DE102021130446A1 - Traction battery, its use and motor vehicle with such a battery - Google Patents

Traction battery, its use and motor vehicle with such a battery Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Traktionsbatterie (10) umfasst Batteriezellen (11) mit jeweils sechs Seiten; und die Traktionsbatterie (10) ist dazu eingerichtet, die Batteriezellen (11) jeweils von fünf der sechs Seiten zu kühlen.The invention provides a traction battery for a motor vehicle with the following features: The traction battery (10) comprises battery cells (11), each with six sides; and the traction battery (10) is set up to cool the battery cells (11) from five of the six sides.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus deren Verwendung und ein entsprechendes Kraftfahrzeug.The present invention relates to a traction battery for a motor vehicle. The present invention also relates to their use and a corresponding motor vehicle.

Als Antriebsbatterie, Hochvoltspeicher, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie wird in der Antriebstechnik jedweder mobile elektrische Energiespeicher verstanden, der zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dient und die Elektromotoren von Elektrofahrzeugen mit Energie versorgt. Traktionsbatterien nach dem Stand der Technik bestehen aus bis zu mehreren tausend parallel und seriell verschalteten Batteriezellen.In drive technology, a drive battery, high-voltage battery, traction battery or cycle battery is any mobile electrical energy storage device that is used to drive electric vehicles and supplies the electric motors of electric vehicles with energy. State-of-the-art traction batteries consist of up to several thousand battery cells connected in parallel and in series.

Bei Elektroautos sind für den elektrischen Antriebsstrang 400-Volt-Systeme vorherrschend; vereinzelt werden 800-V-Architekturen bei gehobenen oder sportlichen Fahrzeugen wie dem Porsche Taycan oder Audi e-tron GT eingesetzt. Um die bei derlei hohen Spannungen durch Ladeverluste entstehende Verlustwärme aus dem Fahrzeug abzuführen, ist ein Kühlsystem erforderlich.In electric cars, 400-volt systems are predominant for the electric drive train; 800 V architectures are occasionally used in upscale or sporty vehicles such as the Porsche Taycan or Audi e-tron GT. A cooling system is required to dissipate the heat loss from the vehicle due to charging losses at such high voltages.

Bei der direkten Kühlung der Batterie, insbesondere der Ölkühlung, entspricht es dem Stand der Technik, jede Zelle auf zwei links- und rechtsseitig zugänglichen Flächen und zusätzlich an Ober- und Unterseite, also von insgesamt vier Seiten zu kühlen.With the direct cooling of the battery, in particular the oil cooling, it corresponds to the state of the art to cool each cell on two surfaces accessible on the left and right and additionally on the top and bottom, i.e. from a total of four sides.

US20210098760A1 offenbart eine Batterie mit einem Zellstapel, in dessen Zwischenräumen abwechselnd Kompressionskissen und Kühlelemente angeordnet sind. US20210098760A1 discloses a battery with a cell stack in the interstices of which compression pads and cooling elements are arranged alternately.

DE102017112366A1 lehrt, die Kühlkanäle eines Batteriemoduls plattenförmig zwischen benachbarten Batteriezellen auszubilden, wobei jeweils zwei Zellen mit einer ihrer beiden Außenflächen aneinander anliegen und die andere Außenfläche an einem Kühlkanal angeordnet ist. Die Breite jedes Kanals beträgt 1,3 mm. DE102017112366A1 teaches forming the cooling ducts of a battery module in the form of plates between adjacent battery cells, with two cells in each case bearing against one another with one of their two outer surfaces and the other outer surface being arranged on a cooling duct. The width of each channel is 1.3mm.

Die Erfindung stellt ein Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zu deren Verwendung und ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a traction battery for a motor vehicle, a method for its use and a corresponding motor vehicle according to the independent claims.

