EP2127013A1 - Batterie mit einer wärmeleitplatte - Google Patents

Batterie mit einer wärmeleitplatte

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EP2127013A1
EP2127013A1 EP08707804A EP08707804A EP2127013A1 EP 2127013 A1 EP2127013 A1 EP 2127013A1 EP 08707804 A EP08707804 A EP 08707804A EP 08707804 A EP08707804 A EP 08707804A EP 2127013 A1 EP2127013 A1 EP 2127013A1
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EP
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thermally conductive
battery
heat conducting
conducting plate
electrically insulating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08707804A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Kaufmann
Volker Keck
Arnold Lamm
Jens Meintschel
Wolfgang Warthmann
Petra Schulz
Dirk Schröter
Matthias Gregor
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery with a heat conducting plate for controlling the temperature of the battery according to the preamble of claim 1, as it appears, for example. From the generic underlying DE 197 24 020 Al as known.
  • the previously known from the underlying DE 197 24 020 Al battery has a plurality of parallel and / or serially interconnected single cells, which are placed on a heat conducting plate and connected to this heat-conducting.
  • a heat conducting plate In the heat conduction plate, an evaporator section of a heat pipe is arranged.
  • the heat pipe is led out of the heat conducting plate, in particular out of the battery housing, whereby the condensation section of the heat pipe is outside the heat conducting plate.
  • the heat conducting plate and thus the individual cells can be tempered, in particular cooled during operation.
  • an overcharge and / or a high current drain can lead to a strong buildup of pressure in the individual cells, which can ultimately lead to a rupture of the cell housing of the relevant individual cell.
  • the diameter of the rupture window is slightly smaller than the outer diameter of the cell housing. Nevertheless, the bursting windows lead to a reduction of the effective heat conduction cross section of the heat conducting plate, whereby their possible efficiency is reduced.
  • the object of the invention is to develop a battery that is as simple as possible us to realize cost-effective with the best possible efficiency of heat conduction.
  • the object is achieved with a battery having the features of claim 1.
  • the inventive construction of a heat conducting plate these can now be arranged in the head region of the individual cells.
  • the heat conducting plate is to be provided with bores, but its surface is much smaller, so that the average area-related effective heat conduction cross section is increased. In turn, this makes it possible at the same total heat conduction cross section, thinner and thus easier to design the heat conduction.
  • an electrically insulating and preferred thermally conductive, particularly preferably highly thermally conductive potting compound and / or an electrically insulating and preferably thermally conductive, particularly preferably highly thermally conductive foam is arranged with an electrically insulating and preferably thermally conductive, more preferably highly thermally conductive potting compound and / or an electrically insulating and preferably thermally conductive, particularly preferably high thermally conductive foam filled.
  • Single cells according to the invention can be used in particular for high-performance batteries, in particular for the at least partial drive of a motor vehicle for passenger transport.
  • Fig. 1 is a battery arranged with the bottom side
  • FIG. 1 shows a conventional battery 1 with heat-conducting plate 2 arranged on the bottom side.
  • the battery 1 has, inter alia, a plurality of electrically interconnected single cells 3.
  • the cross-sectionally preferably round individual cells 3 are arranged in a particularly completely closed battery housing 4.
  • the individual cells 3 are placed on the thermally conductive plate 2 formed as a metal plate thermally conductive.
  • cooling channels 5 are introduced for the passage of a bathleitmediums.
  • the arrangement of the individual cells 3 on the heat conducting plate 2 takes place with their longitudinal axes parallel to each other.
  • This heat supply can be connected directly, for example via a common heat-conducting medium, in particular a fluid, to the air-conditioning system. It can also interact indirectly, eg. Via a heat exchanger with the air conditioning.
  • the heat-conducting medium can also be the air escaping from the air-conditioned interior and / or supplied by this air.
  • FIG. 2 shows a side view of a longitudinal section of a battery 1 according to the invention.
  • the heat conducting plate 2 is not the bottom side as previously known, but rather on the head side and thus in the region of the poles in the inventive battery 1 of Figure 2 the single cell 3 is arranged.
  • the cell housing 7 of the aligned parallel to its longitudinal extension of individual cells 3 have shell side on a mutual distance from each other.
