DE102022205751A1 - Arrangement for dissipating heat - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ableitung von Wärme einer Leistungsbatteriezelle (BT) an einen Träger (TR). Die Anordnung weist eine Leistungsbatteriezelle (BT) auf, die eine umlaufende Seitenfläche (SF), eine Bodenfläche (BF) und eine Deckelfläche (DF) aufweist. Die Anordnung weist einen Träger (TR) auf, der zur Wärmeableitung von der Leistungsbatteriezelle (BT) an eine Trägerumgebung (UM) ausgebildet ist. Zumindest eine Leistungsbatteriezelle (BT) ist auf dem Träger (TR) befestigt. Die zugehörige Bodenfläche (BF) ist wärmeleitend mit dem Träger (TR) verbunden. Die zugehörige Seitenfläche (SF) ist wärmeleitend mit einer Seitenkühlung (SK) verbunden. Die Seitenkühlung (SK) ist wärmeleitend mit dem Träger (TR) verbunden. Zusammengefasst wird damit erreicht, dass freiwerdende Wärme der Leistungsbatteriezelle (BT) über die wärmeleitenden Verbindungen zum Träger (TR) und von diesem an die Trägerumgebung (UM) gelangt.The invention relates to an arrangement for dissipating heat from a power battery cell (BT) to a carrier (TR). The arrangement has a power battery cell (BT) which has a circumferential side surface (SF), a bottom surface (BF) and a top surface (DF). The arrangement has a carrier (TR) which is designed to dissipate heat from the power battery cell (BT) to a carrier environment (UM). At least one power battery cell (BT) is attached to the carrier (TR). The associated base surface (BF) is connected to the support (TR) in a heat-conducting manner. The associated side surface (SF) is connected to a side cooling (SK) in a heat-conducting manner. The side cooling (SK) is connected to the carrier (TR) in a heat-conducting manner. In summary, this ensures that heat released by the power battery cell (BT) reaches the carrier (TR) via the heat-conducting connections and from there to the carrier environment (UM).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ableitung von Wärme von einer Leistungsbatteriezelle zu einem Träger, mit deren Hilfe eine verbesserte Integration der Leistungsbatteriezelle in einem Schienenfahrzeug ermöglicht wird.The invention relates to an arrangement for dissipating heat from a power battery cell to a carrier, with the help of which improved integration of the power battery cell in a rail vehicle is made possible.
Als eine Leistungsbatteriezelle wird eine grundlegende (im allgemeinen kleinste) elektrochemische, stromproduzierende Einheit einer Batterie verstanden. Diese besteht aus zwei Elektroden, einem Elektrolyt, einem Separator und einem Gehäuse.A power battery cell is understood to be a basic (generally smallest) electrochemical, electricity-producing unit of a battery. This consists of two electrodes, an electrolyte, a separator and a housing.
Eine Integration von Leistungsbatteriezellen, beispielsweise von Lithium-Ionen-Zellen, in Batteriemodule bzw. in Batteriespeichersysteme in einem Schienenfahrzeug ist aufgrund gegenläufiger Zielanforderungen an Energiedichte, Leistungsdichte und Sicherheit sehr anspruchsvoll.Integration of power battery cells, for example lithium-ion cells, into battery modules or into battery storage systems in a rail vehicle is very demanding due to conflicting target requirements for energy density, power density and safety.
Insbesondere sind Auswirkungen des bekannten „Thermal Runaway“ zu berücksichtigen, bei dem durch interne oder externe Effekte (z.B. Übertemperatur, interner Kurzschluss, externer Kurzschluss, mechanischer Defekt, etc.) eine Lithium-Ionen-Zelle als Leistungsbatteriezelle zerstört werden kann.In particular, the effects of the well-known “thermal runaway” must be taken into account, in which a lithium-ion cell can be destroyed as a power battery cell due to internal or external effects (e.g. overtemperature, internal short circuit, external short circuit, mechanical defect, etc.).