Der vorgeschlagene Ansatz trägt dem Umstand Rechnung, dass die zusätzliche Kühlung mehrerer Zellen an Vorder- und Rückseite die Anbringung von Kühlelementen an sechs Seiten jeder Batteriezelle und somit einen vergleichsweise komplexen Aufbau bedingt. 1 verdeutlicht diese Problematik.The proposed approach takes into account the fact that the additional cooling of several cells on the front and rear requires the attachment of cooling elements on six sides of each battery cell and thus a comparatively complex structure. 1 illustrates this problem.

Die Erfindung fußt daher auf dem Grundgedanken, die Kühlung auf einer Seite der Batteriezelle entfallen zu lassen, sodass bei der Aneinanderreihung mehrerer prismatischer und insbesondere quaderförmiger Batteriezellen nicht zwischen jedem Paar benachbarter Zellen ein Kühlelement integriert zu werden braucht.The invention is therefore based on the basic idea of eliminating the cooling on one side of the battery cell, so that when several prismatic and in particular cuboid battery cells are lined up in a row, a cooling element does not have to be integrated between each pair of adjacent cells.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt im vereinfachten Aufbau der resultierenden Batterie.An advantage of this solution lies in the simplified structure of the resulting battery.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann sie vorteilhaft im Rahmen eines Zellstapels (stack) eingesetzt werden, dessen Materialeinsatzkosten (MEK) sie durch den Wegfall der Hälfte der zwischen den Zellen angeordneten Kühlelementen senkt.Further developments of the invention are specified in the dependent patent claims. It can thus be used advantageously in the context of a cell stack (stack) whose material usage costs (MEK) are reduced by eliminating half of the cooling elements arranged between the cells.

Ferner kann eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie neben den besagten Kühlelementen zum Kühlen der Batteriezellen auch getrennt von den Kühlelementen ausgebildete Druckkissen (compression pads) zur Polsterung der Zellen innerhalb des Gehäuses umfassen. Diese Funktionstrennung verleiht den Elementen einen - im Vergleich zu einer integrierten Ausführung - einfachen Aufbau.In addition to the said cooling elements for cooling the battery cells, a traction battery according to the invention can also include pressure pads (compression pads) formed separately from the cooling elements for cushioning the cells within the housing. This separation of functions gives the elements a simple structure compared to an integrated design.

Vorzüge bietet die Verwendung der vorgeschlagenen Konstruktion schließlich im Rahmen einer Öl- oder anderweitigen Flüssigkeitskühlung. Dickere Kühlelemente setzen dem Kühlmittel hier einen geringeren Strömungswiderstand entgegen. Der auf diesem Wege erhöhte Volumenstrom des Kühlmittels gleicht zumindest teilweise etwaige Nachteile aus, die sich für das Thermomanagement einer Zelle durch den Verzicht auf die Kühlung von einer ihrer Seiten ergeben mögen.Finally, the use of the proposed design offers advantages in the context of oil or other liquid cooling. Thicker cooling elements offer less flow resistance to the coolant. The volume flow of the coolant that is increased in this way at least partially compensates for any disadvantages that may arise for the thermal management of a cell by not cooling one of its sides.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt eine quaderförmige Lithium-Ionen-Batteriezelle nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine erste Variante der Erfindung.
  • 3 zeigt eine zweite Variante der Erfindung.
  • 4 zeigt den sich ergebenden Druckverlust von Öl bei einer Temperatur von 35 °C.
  • 5 zeigt den sich ergebenden thermischen Widerstand ölgekühlter Batteriemodule.
An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
  • 1 shows a cuboid lithium-ion battery cell according to the prior art.
  • 2 shows a first variant of the invention.
  • 3 shows a second variant of the invention.
  • 4 shows the resulting pressure loss of oil at a temperature of 35 °C.
  • 5 shows the resulting thermal resistance of oil-cooled battery modules.

