DE102021106200A1 - Kühleinrichtung mit einem Kühlkörper und Zwischenkühlelementen, elektrischer Energiespeicher sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Kühleinrichtung mit einem Kühlkörper und Zwischenkühlelementen, elektrischer Energiespeicher sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (15) für einen elektrischen Energiespeicher (1), mit einem Kühlkörper (16) zum Anordnen an einer Seite eines aus Energiespeicherzellen (3) des elektrischen Energiespeichers (1) gebildeten Zellverbunds (2) und zum Kühlen der Energiespeicherzellen (3), wobei der Kühlkörper (16) Öffnungen (19) zum fluchtenden Anordnen zu Entgasungselementen (18) der Energiespeicherzellen (3) aufweist, wobei die Öffnungen (19) einen Entgasungskanal für ein über die Entgasungselemente (18) entweichendes Heißgas der Energiespeicherzellen (3) ausbilden, wobei die Kühleinrichtung (15) zum Kompensieren eines aus den Öffnungen (19) des Kühlkörpers (16) resultierenden Kühlflächenverlustes Zwischenkühlelemente (23) zum Anordnen in Freiräumen des Zellverbundes (2) zwischen den Energiespeicherzellen (3) aufweist, welche an dem Kühlkörper (16) angeordnet sind und welche dazu ausgelegt sind, eine Abwärme der Energiespeicherzellen (3) an den Kühlkörper (16) abzuführen. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, mit einem Kühlkörper zum Anordnen an einer Seite eines aus Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers gebildeten Zellverbunds und zum Kühlen der Energiespeicherzellen. Der Kühlkörper weist Öffnungen zum fluchtenden Anordnen zu Entgasungselementen der Energiespeicherzellen auf, wobei die Öffnungen einen Entgasungskanal für ein über die Entgasungselemente entweichendes Heißgas der Energiespeicherzellen ausbilden. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise einen Zellverbund aus mehreren, miteinander verschalteten Energiespeicherzellen auf. Zum Kühlen der Energiespeicherzellen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Kühlkörper an einer Seite des Zellverbunds anzuordnen. Zudem weisen die Energiespeicherzellen üblicherweise Entgasungselemente auf, über welche ein im Fehlerfall in einem Zellgehäuse einer Energiespeicherzelle entstehendes Heißgas aus dem Zellgehäuse entweichen kann. Im Falle, dass der Kühlkörper an der Seite des Zellverbunds angeordnet ist, an welcher sich die Entgasungselemente befinden, kann dieser, wie in der DE 10 2017 219 176 A1 offenbart, Öffnungen aufweisen, welche fluchtend zu den Entgasungselementen angeordnet sind. Diese Öffnungen bilden jeweilige Entgasungskanäle aus, über welche das Heißgas der jeweiligen Energiespeicherzelle entweichen kann. Durch diese Öffnungen ergibt sich jedoch der Nachteil, dass eine Kühlfläche des Kühlkörpers reduziert wird.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Kühlung für Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
  • Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher weist einen Kühlkörper zum Anordnen an einer Seite eines aus Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers gebildeten Zellverbunds zum Kühlen der Energiespeicherzellen auf. Der Kühlkörper weist Öffnungen zum fluchtenden Anordnen zu Entgasungselementen der Energiespeicherzellen auf, wobei die Öffnungen einen Entgasungskanal für ein über die Entgasungselemente entweichendes Heißgas der Energiespeicherzellen ausbilden. Darüber hinaus weist die Kühleinrichtung zum Kompensieren eines aus den Öffnungen des Kühlkörpers resultierenden Kühlflächenverlustes Zwischenkühlelemente zum Anordnen in Freiräumen des Zellverbundes zwischen den Energiespeicherzellen auf. Die Zwischenkühlelemente sind an dem Kühlkörper angeordnet und dazu ausgelegt, eine Abwärme der Energiespeicherzellen an den Kühlkörper abzugeben.
  • Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrischer Energiespeicher mit zumindest einem Zellverbund aus Energiespeicherzellen und einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, wobei der Kühlkörper an einer die Entgasungselemente aufweisenden Seite des Zellverbunds angeordnet ist und wobei die Zwischenkühlelemente in Freiräumen zwischen den Energiespeicherzellen angeordnet sind und sich zumindest teilweise entlang von Zellgehäuseseitenwänden der Energiespeicherzellen erstrecken. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise eine wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. ein Traktionsakkumulator sein, welche bzw. welcher als ein Hochvoltenergiespeicher ausgebildet sein kann. Der elektrische Energiespeicher weist außerdem ein Speichergehäuse auf, in welchem der zumindest eine Zellverbund angeordnet ist. Die Energiespeicherzellen können beispielsweise als prismatische Energiespeicherzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Energiespeicherzellen als Rundzellen ausgebildet. Die Energiespeicherzellen weisen dabei ein Zellgehäuse mit einem Entgasungselement, beispielsweise einer Berstmembran, auf, über welches ein im Fehlerfall in dem Zellgehäuse entstehendes Heißgas entweichen kann. Die Zellgehäuse weisen einen Zellgehäuseboden, einen Zellgehäusedeckel und die Zellgehäuseseitenwände auf. Im Falle einer Rundzelle sind die Zellgehäuseböden und die Zellgehäusedeckel kreisförmig ausgebildet und die Zellgehäuseseitenwände sind als zylinderförmige Mantelflächen ausgebildet. Bevorzugt sind die Entgasungselemente in den Zellgehäuseböden ausgebildet und somit an einer Unterseite des Zellverbunds angeordnet.
  • Zum Abführen der Abwärme der Energiespeicherzellen weist die Kühleinrichtung den Kühlkörper auf, welcher insbesondere als ein von Kühlmittel durchströmbarer Kühlkörper ausgebildet ist. Der Kühlkörper ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und an der Unterseite des Zellverbunds, an welcher die Entgasungselemente der Energiespeicherzellen angeordnet sind, und somit an den Zellgehäuseböden angeordnet. Anders ausgedrückt sind die Energiespeicherzellen stehend auf dem Kühlkörper angeordnet. Dadurch, dass die Entgasungselemente der Energiespeicherzellen kühlkörperseitig angeordnet sind, weist der Kühlkörper die Öffnungen bzw. Löcher auf, welche an den Entgasungselementen angeordnet sind. Diese Öffnungen bilden die Entgasungskanäle aus.
  • Durch diese Öffnungen werden jedoch die von dem Kühlkörper bereitgestellte Kühlfläche und damit eine von dem Kühlkörper bereitgestellte Kühleffizienz reduziert. Um diesen Kühlflächenverlust zu kompensieren, weist die Kühleinrichtung die Zwischenkühlelemente auf, welche sich zwischen den Energiespeicherzellen erstrecken und zumindest teilweise entlang der Zellgehäuseseitenwände angeordnet sind. Die Zwischenkühlelemente ermöglichen einen Wärmeübergang zwischen den Zellgehäuseseitenwänden zu dem Kühlkörper, mit welchem die Zwischenkühlelemente thermisch gekoppelt sind. Beispielsweise können die Zwischenkühlelemente als von einer Oberfläche des Kühlkörpers abstehende metallische Stege oder Kühlfinnen ausgebildet sein. Die Zwischenkühlelemente können einteilig mit dem Kühlkörper ausgebildet sein oder mechanisch und thermisch mit dem Kühlkörper verbunden sein. Die Zwischenkühlelemente können in die Freiräume, welche bei Rundzellen aufgrund ihrer Zylinderform zwischen den Rundzellen gebildet sind, hineinragen. Die Zwischenkühlelemente erstrecken sich dabei insbesondere nur über einen Teil einer Höhe der Energiespeicherzellen.
