EP2550694A1 - Einzelzelle und batterie mit einer mehrzahl von einzelzellen - Google Patents

Einzelzelle und batterie mit einer mehrzahl von einzelzellen

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EP2550694A1
EP2550694A1 EP10795239A EP10795239A EP2550694A1 EP 2550694 A1 EP2550694 A1 EP 2550694A1 EP 10795239 A EP10795239 A EP 10795239A EP 10795239 A EP10795239 A EP 10795239A EP 2550694 A1 EP2550694 A1 EP 2550694A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
cell
cooling
housing
side walls
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10795239A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Meintschel
Dirk Schröter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2550694A1 publication Critical patent/EP2550694A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M6/50—Methods or arrangements for servicing or maintenance, e.g. for maintaining operating temperature
    • H01M6/5038—Heating or cooling of cells or batteries
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a single cell with a cell housing, wherein the cell housing is formed of two housing side walls and an electrically insulating frame arranged between them, wherein in the interior of the cell housing a
  • electrochemically active electrode stack is arranged, the electrodes of the same polarity are electrically conductively connected to each other to a respective pole, wherein the poles are each electrically conductively connected to one of the housing side walls.
  • the invention further relates to a battery having a plurality of electrically parallel and / or series-connected individual cells.
  • the P810600 / DE / 1 (official file reference: 10 2007 036 849.8) describes a single cell for a battery with a disposed within a cell housing
  • Electrode stack and a method for their preparation are electrically conductively connected to current drainage lugs, wherein at least electrodes of different polarity are separated from one another by a separator, preferably a separator foil, from one another.
  • Stromabieiterfahen same polarity are electrically connected together to form a pole.
  • the Stromabieiterfahen a pole are electrically conductively pressed together and or welded.
  • P810601 / DE / 1 (official file reference 10 2007 036 847.1) describes a single cell of a battery having disposed within a cell housing electrodes, preferably electrode foils, wherein at each electrode a Stromabieiterfahne is arranged electrically conductive, wherein at least electrodes of unequal polarity through a separator, preferably a Separatorfolie, are isolated from each other insulating, wherein the Stromabieiterfahne is electrically connected to a pole. Each pole is electrically connected to an electrically conductive region of an outer side of the cell housing. The two concerned areas are of different polarity electrically isolated from each other and pole lugs are arranged at the respective areas, which project freestanding from the cell housing.
  • P810649 / DE / 1 discloses a battery with a heat-conducting plate through which a cooling medium flows
  • the battery has a plurality of parallel and / or serially interconnected single cells, each surrounded at least partially by a cell housing and heat conductively connected to the heat conducting plate.
  • the battery side walls of the cell housing are surrounded at least partially by a cell housing and heat conductively connected to the heat conducting plate.
  • Cell interior is angled and at least a portion of a transverse to
  • Housing side wall arranged housing wall forms.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved single cell and a battery having a plurality of electrically parallel and / or series-connected individual cells, based on which an improved and simplified cooling of the individual cells can be achieved.
  • the individual cell comprises a cell housing which is formed from two housing side walls and an electrically insulating frame arranged between them, wherein an electrochemically active electrode stack is arranged in the interior of the cell housing, the electrodes of the same polarity are electrically conductively connected to one pole, wherein the poles each electrically conductive with one of
  • At least one of the housing side walls is formed completely protruding beyond an edge region of the frame, wherein the protruding region forms a cooling element.
  • a heat sink is thermally coupled to the cooling element.
  • the cooling element is formed meandering or wave-shaped in particular in its height extension, so that an effective cooling surface of the
  • Cooling elements increases and thus the cooling is improved.
  • the cooling element also preferably comprises swirling means, for example a roughened surface or guide elements, on the basis of which a swirling of the cooling medium and thus an increased heat transfer between the individual cell and the cooling medium can be realized.
  • swirling means for example a roughened surface or guide elements
  • a sealing element is expediently arranged on a front side of the frame arranged between the cooling elements of the housing side walls, so that the penetration of foreign substances, in particular dirt particles and moisture, is prevented.
  • Electrode foils are formed and a separator foil is arranged between electrode foils of different polarity and electrode foils of the same polarity projecting beyond an edge region of the electrode stack are in each case combined to form a current drainage tab.
  • the Stromabieiterfahen form advantageously the poles of the electrode stack.
  • Cell housing of the single cell is in particular by an at least partial
  • the battery according to the invention has a plurality of electrically parallel and / or series-connected individual cells. Due to the protruding cooling elements of the individual cells, a cooling of the battery by directly loading the cooling elements with the cooling medium is possible in a simple and effective manner. Due to the resulting possibility of the elimination of an additional istleitplatte results in a simplified handling of the battery and a low weight of the same, which in particular in a design of the battery as a lithium-ion battery for a
  • Vehicle, z. B. as a battery for a vehicle with hybrid drive or a fuel cell vehicle, is particularly advantageous because due to the reduced weight of the battery, a lower energy requirement for driving the vehicle is required.
  • a cover element is arranged on a side facing the protruding areas on a cell assembly formed from the individual cells, wherein a cover element is arranged between the cooling elements of the adjacently arranged individual cells
  • Cooling channels are formed, which are bounded laterally on the basis of the cooling elements and on the side facing away from the cell composite on the basis of the housing cover.