2 illustriert eine Traktionsbatterie (10) mit quaderförmigen Batteriezellen (11). Innerhalb des in der Abbildung lediglich auf der linken Seite angedeuteten Gehäuses (14) bilden die Batteriezellen (11) einen Stapel, der sich nach rechts beliebig fortsetzen mag. 2 illustrates a traction battery (10) with cuboid battery cells (11). The battery cells (11) form a stack within the housing (14), which is only indicated on the left-hand side in the figure, which may continue as desired to the right.

Die zur Kühlung der Batteriezellen (11) vorgesehenen Kühlelemente (12) sind - hier wie im Folgenden - aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht auf sämtlichen Seiten (1-6) jeder Batteriezelle (11) dargestellt; vielmehr werden deren gekühlte Flächen abbildungsgemäß durch das Symbol eines Eiskristalles angezeigt.The cooling elements (12) provided for cooling the battery cells (11) are - here as in fol ing - for reasons of clarity not shown on all sides (1-6) of each battery cell (11); rather, their cooled surfaces are shown as indicated by the symbol of an ice crystal.

In der vorliegenden Ausführungsform sind innerhalb des Gehäuses (14) Druckkissen (13) zum Polstern der Batteriezellen (11) mit jeweils einem der Kühlelemente (12) integriert. Die auf diese Weise integral ausgebildeten Kühlelemente (12) und Druckkissen (13) sind jeweils gemeinsam zwischen im Stapel benachbarten Batteriezellen (11) angeordnet und von weiteren Kühlelementen (12) und Druckkissen (13) durch zwei der Batteriezellen (11) getrennt.In the present embodiment, pressure pads (13) for cushioning the battery cells (11) are integrated within the housing (14), each with one of the cooling elements (12). The cooling elements (12) and pressure pads (13) formed integrally in this way are each arranged together between adjacent battery cells (11) in the stack and are separated from further cooling elements (12) and pressure pads (13) by two of the battery cells (11).

Auch gemäß der in 3 beleuchteten Variante bilden die Batteriezellen (11) einen Stapel. Hier jedoch sind die Druckkissen (13) getrennt von den Kühlelementen (12) ausgebildet. Wie die Abbildung verdeutlicht, lassen sich die Kühlelemente (12) und Druckkissen (13) auf diese Weise entlang des Stapels derart abwechselnd zwischen benachbarten Batteriezellen (11) anordnen, dass jede Batteriezelle (11) einerseits an einem der Kühlelemente (12) und andererseits an einem der Druckkissen (13) anliegt.Also according to the 3 illuminated variant, the battery cells (11) form a stack. Here, however, the pressure pads (13) are formed separately from the cooling elements (12). As the figure shows, the cooling elements (12) and pressure pads (13) can be arranged alternately between adjacent battery cells (11) along the stack in such a way that each battery cell (11) is attached on the one hand to one of the cooling elements (12) and on the other hand to one of the pressure pads (13).

4 verdeutlicht die aus diesem Vorgehen resultierende Druckverlustreduktion. Die in der Legende mit der Bezeichnung „1x FVK“ versehenen Graphen des Funktionsdiagrammes beziehen sich hier und in der folgenden Abbildung auf erfindungsgemäße Traktionsbatterien, deren Kühlelemente (12) aus Faserverbundkunststoff (FVK) bestehen. 4 illustrates the pressure loss reduction resulting from this procedure. The graphs of the functional diagram labeled “1x FRP” in the legend relate here and in the following figure to traction batteries according to the invention, the cooling elements (12) of which are made of fiber-reinforced plastic (FRP).

5 schließlich veranschaulicht den sich für ölgekühlte Module ergebenden Wärmewiderstand. Die in der Legende mit der Bezeichnung „CoolEV“ versehenen Stützpunkte des betreffenden Funktionsgraphen beziehen sich hierbei auf eine aus einem akademischen Forschungsprojekt entstandene Traktionsbatterie (10) mit Stahl-Kühlelementen (12). 5 finally illustrates the resulting thermal resistance for oil-cooled modules. The supporting points of the relevant function graph labeled "CoolEV" in the legend refer to a traction battery (10) with steel cooling elements (12) that was created from an academic research project.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 20210098760 A1 [0005]US20210098760A1 [0005]
  • DE 102017112366 A1 [0006]DE 102017112366 A1 [0006]

