DE10358582B4

DE10358582B4 - Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport

Info

Publication number: DE10358582B4
Application number: DE10358582.6A
Authority: DE
Inventors: Richard Aumayer; Steffen Katzenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: DE10358582A1

Abstract

Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport mit mehreren, in einem Gehäuse angeordneten, Batteriezellen, wobei die Batteriezellen eine Puppe (10) umfassen, die von einem Zellmantel (11) umgeben ist und mit diesem in vorgebbarer Weise in Verbindung steht, wobei die Puppe (10) und der Zellmantel (11) Mittel zur Wärmeableitung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Puppe (10) mit einem Phase Change Material gefüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Hochleistungsbatterie, mit Mitteln zur Verbesserung des Wärmetransports.
Stand der Technik
Wiederaufladbare Batterien, insbesondere Hochleistungsbatterien, erzeugen während des Ladebetriebs und während des Entladebetriebs durch die fließenden Ströme Wärme, die die Funktionsfähigkeit der Batterie beeinträchtigen kann. Durch Ableitung der Wärme bzw. zum besseren Wärmetransport aus dem Inneren der Batterie an die Umgebung kann eine zu starke Erhitzung vermeiden werden. Es ist daher bekannt, bei Hochenergiebatterien bzw. bei Hochleistungsbatterien mit einer Vielzahl von Einzelzellen diese in einem von einem Kühlmedium durchströmten Gehäuse einzusetzen und das Kohlmedium so zu führen, dass es nur eine oder beide Stirnseiten der Zellen wärmemäßig beeinflusst. Eine solche Hochenergiebatterie ist beispielsweise aus der DE 40 29 901 A1 bekannt.
In der Druckschrift EP 0887 876 A1 wird eine zylinderförmige Sekundärbatterie beschrieben, die ein zylinderförmiges inneres Teil und ein zylinderförmiges äußeres Teil aufweist, wobei dies der effizienteren Wärmeabstrahlung dient.
In der Druckschrift US 2003/0054230 A1 wird ein Batteriemodul beschrieben, das mehrere Batteriezellen umfasst, wobei die Batteriezellen zumindest teilweise von Phase Change Material umgeben sind.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport hat den Vorteil, dass eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht werden kann.
Erzielt wird dieser Vorteil durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei wird eine zusätzliche Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Batterie, insbesondere aus dem Inneren der Elektrodenpakete der Batterie bzw. den Batteriezellen erreicht, indem das Innere der Batterie so ausgestaltet ist, dass die Wärme gut abfließen kann. Es wird dabei eine sogenannte Puppe, die als Montagehilfe ohnehin vorhanden ist, eine Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Batteriezellen geschaffen. Durch diese zusätzliche Wärmeabfuhr wird die Lebensdauer der Hochleistungsbatterie verlängert, da Überhitzungen, die zum vorzeitigen Alter der Zellen führen können, zuverlässig vermieden werden.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, dass für den Wärmetransport das Innere der Puppe der Batteriezellen mit einem Wärmetransportmedium durchspült wird. In vorteilhafter Weise ist dieses Medium Luft oder ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit mit ausreichender Wärmekapazität.
Erfindungsgemäß wird das Innere der Puppe mit sogenannten Phase Change Materials (PCMs) gefüllt. Bei solchen Materialien wird die abzuführende Energie mittels Energieaufnahme des PCM durch einen Phasenwechsel abgeführt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 und 2 dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
Bei der Herstellung von Batterien bzw. Batteriezellen, insbesondere Batteriezellen für Hochleistungsbatterien, werden Elektrodenpakete, beispielsweise von Lithium-Polymer-Systemen gewickelt oder gefaltet, um die notwendige Kapazität zu erreichen. Dieser Vorgang wird auf einer sogenannten Puppe als Montagehilfe ausgeführt. Die Puppe ist beispielsweise als im Inneren hohler Zylinder ausgestaltet. Über diese Puppe kann bei geeigneter Konstruktion des Außenbehälters der Batterie ebenfalls eine Wärmeabfuhr erfolgen. Die Puppe muss dabei so ausgestaltet sein und mit dem Außenbehälter zusammenwirken, dass ein Wärmetransport möglich ist. In 1 ist ein Beispiel dargestellt, wie eine Verbesserung des Wärmetransports bei Hochleistungsbatterien unter Ausnutzung der ”Puppe” erzielt werden kann.
Im Einzelnen zeigt 1 eine Batteriezelle mit Puppe in einer nach beiden Seiten offenen Ausführung. Diese Zelle umfasst die Puppe 10, die mit dem Zellmantel 11 verschweißt ist. Diese Verschweißung ist beispielsweise als Schweißnaht 12 dargestellt. Generell ist die Puppe 10 durch eine gestrichelte Linie und der Zellmantel 11 durch eine dünne Linie dargestellt. Eine Schweißnaht ist mit dicken Linien dargestellt. Durch Zusammenfügung mehrerer solcher Zellen zu einem Batteriepack lässt sich eine Hochleistungsbatterie zusammenbauen.
Alternativ zu der in 1 dargestellten Zelle mit Puppe in nach beiden Seiten offener Ausführung können mehrere andere Ausführungsformen eingesetzt werden. Bei einer der weiteren Ausführungsformen ist das System mit Puppe 10 und Zellmantel 11 einseitig oder beidseitig offen ausgeführt. Eine derartige Ausführungsform ist sowohl für zylindrische, als auch für prismatische Zellen geeignet. Die Form der Puppe 10 kann in weiterem Umfang beliebig gewählt werden, wobei solche Ausgestaltungen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit bewirken, bevorzugt werden.
Ein Abdichten des Zellinneren kann sowohl durch Verschweißen der Puppe 10 mit dem Zellmantel 11, als auch durch Dichtflächen realisiert werden. In Abbildung 2 sind Beispiele verschiedener Ausführungsformen dargestellt, wobei die Darstellung so ist, dass ein Querschnitt durch die Zellmitte gezeigt wird.
Im Einzelnen ist in 2A eine Ausführungsform, die beidseitig offen ist dargestellt. Mit zwei Schweißnähten 13, 14 ist die Puppe 10 mit dem Zellmantel 11 verbunden. 2B zeigt das Beispiel einer einseitig offenen Zelle mit einer Schweißnaht 15 und 2C eine Ausführungsform, die beidseitig offen ist und konisch ausgeführt ist. Die Verbindung der Puppe 10 mit dem Zellmantel erfolgt bei der Ausführungsform nach 2C beispielsweise mittels Dichtflächen. Die Puppe 10 wird dabei mit dem Zellmantel 11 durch Dichtflächen verbunden. Die Dichtflächen werden gegebenenfalls miteinander verklebt. Die einfachste Form der Abdichtung mittels Dichtflächen besteht darin, einen genügend hohen Anpressdruck auszuüben, so dass die die Dichtung bildenden Körper so stark aneinandergepresst werden, dass sie für das verwendete Kühlmedium undurchlässig sind.
Für den Wärmeabtransport wird das Innere der Puppe 10 nicht erfindungsgemäß mit einem Wärmetransportmedium durchspült. Ein solches Wärmetransportmedium ist im einfachsten Fall Luft. Nicht erfindungsgemäß kann aber auch ein Durchfluten der Batteriezelle mit anderen Gasen oder Flüssigkeiten vorgesehen werden, wobei solche Gase bzw. Flüssigkeiten besonders vorteilhaft sind, die eine große Wärmeaufnahmekapazität aufweisen.
Erfindungsgemäß wird das Innere der Puppe 10 mit einem sogenannten Phase Charge Material (PCM) gefüllt. Solche Phase Change Materials zeichnen sich dadurch aus, dass sie Energie aufnehmen können, indem sie einen Phasenwechsel durchmachen. Der verbesserte Wärmetransport bzw. die Vermeidung von Spitzentemperaturen in der Batteriezelle werden dabei erhalten, indem bei steigenden Temperaturen ein Phasenwechsel des PCM auftritt und dabei Wärme verbraucht und so ein Ansteigen der Temperatur in der Batteriezelle vermeidet. Damit kann eine gewisse Temperaturpufferung erzielt werden. Generell kann die Puppe mit einer Substanz gefüllt werden, die in der Lage ist, Energie aufzunehmen, beispielsweise durch eine Umwandlung oder eine vorzugsweise reversible chemische Reaktion.
Die erfindungsgemäße Batterie kann eine Hochleistungsbatterie mit einem Li-Polymersystem sein oder generell eine Ladungsspeicher bzw. eine Batterie, bei der eine Puppe, insbesondere zur Montage eingesetzt wird.