Bei einem „Thermal Runaway“ wird eine große Menge thermischer Energie freigesetzt, die einen selbstverstärkenden Zerstörungsprozess der Leistungsbatteriezelle bewirkt. Gleichzeitig verursacht die große Menge an freigesetzter thermischer Energie in benachbarten Leistungsbatteriezellen weitere „Thermal Runaway“. Dieser Ablauf ist auch als „Thermal Runaway Propagation“ bekannt.During a “thermal runaway” a large amount of thermal energy is released, which causes a self-reinforcing destruction process of the power battery cell. At the same time, the large amount of thermal energy released in neighboring power battery cells causes further “thermal runaway”. This process is also known as “thermal runaway propagation”.
Bei einem als sicher erachteten Batteriespeichersystem in einem Schienenfahrzeug ist es zwingend erforderlich, einen „Thermal Runaway“ zu unterbinden bzw. dessen Folgen so gut als möglich einzugrenzen.For a battery storage system in a rail vehicle that is considered safe, it is imperative to prevent thermal runaway or limit its consequences as much as possible.
Aus mechanischer Sicht betrachtet müssen Leistungsbatteriezellen im Schienenfahrzeug in einem Batteriemodul bzw. in einem Batteriespeicher integriert und positioniert werden. Dort müssen sie rüttelfest gehalten und vor mechanischen Stressbeanspruchungen geschützt werden.From a mechanical point of view, power battery cells in the rail vehicle must be integrated and positioned in a battery module or in a battery storage system. There they must be kept shake-proof and protected from mechanical stress.
Dafür benötigte mechanische Komponenten führen jedoch zu einer Reduktion der spezifischen Energie- und Leistungsdichte des Batteriemoduls bzw. des Batteriespeichers.However, the mechanical components required for this lead to a reduction in the specific energy and power density of the battery module or battery storage.
Es sind unterschiedliche Verfahren bekannt, mit denen versucht wird, diese gegenläufigen Auslegungsziele (Optimierung auf hohe Energiedichte einerseits, hohe Sicherheitsanforderungen andererseits) zu begegnen.There are different methods known that attempt to meet these conflicting design goals (optimization for high energy density on the one hand, high safety requirements on the other).
Es ist bekannt, eine Leistungsbatteriezelle mit Hilfe eines Kunststoffrahmens zu haltern. Dieser Rahmen wird derart angeordnet, dass eine Kühlflüssigkeit ein Gehäuse der Leistungsbatteriezelle umströmen kann. Die Kühlflüssigkeit schützt vor der „Thermal Runaway Propagation“ bei gleichzeitig guter, homogener Kühlung der Leistungsbatteriezelle.It is known to hold a power battery cell using a plastic frame. This frame is arranged in such a way that a cooling liquid can flow around a housing of the power battery cell. The coolant protects against “thermal runaway propagation” while simultaneously providing good, homogeneous cooling of the power battery cell.
Aus der Druckschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Ableitung von Wärme von einer Leistungsbatteriezelle zu einem Träger anzugeben, mit deren Hilfe eine verbesserte Integration der Leistungsbatteriezelle in einem Schienenfahrzeug ermöglicht wird, insbesondere mit der bei einem hohem Sicherheitsniveau eine hohe Energiedichte erreichbar ist.It is the object of the present invention to provide an improved arrangement for dissipating heat from a power battery cell to a carrier, with the help of which an improved integration of the power battery cell in a rail vehicle is made possible, in particular with which a high energy density can be achieved with a high level of safety.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This task is solved by the features of patent claim 1. Advantageous further developments are specified in the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ableitung von Wärme einer Leistungsbatteriezelle an einen Träger. Die Anordnung weist eine Leistungsbatteriezelle auf, die eine umlaufende Seitenfläche, eine Bodenfläche und eine Deckelfläche aufweist.The invention relates to an arrangement for dissipating heat from a power battery cell to a carrier. The arrangement has a power battery cell that has a circumferential side surface, a bottom surface and a top surface.