  • Eine solche Kühleinrichtung mit einem Kühlkörper, in welchem Entgasungskanäle ausgebildet sind, und mit Zwischenkühlelementen ermöglicht eine zuverlässige Ableitung von Heißgas von dem Zellverbund sowie eine gute Kühleffizienz.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlkörper ein doppelwandiges Speichergehäuseunterteil des Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers ist. Das Speichergehäuse weist das Speichergehäuseunterteil bzw. einen Speichergehäuseboden und ein Speichergehäuseoberteil bzw. einen Speichergehäusedeckel auf. Das Speichergehäuseunterteil und das Speichergehäuseoberteil können zum Abschließen eines Gehäuseinnenraums, in welchem der zumindest eine Zellverbund angeordnet ist, mechanisch verbunden sein. Der Kühlkörper ist dabei durch das doppelwandige Speichergehäuseunterteil ausgebildet, in welcher die Öffnungen ausgebildet sind. Das Speichergehäuseunterteil kann beispielsweise an einen Kühlmittel führenden Kühlkreis des Kraftfahrzeugs angebunden sein. Durch das Ausbilden des Speichergehäuseunterteils als Kühlkörper ist die Kühleinrichtung besonders platzsparend ausgebildet. Außerdem kann durch die Entgasungskanäle in dem Speichergehäuseunterteil das Heißgas einer entgasenden Energiespeicherzelle aus dem Speichergehäuse in eine Umgebung des Energiespeichers abgeleitet werden.
  • Bevorzugt weist die Kühleinrichtung Verschlusselemente auf, welche die Öffnungen in dem Kühlkörper bei Abwesenheit des Heißgases bedecken und welche dazu ausgelegt sind, bei Anwesenheit des Heißgases zum Freigeben des Entgasungskanals zu versagen. Die Verschlusselemente sind besonders vorteilhaft, falls der Kühlkörper durch das Speichergehäuseunterteil ausgebildet ist. Durch die Verschlusselemente kann gewährleistet werden, dass das Speichergehäuse bei Abwesenheit des Heißgases nach außen hin abgedichtet ist. Die Verschlusselemente sind insbesondere an einer der Umgebung zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet. Die Verschlusselemente sind beispielsweise als Berstmembranen oder Sollbruchstellen durch Materialschwächung in einer Oberfläche des Kühlkörpers ausgebildet. Insbesondere sind die Verschlusselemente durch eine Isolationsschicht ausgebildet, mit welcher der beispielsweise metallische Kühlkörper zum elektrischen Isolieren von den metallischen Zellgehäusen beschichtet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Zwischenkühlelemente als von einer Oberfläche des Kühlkörpers abstehende wärmeleitfähige Stege ausgebildet, welche dazu ausgelegt sind, die Zellgehäuseseitenwände zum Aufnehmen der Abwärme und zum Aufnehmen von auf den elektrischen Energiespeicher einwirkenden Kräften, beispielsweise infolge eines Unfalls, zumindest teilweise zu umschließen. Die Zwischenkühlelemente dienen somit zusätzlicher der Stabilitätserhöhung des elektrischen Energiespeichers. Die Zwischenkühlelemente können beispielsweise eine Aufnahme für die Energiespeicherzellen bilden und die Zellgehäuse der Energiespeicherzellen entlang eines Außenumfangs der Zellgehäuse vollständig umgeben.
  • Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in Form von einem Personenkraftwagen ausgebildet.
  • Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 1.
  • Der elektrische Energiespeicher 1 weist einen Zellverbund 2 aus miteinander verschalteten Energiespeicherzellen 3 auf. Die Energiespeicherzellen 3 können beispielsweise als Rundzellen ausgebildet sein. Die Energiespeicherzellen 3 weisen ein Zellgehäuse 4 mit einem Zellgehäuseboden 5, Zellgehäuseseitenwänden 6 und einem Zellgehäusedeckel 7 auf. Am Zellgehäusedeckel 7 sind Zellterminals 8, 9 ausgebildet, über welche die Energiespeicherzellen 3 mittels hier nicht gezeigter Zellverbinder verschaltet werden können. Im Inneren des Zellgehäuses 4 ist ein galvanisches Element 10 der Energiespeicherzelle 3 angeordnet. Der Zellverbund 2 ist in einem Gehäuseinnenraum 11 eines Speichergehäuses 12 des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet. Das Speichergehäuse 12 weist dabei ein Speichergehäuseoberteil 13 und ein Speichergehäuseunterteil 14 auf, welche zum Abschließen des Gehäuseinnenraums 11 mechanisch miteinander verbunden sind. Das Speichergehäuse 12 ist insbesondere aus einem Metall, beispielsweise Stahl, ausgebildet.