  • a width and a length of the cover element correspond in particular to a width and a length of the cell composite.
  • the cover element is formed from a flat side and two side wall elements, wherein the side wall elements are angled at two opposite ends of the flat side opposite the flat side in the direction of the cell assembly and each in the assembled state parallel to the cooling elements of the housing side walls.
  • a height of the side wall elements corresponds to or is greater than at least one height of the cooling elements of the housing side walls.
  • At least one sealing element is applied to each between two cooling elements of the housing side walls of one of the individual cells or adjacent individual cells arranged end sides of the frame, so that penetration of foreign substances or the cooling medium between the individual cells is avoided. It follows that a corrosion of the housing side walls and an associated increase in a contact resistance between the housing side walls advantageously do not occur.
  • FIG. 1 schematically shows a battery with a plurality of individual cells in a perspective view
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the battery according to FIG. 1 with the lid element removed;
  • Fig. 3 shows schematically a cell assembly of the battery according to Figure 1 in one
  • FIG. 4 is a schematic side view of the battery according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows schematically a detailed representation of the battery according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows schematically a single cell in a perspective view
  • FIG. 7 shows schematically the single cell according to FIG. 6 in an exploded view
  • 8 schematically shows a battery with a disassembled cover element in a perspective view, wherein cooling elements of the individual cells are wave-shaped
  • FIG. 9 is a schematic representation of a detailed representation of the battery according to FIG. 8 in one embodiment
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of a single cell
  • FIGS. 1 to 5 show a battery 1, which is in particular a lithium-ion high-voltage battery for electric and / or hybrid vehicles, or a cell network Z of the battery 1 with a plurality of electrically interconnected individual cells 2 in different views.
  • the individual cells 2 shown in more detail in FIGS. 6 and 7 are designed as so-called frame flat cells whose cell housing consists of two
  • the individual cells 2 are electrically connected in series in the illustrated embodiment, wherein in this series connection, an electrical connection of the individual cells 2 by contacting the
  • the individual cells 2 are arranged next to one another in the electrical series connection.
  • each a high-voltage contact 3, 4 is arranged, the high-voltage contacts 3, 4 are provided in particular for coupling the battery 1 with not shown electrical loads and / or an electrical system of the vehicle , To this coupling have the High-voltage contacts 3, 4 each have an angled flag-like extension 3.1, 4.1, which serves as electrical connection contacts.
  • tie rods 9.1 to 9.4 together with the high-voltage contacts 3, 4, the insulation elements 5, 6 and the pressure plates 7, 8 to the cell composite Z in the longitudinal direction, d. H. horizontally to the longitudinal extent of the cell composite Z, compressed.
  • the tie rods 9.1 to 9.4 are according to the illustrated embodiment by the cell network Z, d. H. at the edge through the
  • tie rods 9.1 to 9.4 out in a manner not shown outside the cell assembly Z along.
  • the insulation elements 5, 6 and the pressure plates 7, 8 in this case have in particular the same shape, due to the frame-shaped design a low
  • Insulation elements 5, 6 it follows that both the pressure plates 5, 6 and the
  • Tie rods 9.1 to 9.4 are electrically isolated from the single cells 2.
  • At least one of the housing side walls 2.1 or 2.2 of the respective individual cell 2 is designed to protrude completely beyond an edge region of the frame 2.3, wherein the projecting region forms a cooling element 2.4. in the
  • FIG. 1 is in each case a housing side wall 2.2 of
  • Cooling elements 2.4 each form upwardly open cooling channels which extend parallel to each other and transverse to the longitudinal extent of the cell assembly Z.
  • both housing side walls 2.1 and 2.2 are formed on the frame 2.3 protruding in a manner not shown, so that at both
  • Housing side walls 2.1 and 2.2 each forms a cooling element 2.4.
  • a cover element 10 is arranged on the cell assembly Z formed from the individual cells 2 on a side facing the cooling elements 2.4.
  • a width and length extent of the cover element 10 corresponds to a width and length of the cell composite Z. That is, the cover element 10 covers, as shown in the illustrated embodiment, the cell composite Z completely.
  • the cover element 10 is made of a flat side 10.1 and two
  • a height of the side wall elements 10.2, 10.3 is greater than a height of the cooling elements 2.4 formed so the cooling elements 2.4 and
  • the height of the side wall elements 10.2, 10.3 corresponds to the height of the cooling elements 2.4.
  • an electrically insulating material is arranged at least between the flat side 10.1 and the cooling elements 2.4 in order to avoid electrical short circuits.
  • the cover element 10 is fastened to the cell assembly Z by means of a non-positive, material and / or positive connection, wherein the non-positive, material and / or positive fit
  • Connection is designed for example as a screw, riveting, bonding and / or welding.
  • the illustrated embodiment the
  • the guide element L for example, with air or a liquid cooling medium acted upon.
  • a liquid cooling medium in this case are particularly electrically non-conductive cooling oils, such as transformer oil, being due to the direct
  • a sealing element 11 is applied to respectively between the cooling elements 2.4 adjacent individual cells 2 arranged end faces of the frame 2.3, wherein the sealing element 11 in the illustrated
  • Single seals as well as the multiple end faces of the frame 2.3 of the individual cells 2 comprehensive sealing element 11 may be formed from potting compound, rubber or plastic.