Die Anordnung weist einen Träger auf, der zur Wärmeableitung von der Leistungsbatteriezelle an eine Trägerumgebung ausgebildet ist. Zumindest eine Leistungsbatteriezelle ist auf dem Träger befestigt.The arrangement has a carrier which is designed to dissipate heat from the power battery cell to a carrier environment. At least one power battery cell is attached to the carrier.
Die zugehörige Bodenfläche ist wärmeleitend mit dem Träger verbunden. Bevorzugt ist die gesamte bzw. die vollständige Bodenfläche wärmeleitend mit dem Träger verbunden.The associated floor surface is connected to the carrier in a heat-conducting manner. Preferably, the entire bottom surface is connected to the carrier in a heat-conducting manner.
Die zugehörige Seitenfläche ist wärmeleitend mit einer Seitenkühlung verbunden. Bevorzugt ist die gesamte bzw. die vollständige Seitenfläche wärmeleitend mit der Seitenkühlung verbunden.The associated side surface is connected to a side cooling system in a heat-conducting manner. The entire or complete side surface is preferably connected to the side cooling in a heat-conducting manner.
Die Seitenkühlung wiederum ist wärmeleitend mit dem Träger verbunden.The side cooling, in turn, is connected to the carrier in a heat-conducting manner.
Zusammengefasst wird damit erreicht, dass freiwerdende Wärme der Leistungsbatteriezelle über die wärmeleitenden Verbindungen zum Träger und von diesem an die Trägerumgebung gelangt bzw. geführt wird.In summary, this ensures that heat released by the power battery cell reaches or is conducted via the heat-conducting connections to the carrier and from there to the carrier environment.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Leistungsbatteriezelle Zylinder-förmig.In an advantageous development, the power battery cell is cylindrical.
Bevorzugt handelt es sich bei der Leistungsbatteriezelle um eine Lithium-Ionen-Zelle.The power battery cell is preferably a lithium-ion cell.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Seitenkühlung als Metallhülse, bevorzugt als Aluminiumhülse, ausgestaltet, die die Seitenfläche der Leistungsbatteriezelle umschließt.In an advantageous development, the side cooling is designed as a metal sleeve, preferably as an aluminum sleeve, which encloses the side surface of the power battery cell.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Seitenfläche über einen thermisch leitenden Kleber mit der Seitenkühlung verbunden.In an advantageous development, the side surface is connected to the side cooling via a thermally conductive adhesive.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kleber elektrisch isolierend.In an advantageous development, the adhesive is electrically insulating.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Träger aus Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt.In an advantageous development, the carrier is made of metal, in particular aluminum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Bodenfläche über einen thermisch leitenden Kleber mit dem Träger verbunden.In an advantageous development, the base surface is connected to the carrier via a thermally conductive adhesive.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kleber elektrisch isolierend.In an advantageous development, the adhesive is electrically insulating.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Träger thermisch leitend mit einer Kühlplatte verbunden.In an advantageous development, the carrier is connected to a cooling plate in a thermally conductive manner.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Träger elektrisch isoliert mit der Kühlplatte verbunden.In an advantageous development, the carrier is connected to the cooling plate in an electrically insulated manner.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwei Leistungsbatteriezellen benachbart zueinander auf dem Träger befestigt. Die zugehörigen Seitenkühlungen weisen einen Abstand zueinander auf. Der Abstand ist mit Luft oder mit einem thermischen Isolationsmaterial gefüllt.In an advantageous development, two power battery cells are attached to the carrier adjacent to one another. The associated side cooling systems are at a distance from one another. The gap is filled with air or with a thermal insulation material.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kontaktierung der Leistungsbatteriezelle über die Deckelfläche ausgeführt.In an advantageous development, the power battery cell is contacted via the cover surface.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Seitenkühlung mit dem Träger durch eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung oder durch eine Pressverbindung verbunden.In an advantageous development, the side cooling is connected to the carrier by an adhesive connection, a welded connection, a soldered connection or by a press connection.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Träger plattenförmig ausgestaltet.In an advantageous development, the carrier is designed in the shape of a plate.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die beschriebene Anordnung Teil eines Schienenfahrzeugs.In an advantageous development, the arrangement described is part of a rail vehicle.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Steigerung der Energie- und Leistungsdichte von Leistungsbatteriezellen bzw. von Batteriespeichersystemen erreicht. Gleichzeitig wird eine mögliche „Thermal Runaway Propagation“ erschwert bzw. unterbunden.The present invention achieves an increase in the energy and power density of power battery cells or battery storage systems. At the same time, possible “thermal runaway propagation” is made more difficult or prevented.