  • Zum Kühlen der Energiespeicherzellen 3 im Betrieb des elektrischen Energiespeichers 1 weist der elektrische Energiespeicher 1 eine Kühleinrichtung 15 auf. Die Kühleinrichtung 15 weist einen Kühlkörper 16 auf. Der Kühlkörper 16 ist hier an einer durch die Zellgehäuseböden 5 gebildeten Unterseite des Zellverbunds 2 angeordnet und kühlt die Energiespeicherzellen 3 somit von unten. Der Kühlkörper 16 ist hier durch das Speichergehäuseunterteil 14 ausgebildet, welches dazu doppelwandig ausgebildet ist und somit einen Zwischenraum 17 zum Führen eines strömenden Kühlmittels umfasst. Der Zwischenraum 17 kann an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden, in welchem das Kühlmittel zirkuliert.
  • Die Zellgehäuse 4 weisen Entgasungselemente 18 auf, welche hier in den Zellgehäuseböden 5 angeordnet sind und über welche, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, ein in dem Zellgehäuse 4 entstehendes Heißgas aus dem Zellgehäuse 4 entweichen kann. Da jedoch an den Zellgehäuseböden 5 der Kühlkörper 16 angeordnet ist, weist dieser Öffnungen 19 auf, welche einen durch den Kühlkörper 16 hindurchführenden Entgasungskanal für das Heißgas ausbilden. Da der Kühlkörper 16 durch das Speichergehäuseunterteil 14 gebildet ist, kann das Heißgas durch den Entgasungskanal in eine Umgebung 20 des elektrischen Energiespeichers 1 entweichen. Zur Umgebung 20 hin sind die Öffnungen 19 mit Verschlusselementen 21 bedeckt, um den Gehäuseinnenraum 11 bei Abwesenheit des Heißgases abzudichten. Die Verschlusselemente 21 können den Entgasungskanal bei Anwesenheit des Heißgases zum Zulassen eines Druckausgleiches zwischen Gehäuseinnenraum 11 und Umgebung 20 freigeben. Die Verschlusselemente 21 können beispielsweise als ein bei Zellüberdruck ausweichender Verguss, als eine Materialschwächung des Speichergehäuseunterteils 14, als Membran oder als eine Kombination davon ausgeführt sein. Dabei kann die Membran auch durch eine elektrische Isolationsschicht 22 ausgebildet werden, welche eine dem Zellverbund 2 zugewandte Oberseite des Kühlkörpers 16 bzw. des Speichergehäuseunterteils 14 sowie eine Innenseite der Entgasungskanäle bedeckt und welche die Zellgehäuse 4 von dem Kühlkörper 16 bzw. dem Speichergehäuseunterteil 14 elektrisch trennt.
  • Durch die Öffnungen 19 wird eine von dem Kühlkörper 16 bereitgestellte Kühlfläche reduziert. Daher weist die Kühleinrichtung 15 Zwischenkühlelemente 23 auf, welche zwischen den Energiespeicherzellen 3 angeordnet sind und. Die Zwischenkühlelemente erstrecken sich entlang der Zellgehäuseseitenwände 6 über einen Teil der Zellgehäusehöhe und umschließen die Zellgehäuseseitenwände 6 zumindest teilweise. Die Zwischenkühlelemente 23 sind hier als wärmeleitende Stege 24 aus einem Metall ausgebildet. Die Stege 24 sind gut wärmeleitend formschlüssig oder metallurgisch mit dem Kühlkörper 16 verbunden. Diese Zwischenkühlelemente 23 erhöhen einen Wärmeübergang zwischen den Energiespeicherzellen 3 und dem Kühlkörper 16 und (über)kompensieren den Kühlflächenverlust. In einer bevorzugten Ausprägung bilden die wärmeleitenden Stege 24 eine direkt anschließende Verlängerung eines Rahmens 25 für die Energiespeicherzellen 3, welcher die Energiespeicherzellen 3 bereichsweise umgibt mit welchem die Energiespeicherzellen 3 verbunden, beispielsweise verklebt, sein können. Der Rahmen 25 kann mit dem Speichergehäuse 12 verbunden, beispielsweise verklebt, sein. Die Stege 24 tragen somit zur Aufnahme von auf den Zellverbund 2 wirkenden Kräften bei. In einer besonders bevorzugten Ausprägung ist ein Übergang 26 zwischen dem Rahmen 25 und den wärmeleitenden Stegen 24 gewellt oder gezackt ausgeführt, um die örtlichen Amplituden seitlich wirkender Kräfte zu vergleichmäßigen.