  • FIGS. 6 and 7 show a single cell 2 in different representations.
  • the single cell 2 is a frame flat cell, wherein a cell housing G is formed from the two housing side walls 2.1, 2.2 and the electrically insulating frame 2.3 arranged between them.
  • a cell housing G is formed from the two housing side walls 2.1, 2.2 and the electrically insulating frame 2.3 arranged between them.
  • an electrochemically active electrode stack 2.5 is arranged, the electrodes of the same polarity are electrically conductively connected to each pole P, wherein the poles P are each electrically connected to one of the housing side walls 2.1, 2.2.
  • the electrodes of the electrode stack are formed from electrode films, a separator film being arranged between the electrode films of different polarity and projecting beyond an edge region of the electrode stack 2.5
  • Electrode foils of the same polarity are each combined to form a Stromabieiterfahne. These Stromabieiterfahen form the poles of the electrode stack.
  • the frame has two spaced-apart material withdrawals M1, M2 for receiving the Stromabieiterfahen. For closing the individual cells 2 and for establishing an electrical contact between the electrode stack 2.5 and the
  • the frame 2.3 is preferably formed of a thermoplastic material.
  • a length and width extent of the material withdrawals M1, M2 advantageously at least the length and width of the Stromabieiterfahen, d. H. the pole P, corresponds to and a height extension equal to or smaller than the
  • the electrode stack 2.5 is securely held in the cell case G.
  • the Stromabieiterfahen may be welded to the associated housing side wall 2.1, 2.2, so that a
  • the individual cell 2 shown has, in the region of the cooling element 2.4, which is formed by an over the frame 2.3 protruding formation of the housing side wall 2.2, Verwirbelungssch V, based on which turbulence of the flow of the
  • Coolant can be generated within the cooling channels formed. From these
  • the swirling means V are formed, for example, by structures applied to a surface of the cooling elements 2.4 or incorporated in these structures and / or power elements, wherein the
  • Verwirbelungsmittel V in particular to increase roughness of the surface and / or targeted guidance of the cooling medium on the surface of the
  • Figures 8 to 10 show a battery 1 in various views. The
  • Cooling elements 2.4 of the individual cells 2 are wave-shaped, so that a heat transfer surface between the cooling elements 2.4 and the coolant is increased.
  • other transformations, in particular meander-shaped configurations of the cooling elements 2.4 are provided in a manner not shown in order to increase the effective heat transfer area.
  • cooling elements are alternatively or additionally arranged on the cooling elements 2.4, wherein these are preferably designed such that the effective heat transfer area is further increased and thus the heat output of the individual cells 2 to the cooling medium is maximized

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (2) mit einem Zellengehäuse (G), wobei das Zellengehäuse (G) aus zwei Gehäuseseitenwänden (2.1, 2.2) und einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen (2.3) gebildet ist, wobei im Inneren des Zellengehäuses (G) ein elektrochemisch aktiver Elektrodenstapel (2.5) angeordnet ist, dessen Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu jeweils einem Pol (P) verbunden sind, wobei die Pole (P) jeweils elektrisch leitend mit einer der Gehäuseseitenwände (2.1, 2.2) verbunden sind. Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Gehäuseseitenwände (2.1, 2.2) vollständig über einen Randbereich des Rahmens (2.3) hinausragend ausgebildet, wobei der hinausragende Bereich ein Kühlelement (2.4) bildet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie (1) mit einer Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen (2).

Description

Einzelzelle und Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen
Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle mit einem Zellengehäuse, wobei das Zellengehäuse aus zwei Gehäuseseitenwänden und einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen gebildet ist, wobei im Inneren des Zellengehäuses ein
elektrochemisch aktiver Elektrodenstapel angeordnet ist, dessen Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu jeweils einem Pol verbunden sind, wobei die Pole jeweils elektrisch leitend mit einer der Gehäuseseitenwände verbunden sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie mit einer Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen.
Die P810600/DE/1 (amtl. Aktenzeichen: 10 2007 036 849.8) beschreibt eine Einzelzelle für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten
Elektrodenstapel sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die einzelnen Elektroden, vorzugsweise Elektrodenfolien, sind mit Stromabieiterfahnen elektrisch leitend verbunden, wobei zumindest Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind.
Stromabieiterfahnen gleicher Polarität sind elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden. Die Stromabieiterfahnen eines Pols sind elektrisch leitend miteinander verpresst und oder verschweißt.
Auch die P810601/DE/1 (amtliches Aktenzeichen 10 2007 036 847.1 ) beschreibt eine Einzelzelle einer Batterie mit innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektroden, vorzugsweise Elektrodenfolien, wobei an jeder Elektrode eine Stromabieiterfahne elektrisch leitend angeordnet ist, wobei zumindest Elektroden ungleicher Polarität durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind, wobei die Stromabieiterfahne elektrisch leitend mit einem Pol verbunden ist. Ein jeder Pol ist mit einem elektrisch leitenden Bereich einer Außenseite des Zellengehäuses elektrisch leitend verbunden. Die betreffenden beiden Bereiche unterschiedlicher Polarität sind elektrisch voneinander isoliert und an den betreffenden Bereichen sind Polfahnen angeordnet, die freistehend von dem Zellengehäuse abragen.