  • Both poles 6 of a single cell 3 are passed through an arranged in the heat conducting plate 2 and these poles 6 associated hole on the opposite side of the heat conducting 2.
  • the cell connectors 9 are arranged. Since the shape and the clear dimensions of the / (6) associated bore is greater than the technicallybetician one or both poles 6 of a single cell 3, the projecting through the holes 6 poles everywhere at a distance from the walls of the bore on ( see FIG. 3). As a result, the poles 6 and the heat conducting 2 touch in any case, whereby they are electrically isolated from each other.
  • the heat-conducting plate 2 has a likewise electrically insulating distance from both the cell housing covers 8 and the cell connectors 9.
  • the free spaces between the walls of adjacent cell housing and the free spaces between the walls of the cell housing and the wall of the battery box 4 are filled in the same way.
  • thermally conductive materials such as preferably polyurethane foams, epoxy resins and / or silicones have been proven. With these preferred materials, the respective free spaces are poured out with as little bubbles as possible and particularly preferably free of bubbles.
  • the materials for the potting compound by the addition of thermally conductive particles which are arranged distributed in the manner of a well mixed batch in the material, with respect to their heat conduction can be improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie. Die Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen auf, die mit der Wärmeleitplatte wärmeleitend verbunden sind. In der Wärmeleitplatte ist eine Kanalstruktur für ein Wärmeleitmedium angeordnet. Die Wärmeleitplatte weist im Bereich der Pole der Einzelzellen Bohrungen auf durch die die Pole der Einzelzellen hindurch ragen.

Description

Batterie mit einer Wärmeleitplatte
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie bspw. Aus der gattungsbildend zugrunde gelegten DE 197 24 020 Al als bekannt hervorgeht .
Die aus der zugrunde gelegten DE 197 24 020 Al vorbekannte Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen auf, die auf einer Wärmeleitplatte abgestellt und mit dieser wärmeleitend verbunden sind. In der Wärmeleitplatte ist ein Verdampferabschnitt eines Wärmerohrs angeordnet. Das Wärmerohr ist aus der Wärmeleitplatte, insbesondere aus dem Batteriegehäuse herausgeführt, wodurch sich der Kondensationsabschnitt des Wärmerohrs außerhalb der Wärmeleitplatte befindet. Mit dieser Ausgestaltung des Wärmerohrs kann die Wärmeleitplatte und damit die Einzelzellen temperiert, insbesondere im Betrieb gekühlt werden. Insbesondere bei Li -Ionen-Batterien kann eine Überladung und/oder eine hohe Stromentnahme zu einem starken Druckaufbau den Einzelzellen führen, der letztendlich zu einem Bersten des Zellengehäuses der betreffenden Einzelzelle führen kann. Um einen gezielten Druckabbau zu gewährleisten ist es sinnvoll, im Gehäuseboden der Einzelzelle eine Sollbruchstelle anzuordnen, an der die Einzelzelle gezielt Bersten kann. Zur Verbesserung dieses Druckabbaus ist es ferner sinnvoll, die Wärmeleitplatte unterhalb der Aufstellfläche der Einzelzellen mit durchgehenden Bohrungen bzw. Aussparungen, im Folgenden vereinfachend Berstfenster genannt, zu versehen. Der Durchmesser der Berstfenster ist geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Zellengehäuses. Dennoch führen die Berstfenster zu einer Verringerung des wirksamen Wärmeleitungsquerschnitts der Wärmeleitplatte, wodurch deren mögliche Effizienz verringert ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batterie zu entwickeln, die bei einem möglichst guten Wirkungsgrad der Wärmeleitung möglichst einfach uns kostengünstig zu realisieren ist.