  • 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
    • DE 102017219176 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Kühleinrichtung (15) für einen elektrischen Energiespeicher (1), mit einem Kühlkörper (16) zum Anordnen an einer Seite eines aus Energiespeicherzellen (3) des elektrischen Energiespeichers (1) gebildeten Zellverbunds (2) und zum Kühlen der Energiespeicherzellen (3), wobei der Kühlkörper (16) Öffnungen (19) zum fluchtenden Anordnen zu Entgasungselementen (18) der Energiespeicherzellen (3) aufweist, wobei die Öffnungen (19) einen Entgasungskanal für ein über die Entgasungselemente (18) entweichendes Heißgas der Energiespeicherzellen (3) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (15) zum Kompensieren eines aus den Öffnungen (19) des Kühlkörpers (16) resultierenden Kühlflächenverlustes Zwischenkühlelemente (23) zum Anordnen in Freiräumen des Zellverbundes (2) zwischen den Energiespeicherzellen (3) aufweist, welche an dem Kühlkörper (16) angeordnet sind und welche dazu ausgelegt sind, eine Abwärme der Energiespeicherzellen (3) an den Kühlkörper (16) abzuführen.
  2. Kühleinrichtung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (16) ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlkörper (16) ist.
  3. Kühleinrichtung (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von Kühlmittel durchströmbare Kühlkörper (16) ein doppelwandiges Speichergehäuseunterteil (14) eines Speichergehäuses (12) des elektrischen Energiespeichers (1) ist.
  4. Kühleinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (15) Verschlusselemente (21) aufweist, welche die Öffnungen (19) in dem Kühlkörper (16) bei Abwesenheit des Heißgases bedecken und welche dazu ausgelegt sind, bei Anwesenheit des Heißgases zum Freigeben des jeweiligen Entgasungskanals zu versagen.
  5. Kühleinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkühlelemente (21) als von einer Oberfläche des Kühlkörpers (16) abstehende wärmeleitfähige Stege (24) ausgebildet sind, welche dazu ausgelegt sind, die Zellgehäuseseitenwände (6) zum Aufnehmen der Abwärme und zum Aufnehmen von auf den elektrischen Energiespeicher (1) einwirkenden Kräften zumindest teilweise zu umschließen.
  6. Elektrischer Energiespeicher (1) mit zumindest einem Zellverbund (2) aus Energiespeicherzellen (3) und einer Kühleinrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (16) an einer die Entgasungselemente (18) aufweisenden Seite des zumindest einen Zellverbunds (2) angeordnet ist und die Zwischenkühlelemente (23) in Freiräumen zwischen den Energiespeicherzellen (3) angeordnet sind und sich zumindest teilweise entlang von Zellgehäuseseitenwänden (6) der Energiespeicherzellen (3) erstrecken.
  7. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungselemente (18) an einer, durch Zellgehäuseböden (5) der Energiespeicherzellen (3) gebildeten Unterseite des zumindest einen Zellverbunds (2) ausgebildet sind und der Kühlkörper (16) an der Unterseite des zumindest einen Zellverbunds (2) angeordnet ist.
  8. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (3) als Rundzellen ausgebildet sind.
  9. Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
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