Ferner offenbart die P810649/DE/1 (amtliches Aktenzeichen 10 2007 063 179.2) eine Batterie mit einer von einem Kühlmedium durchströmten Wärmeleitplatte zum
Temperieren der Batterie, wobei die Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise von einem Zellengehäuse umgeben und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind. Dabei weist zumindest eine der Gehäuseseitenwände des Zellengehäuses
abschnittsweise ein über die Länge der jeweiligen Einzelzelle hinausgehendes
Seitenwandelement auf, das gegenüber der Gehäuseseitenwand in Richtung zum
Zelleninneren abgewinkelt ist und zumindest einen Abschnitt einer quer zur
Gehäuseseitenwand angeordneten Gehäusewand bildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle und eine Batterie mit einer Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen anzugeben, anhand derer eine verbesserte und vereinfachte Kühlung der Einzelzellen erzielbar ist.
Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Batterie durch die im Anspruch 8
angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Einzelzelle umfasst ein Zellengehäuse, welches aus zwei Gehäuseseitenwänden und einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen gebildet ist, wobei im Inneren des Zellengehäuses ein elektrochemisch aktiver Elektrodenstapel angeordnet ist, dessen Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu jeweils einem Pol verbunden sind, wobei die Pole jeweils elektrisch leitend mit einer der
Gehäuseseitenwände verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Gehäuseseitenwände vollständig über einen Randbereich des Rahmens hinausragend ausgebildet, wobei der hinausragende Bereich ein Kühlelement bildet. Dadurch ist eine einfache und effektive Kühlung der Einzelzelle, insbesondere durch direkte Beaufschlagung mit einem Kühlmedium, wie z. B. Luft oder einer Kühlflüssigkeit, möglich, so dass eine zusätzliche Anordnung einer Wärmeleitplatte entfallen kann.
Um eine weitere Erhöhung der Kühlleistung zu erzielen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungemäßen Einzelzellen mit dem Kühlelement ein Kühlkörper thermisch gekoppelt.
Alternativ oder zusätzlich ist das Kühlelement insbesondere in seiner Höhenausdehnung mäander- oder wellenförmig geformt, so dass eine effektive Kühloberfläche der
Kühlelemente vergrößert und somit die Kühlung verbessert wird.
Auch weist das Kühlelement vorzugsweise Verwirbelungsmittel, beispielsweise eine aufgeraute Oberfläche oder Leitelemente, auf, anhand welcher eine Verwirbelung des Kühlmediums und somit ein erhöhter Wärmeübergang zwischen der Einzelzelle und dem Kühlmedium realisierbar ist.
Sind Kühlelemente beider Gehäuseseitenwände vollständig über den Randbereich des Rahmens hinausragend ausgebildet, ist in zweckmäßiger Weise auf einer zwischen den Kühlelementen der Gehäuseseitenwände angeordnete Stirnseite des Rahmens ein Dichtelement angeordnet, so dass ein Eindringen von Fremdstoffen, insbesondere von Schmutzpartikeln und Feuchtigkeit, verhindert wird.
Um einen raumsparenden und einfach handhabbaren Aufbau der Einzelzelle
sicherzustellen, sind die Elektroden des Elektrodenstapels insbesondere aus
Elektrodenfolien gebildet und zwischen Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität ist eine Separatorfolie angeordnet und über einen Randbereich des Elektrodenstapels hinausragende Elektrodenfolien gleicher Polarität sind jeweils zu einer Stromabieiterfahne zusammengefasst. Die Stromabieiterfahnen bilden dabei in vorteilhafter Weise die Pole des Elektrodenstapels.
Weiterhin sind in den Rahmen zwei voneinander beabstandete Materialrücknahmen zur Aufnahme der Stromabieiterfahnen eingebracht, so dass die Stromabieiterfahnen in einfacher Weise elektrisch voneinander isoliert und sicher gehaltert sind. Das
Zellengehäuse der Einzelzelle wird insbesondere durch ein zumindest partielles
Anschmelzen des Rahmens und anschließendes Anpressen der Gehäuseseitenwände an den Rahmen dicht gegen ein Eindringen von Fremdstoffen verschlossen, wobei aufgrund der Anordnung der Materialrücknahmen und der Einbringung der Stromabieiterfahnen zwischen den Gehäuseseitenwänden und den Materialrücknahmen keine zusätzliche Anordnung zur elektrischen Verbindung der Gehäuseseitenwände mit den
Stromabieiterfahnen erforderlich ist. Eine Längen- und Breitenausdehnung der
Materialrücknahmen entspricht in vorteilhafter Weise zumindest der Längen- und Breitenausdehnung der Stromabieiterfahnen und eine Höhenausdehnung ist genauso groß oder kleiner als die Höhenausdehnung der frei übereinander gestapelten
Stromabieiterfahnen.
Die erfindungsgemäße Batterie weist eine Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen auf. Aufgrund der hinausragenden Kühlelemente der Einzelzellen ist in einfacher und effektiver Weise eine Kühlung der Batterie durch direkte Beaufschlagung der Kühlelemente mit dem Kühlmedium möglich. Aufgrund der daraus resultierenden Möglichkeit des Entfalls einer zusätzlichen Wärmeleitplatte resultiert eine vereinfachte Handhabbarkeit der Batterie und ein geringes Gewicht derselben, was insbesondere bei einer Ausbildung der Batterie als Lithium-Ionen-Batterie für ein
Fahrzeug, z. B. als Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen- Fahrzeug, besonders vorteilhaft ist, da aufgrund des verringerten Gewichts der Batterie ein geringerer Energiebedarf zum Antrieb des Fahrzeugs erforderlich ist.
