DE102021127296B4

DE102021127296B4 - Modul für eine Hochvoltbatterie, Verwendung und Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102021127296B4
Application number: DE102021127296.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Wuchner; Thomas Warbeck; Tim Schmidt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2041-10-22
Also published as: DE102021127296A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Modul (20) für eine Hochvoltbatterie mit den folgenden Merkmalen bereit: nebeneinander angeordnete Batteriezellen (10), eine stirnseitig von den Batteriezellen (10) angeordnete Kühlplatte (21), zwischen den Batteriezellen (10) angeordnete Abstandshalter (22) und ein die Batteriezellen (10) und Abstandshalter (22) vollständig bedeckendes Kältemittel (23).Die Erfindung stellt ferner Verfahren zu dessen Verwendung und Herstellung sowie eine entsprechende Hochvoltbatterie bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für eine Hochvoltbatterie. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus dessen Verwendung und Herstellung sowie eine entsprechende Hochvoltbatterie.
Stand der Technik
Einzelzellen von Lithiumionen-Akkumulatoren werden nach dem Stand der Technik üblicherweise mit prismatischem Gehäuse konfektioniert, in zylindrischer Bauform oder als sogenannte Pouch- oder Coffee-Bag-Zellen ausgeführt.
Jede der genannten Bauformen weist hierbei spezifische Vor- und Nachteile auf: Während sich Pouch-Zellen etwa durch einfachen Aufbau, praktische Verschaltung mittels außenliegender Anschlusszungen oder -laschen (tabs) sowie ihre Energiedichte auszeichnen, steht der angesichts ihrer Länge hohe Innenwiderstand einer schnellen Aufladung entgegen. Bei der alternativen Verwendung von Rundzellen ließe sich der Widerstand mittels durchgängiger Anschlüsse (continuous tabbing) zwar verringern, indes nur unter Inkaufnahme einer suboptimalen Raumausnutzung. Die Formstabilität prismatischer Zellen schließlich erweist sich als vorteilhaft für deren geometrische Integration; diesem Vorzug stehen jedoch auch hier Nachteile bezüglich Raumausbeute, Gewicht und elektrischem Widerstand vor allem im Bereich der Anschlusselemente (terminals) gegenüber. Zudem gilt eine beidseitige Kühlung bei herkömmlichen Zellen dieser Bauart als kaum umsetzbar.
Bekannt sind Batterien mit einem Batteriegehäuse und einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen einer der oben beschriebenen Gattungen. Die Batteriezellen erwärmen sich im Betrieb und müssen gekühlt werden.
DE 10 2019 208 769 A1 , DE 10 2018 133 006 A1 und EP 3 223 338 A1 offenbaren jeweils eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und Immersionskühlung.
DE 10 2019 115 730 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem Kraftstofftank und mehreren Batteriezellen, die im Kraftstoff immersionsgekühlt werden.
US 2018 / 0 145 382 A1 zeigt ein mit einer stirnseitigen Kühlplatte gekühltes Batteriepack für Fahrzeuge und befasst sich mit dessen Wärmemanagement durch ein Kühlmittel, dessen Menge eingestellt werden kann.
DE 10 2012 212 451 A1 offenbart ein hermetisch geschlossenes Modul für eine Hochvoltbatterie mit prismatischen Batteriezellen, welche jeweils ein das Zellinnere umgebendes Zellgehäuse aufweisen, einem mit den Batteriezellen in Kontakt stehenden, elektrisch nichtleitenden Kältemittel und einem zwischen den Wickeln einer Batteriezelle verlaufenden Wärmerohr, dessen Innenwandung von Kapillaren durchzogen wird.
DE 10 2010 041 285 A1 zeigt eine Batterie mit verbesserter Wärmeabfuhr durch Nutzung des Kapillareffekts.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Modul für eine Hochvoltbatterie, Verfahren zu dessen Verwendung und Herstellung sowie eine entsprechende Hochvoltbatterie gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt im einfachen Aufbau eines erfindungsgemäßen Modules, welches im Gegensatz zu bekannten Immersionskühlkonzepten keine externen Komponenten erfordert.
Nach der Erfindung wird, statt zusätzliche Schichten zwischen den Zellen zu integrieren, eine Kapillarstruktur direkt bei der Zellproduktion aufgebracht und in das Zellgehäuse integriert. Bei einfacher Montage kann eine solche Batteriezelle in Zweiphasenkühlsystemen zur Erhöhung des Wärmeübergangs an das Kühlmedium zur Anwendung kommen.
Dazu ist der Einsatz eines zweiphasigen Kältemittels vorgesehen, durch dessen Verdampfung an den unterhalb der Kühlplatte betriebenen Batteriezellen sich Gasblasen bilden, welche innerhalb des Modules aufsteigen und an der Kühlplatte kondensieren. Diese Verdampfung an den Zellen erhöht den Wärmeübergang zusätzlich.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit integrierter Kapillarstruktur.
2 zeigt die erfindungsgemäße Immersionskühlung innerhalb eines Zellmoduls.

Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert die prismatische oder runde Batteriezelle (10) einer Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie. Die dargestellte Batteriezelle (10) weist ein ihr Zellinneres (11) umgebendes, von Kapillaren durchzogenes Zellgehäuse (12) auf.
2 beleuchtet den Einsatz einer solchen Batteriezelle (10) innerhalb einer modularen Hochvolt-Traktionsbatterie, wie sie in einem Sportwagen zum Einsatz kommen mag. Acht Batteriezellen (10) wurden hier nebeneinander im dargestellten Modul (20) montiert und letzteres bis zum markierten Stand knapp unterhalb der Kühlplatte (21) mit zweiphasigem Kältemittel (23) befüllt, sodass dieses die Batteriezellen (10) vollständig bedeckt und die Kapillaren füllt. Das Modul (20) wurde schließlich abgedichtet, um das Austreten von Kältemittel (23) zu verhindern.
Wie die Zeichnung erkennen lässt, können die Zellgehäuse (12 - 1) in dieser Anordnung zugleich als Abstandshalter (22) zwischen je zwei benachbarten Batteriezellen (10) dienen. Werden die Batteriezellen (10) bestimmungs- und abbildungsgemäß unterhalb der Kühlplatte (21) betrieben, so bilden sich durch Verdampfung des Kältemittels (23) Gasblasen, die innerhalb des Modules (20) aufsteigen, bis sie an der Kühlplatte (21) kondensieren. Das herabtropfende Kältemittel (23) wird schließlich von den Kapillaren aufgenommen und so erneut den Batteriezellen (10) zugeführt.
Als Kältemittel (23) kommt eine elektrisch nichtleitende, nicht brennbare oder entflammbare Hightech-Flüssigkeit von geringer Viskosität zur Anwendung. Ein Kältemittel (23) dieser Gattung auf der Grundlage von Methoxyheptafluorpropan wird von 3M unter dem Handelsnamen Novec 7000 vertrieben.

Claims

Hermetisch geschlossenes Modul (20) für eine Hochvoltbatterie, mit folgenden Merkmalen: - das Modul (20) umfasst prismatische Batteriezellen (10), welche jeweils ein das Zellinnere (11) umgebendes Zellgehäuse (12) aufweisen, ein mit den Batteriezellen (10) in Kontakt stehendes, elektrisch nichtleitendes Kältemittel (23) und eine stirnseitig von den Batteriezellen (10) angeordnete Kühlplatte (21), - die Batteriezellen (10) sind nebeneinander angeordnet, - die Zellgehäuse (12) bilden zwischen den Batteriezellen (10) angeordnete Abstandshalter (22) und sind von Kapillaren durchzogen und - das Kältemittel (23) ist zweiphasig, enthält Methoxyheptafluorpropan, füllt die Kapillaren und bedeckt die Batteriezellen (10) und Abstandshalter (22) vollständig.
Hochvoltbatterie, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Hochvoltbatterie umfasst Module (20) nach Anspruch 1.
Verwendung eines Modules (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Batteriezellen (10) werden unterhalb der Kühlplatte (21) betrieben, - durch Verdampfung des Kältemittels (23) an den Batteriezellen (10) bilden sich Gasblasen, - die Gasblasen steigen innerhalb des Modules (20) auf und - die Kühlplatte (21) kondensiert die Gasblasen.
Herstellung eines Modules (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - während die Batteriezellen (10) produziert werden, werden die Kapillaren in das jeweilige Zellgehäuse (12) eingebracht, - die Batteriezellen (10) werden nebeneinander im Modul (20) montiert, - das Modul (20) wird mit dem Kältemittel (23) befüllt, bis dieses die Batteriezellen (10) vollständig bedeckt und - das Modul (20) wird abgedichtet.