodurch die thermischen Zwischenelemente (204) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder (205) anliegen; d.) Einsetzen des Batteriezellhalters (206) in ein Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401) eine Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) aufweist, wodurch die thermischen Zwischenelemente (204) jeweils zumindest teilweise an der Temperiervorrichtung (120, 220, 320, 420) anliegen; e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder (205) mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400).
Verwendung eines Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.