Dies wird insbesondere durch den Abstand zwischen den Seitenkühlungen benachbarter Leistungsbatteriezellen erreicht, der mit Luft oder mit einem thermischen Isolationsmaterial ausgefüllt ist.This is achieved in particular by the distance between the side cooling of adjacent power battery cells, which is filled with air or with a thermal insulation material.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine verbesserte Temperierung der Leistungsbatteriezelle, eine minimierte Alterung der Leistungsbatteriezelle und eine Homogenisierung der Temperatur und der Alterung der Leistungsbatteriezellen erreicht.The present invention achieves improved temperature control of the power battery cell, minimized aging of the power battery cell and homogenization of the temperature and aging of the power battery cells.
Weiter wird eine Reduktion von thermischen Gradienten in den Leistungsbatteriezellen sowie eine gute thermische Anbindung jeder Leistungsbatteriezelle an ein Thermalsystem erreicht.Furthermore, a reduction of thermal gradients in the power battery cells and a good thermal connection of each power battery cell to a thermal system are achieved.
Durch die vorliegende Erfindung werden Bahn-bzw. Schienenfahrzeug-spezifische Anforderungen bezüglich Sicherheit, Temperierung, Energie und Leistung erreicht.The present invention makes railway or. Rail vehicle-specific requirements regarding safety, temperature control, energy and performance are achieved.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine verbesserte Kühlung der Leistungsbatteriezellen erreicht: durch die Seiten- und Bodenkühlung werden größere Flächen für den Wärmeabtransport genutzt.The present invention achieves improved cooling of the power battery cells: through the side and bottom cooling, larger areas are used for heat dissipation.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine thermische Entkopplung von benachbarten Leistungsbatteriezellen erreicht und dadurch eine höhere System-Sicherheit erreicht.The present invention achieves thermal decoupling of neighboring power battery cells and thereby achieves greater system safety.
Durch die vorliegende Erfindung werden bei einer betrachteten Leistungsbatteriezelle, die sich im Zustand des „Thermal Runaway“ befindet, dort freiwerdende Gase und Flammen durch die Ausgestaltung der Seitenkühlung gezielt nach oben bzw. in Richtung der Deckelfläche abgeführt.Due to the present invention, in a power battery cell under consideration that is in the state of “thermal runaway”, gases and flames released there are specifically dissipated upwards or in the direction of the cover surface by the design of the side cooling.
Durch die vorliegende Erfindung wird bei einer betrachteten Leistungsbatteriezelle, die sich im Zustand des „Thermal Runaway“ befindet, durch die Ausgestaltung der Seitenkühlung verhindert, dass benachbarte Leistungsbatteriezellen mit ausgeworfenen Material („Ejekta“) der betroffenen Leistungsbatteriezelle (direkt) beaufschlagt werden.The present invention prevents a power battery cell under consideration that is in the “thermal runaway” state through the design of the side cooling, that neighboring power battery cells are (directly) exposed to material ejected from the affected power battery cell.