Bevorzugt ist an einem aus den Einzelzellen gebildeten Zellverbund auf einer den hinausragenden Bereichen zugewandten Seite ein Deckelelement angeordnet, wobei zwischen den Kühlelementen der benachbart angeordneten Einzelzellen jeweils
Kühlkanäle ausgebildet sind, welche seitlich anhand der Kühlelemente und an der dem Zellverbund abgewandten Seite anhand des Gehäusedeckels begrenzt sind. Somit bilden im zusammengesetzten Zustand, d. h. im geschlossenen Zustand der Deckelelements, die Kühlelemente und das Deckelelement in besonders vorteilhafter Weise ein
Leitelement zur Leitung eines Kühlmediums, welches eine optimierte Leitung des Kühlmediums und somit eine optimierte Kühlung der Batterie ermöglicht.
Dabei entsprechen eine Breite und eine Länge des Deckelelements insbesondere einer Breite und einer Länge des Zellverbunds.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist das Deckelelement aus einer Flachseite und zwei Seitenwandelementen gebildet, wobei die Seitenwandelemente an zwei sich gegenüberliegenden Enden der Flachseite gegenüber der Flachseite in Richtung zum Zellverbund abgewinkelt sind und jeweils im zusammengesetzten Zustand parallel zu den Kühlelementen der Gehäuseseitenwände verlaufen. Vorzugsweise entspricht eine Höhe der Seitenwandelemente zumindest einer Höhe der Kühlelemente der Gehäuseseitenwände oder ist größer als diese.
Auch ist auf jeweils zwischen zwei Kühlelementen der Gehäuseseitenwände einer der Einzelzellen oder benachbarter Einzelzellen angeordneten Stirnseiten der Rahmen zumindest ein Dichtelement aufgebracht, so dass ein Eindringen von Fremdstoffen oder des Kühlmediums zwischen die Einzelzellen vermieden wird. Daraus folgt, dass eine Korrosion der Gehäuseseitenwände und eine damit verbundene Vergrößerung eines Übergangswiderstands zwischen den Gehäuseseitenwänden in vorteilhafter Weise nicht auftreten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 schematisch die Batterie gemäß Figur 1 mit demontiertem Deckelelement in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 3 schematisch einen Zellverbund der Batterie gemäß Figur 1 in einer
Explosionsdarstellung,
Fig. 4 schematisch die Batterie gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht,
Fig. 5 schematisch eine Detaildarstellung der Batterie gemäß Figur 4,
Fig. 6 schematisch eine Einzelzelle in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 7 schematisch die Einzelzelle gemäß Figur 6 in einer Explosionsdarstellung, Fig. 8 schematisch eine Batterie mit demontiertem Deckelelement in einer perspektivischen Ansicht, wobei Kühlelemente der Einzelzellen wellenförmig geformt sind,
Fig. 9 schematisch eine Detaildarstellung der Batterie gemäß Figur 8 in einer
Seitenansicht, und
Fig. 10 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle mit
wellenförmig geformtem Kühlelement.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 1 bis 5 ist eine Batterie 1 , die insbesondere eine Lithium-lonen-Hochvolt- Batterie für Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge ist, bzw. ein Zellverbund Z der Batterie 1 mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen 2 in verschiedenen Ansichten dargestellt.
Die in den Figuren 6 und 7 näher dargestellten Einzelzellen 2 sind als so genannte Rahmenflachzellen ausgebildet, deren Zellgehäuse aus zwei
Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 und einem zwischen diesen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen 2.3, z. B. einem Kunststoffrahmen, gebildet ist.
Zur Herstellung der Batterie 1 sind die Einzelzellen 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch in Reihe miteinander verschaltet, wobei bei dieser Reihenschaltung eine elektrische Verbindung der Einzelzellen 2 durch eine Kontaktierung der
Gehäuseseitenwände 2.1 , 2.2 direkt benachbarter Einzelzellen 2 erreicht wird.
Zur mechanischen Bildung eines aus den Einzelzellen 2 bestehenden Zellverbunds Z sind die Einzelzellen 2 bei der elektrischen Reihenschaltung nebeneinander angeordnet.
Randseitig, d. h. an der ersten und letzen Einzelzelle 2 des Zellverbunds Z, ist jeweils ein Hochvoltkontakt 3, 4 angeordnet, wobei die Hochvoltkontakte 3, 4 insbesondere zur Kopplung der Batterie 1 mit nicht näher dargestellten elektrischen Verbrauchern und/oder einem Bordnetz des Fahrzeugs vorgesehen sind. Zu dieser Kopplung weisen die Hochvoltkontakte 3, 4 jeweils eine abgewinkelte fahnenartige Verlängerung 3.1 , 4.1 auf, welche als elektrische Anschlusskontakte dient.