Die Aufgabe wird mit einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer Wärmeleitplatte kann diese nunmehr im Kopfbereich der Einzelzellen angeordnet werden. Zwar ist auch hier die Wärmeleitplatte mit Bohrungen zu versehen, jedoch ist deren Fläche wesentlich kleinere, so dass der mittlere flächenbezogene wirksame Wärmeleitungsquerschnitt vergrößert ist. Hierdurch wiederum ist es bei gleichbleibendem gesamten Wärmeleitungsquerschnitt möglich, die Wärmeleitplatte dünner und damit leichter auszugestalten.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist innerhalb des Batteriegehäuses in den Zwischenräumen zwischen der Wärmeleitplatte einerseits und den Polen, den elektrischen Zellenverbindern, dem Zellendeckel und dem Batteriekastendeckel sowie in den Räumen zwischen den Einzelzellen eine elektrisch isolierende und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet ist mit einer elektrisch isolierenden und bevorzugt wärmeleitfähigen, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähigen Vergussmasse und/oder einem elektrisch isolierenden und bevorzugt wärmeleitfähigen, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähigen Schaum ausgefüllt. Durch alle diese Ausgestaltungen werden diese Räume innerhalb des Batteriegehäuses effizienter zur Wärmeleitung genutzt, wobei gleichzeitig die Stabilität des gesamten Batteriegehäuses erhöht ist.
Erfindungsgemäße Einzelzellen können insbesondere für Hochleistungsbatterien, insbesondere zum zumindest teilweisen Antrieb eines Kraftfahrzeugs zur Personenbeförderung verwendet werden .
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar. Im Übrigen wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Batterie mit bodenseitig angeordneter
Wärmeleitplatte , Fig. 2 eine Batterie mit kopfseitig angeordneter
Wärmeleitplatte im Längsschnitt in Seitenansicht und Fig. 3 einen Horizontalschnitt unterhalb der elektrischen
Zellenverbinder entlang der Linie III-III nach
Figur 2 in Aufsicht. In Figur 1 ist eine übliche Batterie 1 mit bodenseitig angeordneter Wärmeleitplatte 2 dargestellt. Die Batterie 1 weist u.a. mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen 3 auf. Die im Querschnitt vorzugsweise runden Einzelzellen 3 sind in einem insbesondere vollständig geschlossenen Batteriegehäuse 4 angeordnet . Innerhalb des Batteriegehäuses 4 sind die Einzelzellen 3 auf der als Metallplatte ausgebildeten Wärmeleitplatte 2 wärmeleitend abgestellt. In der Wärmeleitplatte 2 sind Kühlkanale 5 zur Durchleitung eines Wärmeleitmediums eingebracht. Die Anordnung der Einzelzellen 3 auf der Wärmeleitplatte 2 erfolgt mit ihren Längsachsen parallel zueinander.
Bei der Verwendung einer derartigen Batterie 1, insbesondere als Traktions- und/Traktionshilfebatterie eines Kraftfahrzeuges, können hierzu die Kühlkanäle 5 in sinnvoller Weise .an eine bereits in dem Fahrzeug vorhandene Klimaanlage (nicht eingezeichnet) angeschlossen und wärmeseitig zumindest teilweise von dieser versorgt werden. Diese Wärmeversorgung kann direkt, bspw. über ein gemeinsames Wärmeleitmedium, insbesondere ein Fluid, mit der Klimaanlage verbunden sein. Sie kann auch indirekt, bspw. über einen Wärmetauscher mit der Klimaanlage zusammenwirken. In bevorzugter Weise kann das Wärmeleitmedium auch die aus dem klimatisierten Innenraum entweichende Luft sein und/oder durch diese Luft versorgt werden .
In Figur 2 ist ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Batterie 1 in Seitenansicht dargestellt. Im Gegensatz zu der in weiten Teilen bauähnlichen Batterie 1 nach Figur 1 ist bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 nach Figur 2 die Wärmeleitplatte 2 nicht wie bisher bekannt bodenseitig, sondern vielmehr kopfseitig und damit im Bereich der Pole 6 der Einzelzellen 3 angeordnet. Die Zellengehäuse 7 der parallel zu ihrer Längserstreckung ausgerichteten Einzelzellen 3 weisen mantelseitig einen gegenseitigen Abstand zueinander auf .
Die vorzugsweise aus einem Metall hergestellte Wärmeleitplatte 2, die zum Temperieren der Batterie 1 vorgesehen ist, weist in ihrem Innern ebenfalls eine durchströmbare und von außerhalb betreibbare Kanalstruktur für ein Wärmeleitmedium auf. Erfindungsgemäß ist die Wärmeleitplatte 2 zwischen den Zellengehäusedeckeln 8 der Einzelzellen 3 und den elektrischen Zellenverbindern 9, die ungleichnamige Pole 6 benachbarter Einzelzellen 3 miteinander elektrisch verbinden, angeordnet.