Zusammengefasst werden durch die vorliegende Erfindung die Risiken und Auswirkungen einer „Side-Rupture“ bei einer sich im „Thermal Runaway“ befindlichen Leistungsbatteriezelle minimiert.In summary, the present invention minimizes the risks and effects of a “side rupture” in a power battery cell that is in “thermal runaway”.
Durch die vorliegende Erfindung, insbesondere durch die direkte Integration der Leistungsbatteriezellen in den Träger werden bislang benötigte Befestigungskomponenten, Gewicht und Kosten eingespart.The present invention, in particular through the direct integration of the power battery cells into the carrier, saves previously required fastening components, weight and costs.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein modularer und damit ein leicht skalierbarer Aufbau der Komponenten realisiert.The present invention achieves a modular and therefore easily scalable structure of the components.
Durch die vorliegende Erfindung wird neben der Wärmeableitung somit die Befestigung und die Positionierung einer Leistungsbatteriezelle bzw. mehrerer Leistungsbatteriezellen auf einem Träger optimiert und vereinfacht.In addition to heat dissipation, the present invention optimizes and simplifies the attachment and positioning of a power battery cell or several power battery cells on a carrier.
Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem bekannten Stand der Technik weitere Vorteile auf:
- - bislang benötigte, rein mechanische Batteriezellenhalter werden durch einfache, kostengünstige Hülsen, die als Seitenkühlung zur Wärmeableitung dienen, ersetzt,
- - eine Positionierung und Fixierung der Batteriezellen erfolgt durch die Hülsen, bislang benötigte Spacer oder Halter werden nicht mehr benötigt.
- - previously required purely mechanical battery cell holders are replaced by simple, cost-effective sleeves that serve as side cooling to dissipate heat,
- - The battery cells are positioned and fixed using the sleeves; previously required spacers or holders are no longer required.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine Ausgestaltung der Erfindung in einer Übersicht, -
2 mit Bezug auf1 weitere Details zur Ausgestaltung der Erfindung.
-
1 an overview of an embodiment of the invention, -
2 regarding1 further details on the design of the invention.
Die Anordnung dient zur Ableitung von Wärme von einer Leistungsbatteriezelle BT an einen Träger TR.The arrangement serves to dissipate heat from a power battery cell BT to a carrier TR.
Die Leistungsbatteriezelle BT weist eine umlaufende Seitenfläche SF, eine Bodenfläche BF und eine Deckelfläche DF auf.The power battery cell BT has a circumferential side surface SF, a bottom surface BF and a top surface DF.
Der Träger TR ist zur Wärmeableitung von Leistungsbatteriezellen BT an eine Trägerumgebung UM ausgebildet. Hier dargestellt ist die Situation, bei der auf dem Träger TR vier Leistungsbatteriezellen BT befestigt sind.The carrier TR is designed to dissipate heat from power battery cells BT to a carrier environment UM. Shown here is the situation in which four power battery cells BT are attached to the carrier TR.
Die Bodenflächen BF der Leistungsbatteriezellen BT sind wärmeleitend mit dem Träger TR verbunden.The bottom surfaces BF of the power battery cells BT are connected to the carrier TR in a heat-conducting manner.
Die jeweiligen Seitenflächen SF sind wärmeleitend mit zugehörigen Seitenkühlungen SK verbunden.The respective side surfaces SF are connected in a heat-conducting manner to associated side cooling systems SK.
Jede Seitenkühlung SK ist wärmeleitend mit dem Träger TR verbunden.Each side cooling SK is connected to the carrier TR in a heat-conducting manner.
Zusammengefasst gelangt dadurch freiwerdende Wärme der Leistungsbatteriezellen BT über die wärmeleitenden Verbindungen zum Träger TR und von diesem an die Trägerumgebung UM.In summary, the heat released by the power battery cells BT reaches the carrier TR via the heat-conducting connections and from there to the carrier environment UM.