An die Hochvoltkontakte 3, 4 sind randseitig am Zellverbund Z jeweils ein rahmenförmiges Isolationselement 5, 6 und eine rahmenförmige Druckplatte 7, 8, eine so genannte Druckbrille, angeordnet.
Weiterhin sind die Einzelzellen 2 mittels so genannter Zuganker 9.1 bis 9.4 gemeinsam mit den Hochvoltkontakten 3, 4, den Isolationselementen 5, 6 und den Druckplatten 7, 8 zu dem Zellverbund Z in Längsrichtung, d. h. waagerecht zur Längsausdehnung des Zellverbunds Z, verpresst. Die Zuganker 9.1 bis 9.4 sind dabei gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels durch den Zellverbund Z, d. h. randseitig durch die
Gehäuseseitenwände 2.1 , 2.2 und die Rahmen 2.3 der Einzelzellen 2, die
Hochvoltkontakte 3, 4, die Isolationselemente 5, 6 und die Druckplatten 7, 8
hindurchgeführt. Alternativ sind die Zuganker 9.1 bis 9.4 in nicht näher dargestellter Weise außerhalb des Zellverbunds Z entlang geführt.
Die Isolationselemente 5, 6 und die Druckplatten 7, 8 weisen hierbei insbesondere die gleiche Form auf, wobei aufgrund der rahmenförmigen Ausbildung ein geringes
Gesamtgewicht der Batterie 1 erzielt wird. Aus der dargestellten Anordnung der
Isolationselemente 5, 6 folgt, dass sowohl die Druckplatten 5, 6 als auch die
Zuganker 9.1 bis 9.4 elektrisch von den Einzelzellen 2 isoliert sind.
Zur Kühlung der Einzelzellen 2 und der aus diesen gebildeten Batterie 1 ist
erfindungsgemäß zumindest eine der Gehäuseseitenwände 2.1 oder 2.2 der jeweiligen Einzelzelle 2 vollständig über einen Randbereich des Rahmens 2.3 hinausragend ausgebildet, wobei der hinausragende Bereich ein Kühlelement 2.4 bildet. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Gehäuseseitenwand 2.2 der
Einzelzellen 2 über den Rahmen 2.3 hinausragend ausgebildet, wobei sich bei der dargestellten Anordnung der Einzelzellen 2 nebeneinander zwischen den
Kühlelementen 2.4 jeweils nach oben geöffnete Kühlkanäle ausbilden, welche parallel zueinander und quer zur Längsausdehnung des Zellverbunds Z verlaufen. Alternativ sind in nicht näher dargestellter Weise beide Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 über den Rahmen 2.3 hinausragend ausgebildet, so dass sich an beiden
Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 jeweils ein Kühlelement 2.4 ausbildet.
Weiterhin ist an dem aus den Einzelzellen 2 gebildeten Zellverbund Z auf einer den Kühlelementen 2.4 zugewandten Seite ein Deckelelement 10 angeordnet. Dabei entspricht eine Breiten- und Längenausdehnung des Deckelelements 10 einer Breite und Länge des Zellverbunds Z. Das heißt, das Deckelelement 10 deckt, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, den Zellverbund Z vollständig ab.
Dabei ist das Deckelelement 10 aus einer Flachseite 10.1 und zwei
Seitenwandelementen 10.2 und 10.3 gebildet, wobei die Flachseite 10.1 senkrecht zur Höhenausdehnung der Kühlelemente 2.4, d. h. quer zum Zellverbund Z angeordnet ist. Die Seitenwandelemente 10.2, 10.3 sind an zwei sich gegenüberliegenden Enden der Flachseite 10.1 gegenüber der Flachseite 10.1 in Richtung zum Zellverbund Z um 90° abgewinkelt und verlaufen jeweils parallel zu den Kühlelementen 2.4 der
Gehäuseseitenwände 2.2. Eine Höhe der Seitenwandelemente 10.2, 10.3 ist größer als eine Höhe der Kühlelemente 2.4 ausgebildet, so die Kühlelemente 2.4 und die
Flachseite 0.1 des Deckelelements 10 voneinander beabstandet sind. Dadurch werden elektrische Kurzschlüsse zwischen den Einzelzellen 2 vermieden.
In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform des Deckelelements 10 entspricht die Höhe der Seitenwandelemente 10.2, 10.3 der Höhe der Kühlelemente 2.4. In diesem Fall ist bei einer metallischen Ausführung des Deckelelements 10 zumindest zwischen der Flachseite 10.1 und den Kühlelementen 2.4 ein elektrisch isolierendes Material angeordnet, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Alternativ ist auch eine vollständige Ausbildung des Deckelelements 10 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, möglich.
Das Deckelelement 10 ist mittels einer kraft-, stoff- und/oder formschlüssigen Verbindung an dem Zellverbund Z befestigt, wobei die kraft-, stoff- und/oder formschlüssige
Verbindung beispielsweise als Verschraubung, Vernietung, Verklebung und/oder Verschweißung ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das
Deckelelement 10 jeweils an den Druckplatten 7, 8 befestigt, insbesondere verklebt. Somit bilden die Kühlelemente 2.4 der Einzelzellen 2 und das Deckelelement 10 im zusammengesetzten Zustand der Batterie 1 , d. h. bei dem auf den Zellverbund Z aufgebrachten Deckelelement 10, ein Leitelement L zur Leitung eines Kühlmediums. Dabei ist das Leitelement L beispielsweise mit Luft oder einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagbar. Als flüssiges Kühlmedium eignen sich hierbei insbesondere elektrisch nicht leitfähige Kühlöle, wie Transformatorenöl, wobei aufgrund der direkten
Beaufschlagung des Leitelements L mit dem Kühlmedium eine große Wärmeabgabe und daraus folgend eine effektive Kühlung erzielbar sind.