Claims (10)

Traktionsbatterie (10) für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Traktionsbatterie (10) umfasst Batteriezellen (11) mit jeweils sechs Seiten (1-6) und - die Traktionsbatterie (10) ist dazu eingerichtet, die Batteriezellen (11) jeweils von fünf der sechs Seiten (1-6) zu kühlen.Traction battery (10) for a motor vehicle, characterized by the following features: - the traction battery (10) comprises battery cells (11) each with six sides (1-6) and - the traction battery (10) is set up to the battery cells (11) respectively to cool from five of the six sides (1-6). Traktionsbatterie (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Traktionsbatterie (10) weist ein Gehäuse (14) auf und - die Batteriezellen (11) bilden einen Stapel innerhalb des Gehäuses (14).traction battery (10). claim 1 , characterized by the following features: - the traction battery (10) has a housing (14) and - the battery cells (11) form a stack within the housing (14). Traktionsbatterie (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Traktionsbatterie (10) umfasst Kühlelemente (12) zum Kühlen der Batteriezellen (11) und - die Traktionsbatterie (10) umfasst Druckkissen (13) zum Polstern der Batteriezellen (11) innerhalb des Gehäuses (14).traction battery (10). claim 2 , characterized by the following features: - the traction battery (10) comprises cooling elements (12) for cooling the battery cells (11) and - the traction battery (10) comprises pressure pads (13) for cushioning the battery cells (11) within the housing (14). Traktionsbatterie (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Druckkissen (13) sind jeweils mit einem der Kühlelemente (12) integriert und - die Kühlelemente (12) und Druckkissen (13) sind jeweils gemeinsam zwischen im Stapel benachbarten Batteriezellen (11) angeordnet und von weiteren Kühlelementen (12) und Druckkissen (13) durch zwei der Batteriezellen (11) getrennt.traction battery (10). claim 3 , characterized by the following features: - the pressure pads (13) are each integrated with one of the cooling elements (12) and - the cooling elements (12) and pressure pads (13) are each arranged together between adjacent battery cells (11) in the stack and by further cooling elements (12) and pressure pad (13) separated by two of the battery cells (11). Traktionsbatterie (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Druckkissen (13) sind getrennt von den Kühlelementen (12) ausgebildet und - die Kühlelemente (12) und Druckkissen (13) sind entlang des Stapels derart abwechselnd zwischen benachbarten Batteriezellen (11) angeordnet, dass jede Batteriezelle (11) einerseits an einem der Kühlelemente (12) und andererseits an einem der Druckkissen (13) anliegt.traction battery (10). claim 3 , characterized by the following features: - the pressure pads (13) are formed separately from the cooling elements (12) and - the cooling elements (12) and pressure pads (13) are arranged alternately between adjacent battery cells (11) along the stack in such a way that each battery cell (11) on the one hand on one of the cooling elements (12) and on the other hand on one of the pressure pads (13). Traktionsbatterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Kühlelemente (12) bestehen aus Kunststoff.Traction battery (10) according to one of Claims 1 until 5 , characterized by the following feature: - the cooling elements (12) are made of plastic. Traktionsbatterie (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Kunststoff ist faserverstärkt.traction battery (10). claim 6 , characterized by the following feature: - the plastic is fiber-reinforced. Verwendung einer Traktionsbatterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Batteriezellen (11) werden jeweils von fünf ihrer sechs Seiten (1-6) gekühlt.Use of a traction battery (10) according to one of Claims 1 until 7 , characterized by the following feature: - the battery cells (11) are each cooled by five of their six sides (1-6). Verwendung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Kühlen erfolgt mittels Mineralöles.use after claim 8 , characterized by the following feature: - The cooling is done by means of mineral oil. Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle with a traction battery (10) according to one of Claims 1 until 7 .
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