Je zwei Leistungsbatteriezellen BT sind benachbart zueinander auf dem Träger TR mit einem vorgegebenen Abstand befestigt.Two power battery cells BT are attached adjacent to each other on the carrier TR at a predetermined distance.
Deren zugehörigen Seitenkühlungen SK weisen einen Abstand D zueinander auf, der nachfolgend weiter beschrieben ist.Their associated side cooling systems SK have a distance D from one another, which is further described below.
Die Leistungsbatteriezellen BT sind Zylinder-förmig ausgestaltet.The power battery cells BT are cylindrical.
Die Seitenkühlungen SK sind als Metallhülsen, bevorzugt als Aluminiumhülsen, ausgestaltet. Diese umschließen die jeweiligen Seitenflächen SF der Leistungsbatteriezellen BT bevorzugt vollflächig.The side cooling systems SK are designed as metal sleeves, preferably aluminum sleeves. These preferably enclose the entire surface of the respective side surfaces SF of the power battery cells BT.
Jede Seitenfläche SF ist über einen thermisch leitenden Kleber KL mit der Seitenkühlung SK verbunden. Bevorzugt handelt es sich um einen elektrisch isolierenden Kleber KL.Each side surface SF is connected to the side cooling SK via a thermally conductive adhesive KL. It is preferably an electrically insulating adhesive KL.
Der Träger TR ist plattenförmig und aus Metall, insbesondere aus Aluminium, gefertigt.The carrier TR is plate-shaped and made of metal, in particular aluminum.
Die Bodenflächen BF sind jeweils über einen thermisch leitenden Kleber KL mit dem Träger TR verbunden. Bevorzugt handelt es sich um einen elektrisch isolierenden Kleber KL.The bottom surfaces BF are each connected to the carrier TR via a thermally conductive adhesive KL. It is preferably an electrically insulating adhesive KL.
Der Träger TR ist thermisch leitend mit einer Kühlplatte KP verbunden. Bevorzugt ist der Träger TR elektrisch isoliert und wärmeleitend mit der Kühlplatte KP verbunden.The carrier TR is connected to a cooling plate KP in a thermally conductive manner. The carrier TR is preferably electrically insulated and connected to the cooling plate KP in a heat-conducting manner.
Die hier gezeigten Leistungsbatteriezellen BT sind benachbart zueinander auf dem Träger TR befestigt.The power battery cells BT shown here are attached adjacent to one another on the carrier TR.
Deren zugehörigen Seitenkühlungen SK weisen einen Abstand D zueinander auf.Their associated side cooling systems SK are at a distance D from one another.
Der Abstand D ist mit Luft LU oder mit einem thermischen Isolationsmaterial gefüllt.The distance D is filled with air LU or with a thermal insulation material.
Eine Kontaktierung KONT der Leistungsbatteriezellen BT ist über die Deckelflächen DF der beiden Leistungsbatteriezellen BT ausgeführt.A contact KONT of the power battery cells BT is carried out via the cover surfaces DF of the two power battery cells BT.
Der in
Die aus Metall bzw. aus Aluminium gefertigte Seitenkühlung SK verhindert mit den thermischen Isolationsmaßnahmen im Abstand D ein Überspringen des „Thermal Runaway“ auf benachbarte Leitungsbatteriezellen BT - der Wärmeleitpfad von Leitungsbatteriezelle zu Leitungsbatteriezelle wird unterbunden.The side cooling SK made of metal or aluminum prevents the thermal runaway from jumping to neighboring line battery cells BT with the thermal insulation measures at distance D - the thermal conduction path from line battery cell to line battery cell is prevented.
Gleichzeitig wird freiwerdende Wärme gezielt an die Kühlplatte KP abgegeben und dort zwischengespeichert.At the same time, any heat released is specifically transferred to the cooling plate KP and temporarily stored there.
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