Um einen Eintrag von Fremdkörpern und vor allem Feuchtigkeit zwischen den
Einzelzellen 2 zu vermeiden, ist gemäß Figur 5 ein Dichtelement 11 auf jeweils zwischen den Kühlelementen 2.4 benachbarter Einzelzellen 2 angeordnete Stirnseiten der Rahmen 2.3 aufgebracht, wobei das Dichtelement 11 im dargestellten
Ausführungsbeispiel als alle die dem Deckelelement 10 zugewandten Stirnseiten der Rahmen 2.3 umfassende Vergussmasse aufgebracht ist. Alternativ ist auch eine
Anordnung von Einzeldichtungen für jeden Kühlkanal möglich, wobei sowohl die
Einzeldichtungen als auch das mehrere Stirnseiten der Rahmen 2.3 der Einzelzellen 2 umfassende Dichtelement 11 aus Vergussmasse, Gummi oder Kunststoff gebildet sein können.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Einzelzelle 2 in verschiedenen Darstellungen. Bei der Einzelzelle 2 handelt es sich um eine Rahmenflachzelle, wobei ein Zellengehäuse G aus den zwei Gehäuseseitenwänden 2.1 , 2.2 und dem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen 2.3 gebildet ist. Im Inneren des Zellengehäuses G ist ein elektrochemisch aktiver Elektrodenstapel 2.5 angeordnet, dessen Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu jeweils einem Pol P verbunden sind, wobei die Pole P jeweils elektrisch leitend mit einer der Gehäuseseitenwände 2.1 , 2.2 verbunden sind.
Dabei sind die Elektroden des Elektrodenstapels aus Elektrodenfolien gebildet, wobei zwischen den Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität eine Separatorfolie angeordnet ist und über einen Randbereich des Elektrodenstapels 2.5 hinausragende
Elektrodenfolien gleicher Polarität jeweils zu einer Stromabieiterfahne zusammengefasst sind. Diese Stromabieiterfahnen bilden die Pole des Elektrodenstapels. Zur Fixierung des Elektrodenstapels 2.5 innerhalb des Zellengehäuses G weist der Rahmen zwei voneinander beabstandete Materialrücknahmen M1 , M2 zur Aufnahme der Stromabieiterfahnen auf. Zu einem Verschließen der Einzelzellen 2 und zu Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem Elektrodenstapel 2.5 und den
Gehäuseseitenwänden 2.1 , 2.2 wird der Rahmen 2.3 an den
Gehäuseseitenwänden 2.1 , 2.2 zugewandten Flächen zumindest oberflächig
angeschmolzen und die Gehäuseseitenwände 2.1 , 2.2 werden anschließend unter Druck an den Rahmen 2.3 gefügt. Zu diesem Zweck ist der Rahmen 2.3 vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material gebildet.
Da eine Längen- und Breitenausdehnung der Materialrücknahmen M1 , M2 in vorteilhafter Weise zumindest der Längen- und Breitenausdehnung der Stromabieiterfahnen, d. h. der Pole P, entspricht und eine Höhenausdehnung genauso groß oder kleiner als die
Höhenausdehnung der frei übereinander gestapelten Stromabieiterfahnen ist, wird zum einen in einfacher Weise der elektrische Kontakt zwischen den Polen P und den
Gehäuseseitenwänden 2.1 , 2.2 hergestellt und zum anderen ist der Elektrodenstapel 2.5 sicher in dem Zellengehäuse G gehaltert. Zusätzlich können die Stromabieiterfahnen mit der zugehörigen Gehäuseseitenwand 2.1 , 2.2 verschweißt sein, so dass eine
stoffschlüssige Verbindung zwischen den Polen P des Elektrodenstapels 2.5 und den Gehäuseseitenwänden 2.1 , 2.2 entsteht, welche sich durch einen geringen elektrischen Übergangswiderstand auszeichnet.
Die dargestellte Einzelzelle 2 weist im Bereich des Kühlelements 2.4, welches durch eine über den Rahmen 2.3 hinausragende Ausbildung der Gehäuseseitenwand 2.2 gebildet ist, Verwirbelungsmittel V auf, anhand welcher Verwirbelungen der Strömung des
Kühlmediums innerhalb der gebildeten Kühlkanäle erzeugbar sind. Aus diesen
Verwirbelungen resultiert wiederum eine Vergrößerung eines Wärmeübergangs zwischen den Kühlelementen 2.4 und dem Kühlmedium. Die Verwirbelungsmittel V sind dabei beispielsweise durch auf eine Oberfläche der Kühlelemente 2.4 aufgebrachte oder in diese eingebrachte Strukturen und/oder Leistelemente gebildet, wobei die
Verwirbelungsmittel V insbesondere zu einer Erhöhung einer Rauhigkeit der Oberfläche und/oder zu einer gezielten Führung des Kühlmediums an der Oberfläche der
Kühlelemente 2.4 führen. Die Figuren 8 bis 10 stellen eine Batterie 1 in verschiedenen Ansichten dar. Die
Kühlelemente 2.4 der Einzelzellen 2 sind dabei wellenförmig geformt, so dass eine Wärmeübertragungsfläche zwischen den Kühlelementen 2.4 und dem Kühlmittel erhöht ist. Alternativ sind in nicht näher dargestellter Weise auch weitere Umformungen, insbesondere mäanderförmige Ausbildungen der Kühlelemente 2.4 vorgesehen, um die effektive Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen.