Claims

Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport mit mehreren, in einem Gehäuse angeordneten, Batteriezellen, wobei die Batteriezellen eine Puppe (10) umfassen, die von einem Zellmantel (11) umgeben ist und mit diesem in vorgebbarer Weise in Verbindung steht, wobei die Puppe (10) und der Zellmantel (11) Mittel zur Wärmeableitung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Puppe (10) mit einem Phase Change Material gefüllt ist.
Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puppe (10) mit dem Zellmantel (11) mittels wenigstens einer Schweißnaht verbunden ist, wobei diese Verbindung so erfolgt, dass eine Zelle mit Puppe (10) entsteht, die einseitig oder auf beiden Seiten geschlossen ist.
Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puppe (10) mit dem Zellmantel (11) mittels Kleben verbunden wird, wobei diese Verbindung so erfolgt, dass eine Zelle mit Puppe (10) entsteht, die einseitig oder auf beiden Seiten geschlossen ist.
Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Puppe (10) mit dem Zellmantel (11) durch Pressen so verbunden wird, dass eine für das Phase Change Material dichte Verbindung erhalten wird.
Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phase Change Material so ausgewählt wird, dass der Phasenwechsel bei vorgebbaren Temperaturen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport mit den Merkmalen wenigstens eines der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Herstellung eine Puppe (10) eingesetzt wird und die Puppe (10) mit dem Zellmantel (11) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Puppe (10) mit einem Phase Change Material befüllt wird.