Beide Pole 6 einer Einzelzelle 3 sind durch eine in der Wärmeleitplatte 2 angeordnete und diesen Polen 6 zugeordnete Bohrung auf die gegenüberliegende Seite der Wärmeleitplatte 2 hindurchgeführt. Auf dieser Seite sind die Zellenverbinder 9 angeordnet. Da die Form und die lichten Maße einer dem/Pol (en) 6 zugeordneten Bohrung größer ist als die Außenbemaßungen eines bzw. beider Pole 6 einer Einzelzelle 3, weisen die durch die Bohrungen hindurchragenden Pole 6 überall einen Abstand von den Wandungen der Bohrung auf (siehe Figur 3) . Hierdurch berühren sich die Pole 6 und die Wärmeleitplatte 2 in keinem Fall, wodurch sie gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Ebenso weist die Wärmeleitplatte 2 sowohl von den Zellengehäusedeckeln 8 als auch von den Zellenverbindern 9 einen ebenfalls elektrisch isolierend wirkenden Abstand auf. Zur Verbesserung der gegenseitigen elektrischen Isolation, zur Erhöhung der Stabilität des gesamten Batteriegehäuses 4 sowie zur Verbesserung der gesamten Wärmeleitfähigkeit ist in den Zwischenräumen zwischen der Wärmeleitplatte 2 einerseits und den Polen 6, sowie den elektrischen Zellenverbindern 9 und den Zellengehäusedeckeln 8 als auch dem Batteriekastendeckel eine elektrisch isolierende und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet, der diese Zwischenräume bevorzugt vollständig ausfüllt . In zweckmäßiger Weise sind auch die Freiräume zwischen den Wänden benachbarter Zellengehäuse und auch die Freiräume zwischen den Wänden der Zellengehäuse und der Wandung des Batteriekastens 4 in der gleichen Weise ausgefüllt.
Als Vergussmasse haben sich insbesondere elektrisch isolierende, jedoch wärmeleitende Werkstoffe wie bevorzugt Polyurethan-Schäume, Epoxidharze und/oder Silikone bewährt. Mit diesen bevorzugten Werkstoffen werden die betreffenden Freiräume möglichst blasenarm und besonders bevorzugt blasenfrei ausgegossen. In günstiger Weise können die Werkstoffe für die Vergussmasse durch Zugabe wärmeleitender Partikel, die in der Art eines gut gemischten Gemenges in dem Werkstoff verteilt angeordnet sind, hinsichtlich ihrer Wärmeleitung noch verbessert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie, welche Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, die wärmeleitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, ferner mit einer in der Wärmeleitplatte angeordneten und für ein Wärmeleitmedium durchströmbare Kanalstruktur, sowie mit aus der Wärmeleitplatte herausführenden Anschlussquerschnitten für die KanalStruktur , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte im Bereich der Pole der Einzelzellen Bohrungen aufweist und dass die Pole der Einzelzellen durch die Bohrungen hindurch ragen.
2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte aus Metall ist und dass die Wärmeleitplatte gegenüber den Einzelzellen der Batterie elektrisch isoliert ist.
3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite der Bohrungen größer als der Außendurchmesser des jeweiligen Pols ist.
4. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und die lichten Maße einer Bohrung größer als die Außenbemaßungen beider Pole einer Einzelzelle sind.
5. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriegehäuses in dem Zwischenraum zwischen der Wärmeleitplatte und den Polen eine elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet ist.
6. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriegehäuses in dem Zwischenraum zwischen der Wärmeleitplatte und den elektrischen Zellverbindern eine elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet ist.
7. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriegehäuses in dem Zwischenraum zwischen der Wärmeleitplatte und dem Zellendeckel eine elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet ist.
8. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriegehäuses in dem Zwischenraum zwischen der Wärmeleitplatte und dem Batteriekastendeckel eine elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähige, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder ein elektrisch isolierender und bevorzugt wärmeleitfähiger, besonders bevorzugt hoch wärmeleitfähiger Schaum angeordnet ist.
9. Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenraum vollständig von der Vergußmasse und/oder dem Schaum ausgefüllt ist.
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