In einer weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildung sind an den Kühlelementen 2.4 alternativ oder zusätzlich Kühlkörper angeordnet, wobei diese vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass die effektive Wärmeübertragungsfläche weiter vergrößert und somit die Wärmeabgabe der Einzelzellen 2 an das Kühlmedium maximiert ist

Claims

Patentansprüche
1 . Einzelzelle (2) mit einem Zellengehäuse (G), wobei das Zellengehäuse (G) aus zwei Gehäuseseitenwänden (2.1 , 2.2) und einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen (2.3) gebildet ist, wobei im Inneren des
Zellengehäuses (G) ein elektrochemisch aktiver Elektrodenstapel (2.5) angeordnet ist, dessen Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu jeweils einem Pol (P) verbunden sind, wobei die Pole (P) jeweils elektrisch leitend mit einer der Gehäuseseitenwände (2.1 , 2.2) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine der Gehäuseseitenwände (2.1 , 2.2) vollständig über einen
Randbereich des Rahmens (2.3) hinausragend ausgebildet ist, wobei der hinausragende Bereich ein Kühlelement (2.4) bildet.
2. Einzelzelle (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Kühlelement (2.4) der jeweiligen Gehäuseseitenwand (2.1 , 2.2) ein
Kühlkörper thermisch gekoppelt ist.
3. Einzelzelle (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (2.4) mäander- oder wellenförmig geformt ist.
4. Einzelzelle (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlelement (2.4) Verwirbelungsmittel (V) aufweist.
5. Einzelzelle (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
Kühlelemente (2.4) an beiden Gehäuseseitenwänden (2.1 , 2.2) vollständig über den Randbereich des Rahmens (2.3) hinausragend ausgebildet sind, wobei auf einer zwischen den Kühlelementen (2.4) angeordneten Stirnseite des Rahmens (2.3) ein Dichtelement (11 ) angeordnet ist.
Einzelzelle (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektroden des Elektrodenstapels (2.5) aus Elektrodenfolien gebildet sind und zwischen Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität eine Separatorfolie angeordnet ist und über einen Randbereich des Elektrodenstapels (2.5)
hinausragende Elektrodenfolien gleicher Polarität jeweils zu einer
Stromabieiterfahne zusammengefasst sind, wobei die Stromabieiterfahnen die Pole (P) des Elektrodenstapels (2.5) bilden.
Einzelzelle (2) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in den Rahmen (2.3) zwei voneinander beabstandete Materialrücknahmen (M1 , M2) zur Aufnahme der Stromabieiterfahnen eingebracht sind.
Batterie (1 ) mit einer Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Batterie (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem aus den Einzelzellen (2) gebildeten Zellverbund (Z) auf einer den
Kühlelementen (2.4) zugewandten Seite ein Deckelelement (10) angeordnet ist, so dass zwischen den Kühleiementen (2.4) von benachbart angeordneten
Einzelzellen (2) jeweils Kühlkanäle ausgebildet sind, welche seitlich anhand der Kühlelemente (2.4) und an der dem Zellverbund (Z) abgewandten Seite anhand des Gehäusedeckels (10) begrenzt sind.
Batterie (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zusammengesetzten Zustand die Kühlelemente (2.4) und das
Deckelelement (10) ein Leitelement (L) zur Leitung eines Kühlmediums bilden.
11. Batterie (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Breite und eine Länge des Deckelelements (10) einer Breite und einer Länge des Zellverbunds (Z) entsprechen.
12. Batterie (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Deckelelement (10) aus einer Flachseite (10.1 ) und zwei
Seitenwandelementen (10.2, 0.3) gebildet ist, wobei die
Seitenwandelemente (10.2, 10.3) an zwei sich gegenüberliegenden Enden der Flachseite (10.1 ) gegenüber der Flachseite (10.1 ) in Richtung zum Zellverbund (Z) abgewinkelt sind und im zusammengesetzten Zustand jeweils parallel zu den Kühlelementen (2.4) der Gehäuseseitenwände (2.1 , 2.2) verlaufen.
13. Batterie (1 ) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Höhe der Seitenwandelemente (10.2, 10.3) zumindest einer Höhe der Kühlelemente (2.4) der Gehäuseseitenwände (2.1 , 2.2) entspricht oder größer als diese ist.
14. Batterie (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf jeweils zwischen zwei Kühlelementen (2.4) der Gehäuseseitenwände (2.1 , 2.2) einer der Einzelzellen (2) oder benachbarter Einzelzellen (2) angeordneten Stirnseiten der Rahmen (2.3) zumindest ein Dichtelement (11 ) aufgebracht ist.
15. Batterie (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterie (1 ) eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie (1 ) für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist.
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