EP3642891A1 - Flexible kühlplatte für eine batterie - Google Patents

Flexible kühlplatte für eine batterie

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EP3642891A1
EP3642891A1 EP18726922.0A EP18726922A EP3642891A1 EP 3642891 A1 EP3642891 A1 EP 3642891A1 EP 18726922 A EP18726922 A EP 18726922A EP 3642891 A1 EP3642891 A1 EP 3642891A1
Authority
EP
European Patent Office
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film
cooling plate
flexible cooling
battery
flexible
Prior art date
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Pending
Application number
EP18726922.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Schmid-Schoenbein
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a flexible cooling plate for a battery, to a battery cell system and a battery comprising the flexible cooling plate, and to the use of the battery according to the preamble of the independent claims.
  • a battery is an electrochemical energy store that, when discharged, converts the stored chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such as wind turbines, in motor vehicles that are designed as hybrid or electric motor vehicles, as well as in
  • the operating temperature has one
  • cooling systems have Basis of air cooling, coolant cooling or refrigerant cooling established.
  • coolant cooling or refrigerant cooling established.
  • one or more cell modules are brought into thermal contact with a so-called cooling plate and tempered by direct heat conduction.
  • a sufficiently good thermal contact between the battery cells of the corresponding modules and the associated cooling plate plays an important role and is crucial for the sufficient heat dissipation from the corresponding battery cells.
  • a battery with a heat absorbing element is disclosed, which is arranged between battery cells in a housing.
  • the heat-absorbing element in this case comprises, for example, an aluminum or nickel foil into which a medium is introduced.
  • a heat barrier system is disclosed, which is arranged between two battery cells.
  • the thermal barrier system includes, for example, a hydrophobic film in which, for example, a sponge-like material is introduced, which holds the thermal barrier system at the desired location.
  • the thermal barrier system may include many honeycomb-like chambers that are not interconnected.
  • Battery cell system in particular a lithium-ion battery cell system and a battery, in particular a lithium-ion battery comprising the flexible
  • Cooling plate as well as the use of the same with the characterizing
  • the flexible cooling plate according to the invention has a film into which a cooling medium can be introduced.
  • the film comprises, for example, a polypropylene and / or a polyethylene and / or a polyurethane and / or polyphenylene sulfide and / or a polyketone and / or a polyamide.
  • the film is also, for example, part of a laminate with aluminum or steel foil.
  • the flexible cooling plate comprises a system of fluidically interconnected foil chambers, with which a coolant inlet and a coolant outlet are in fluid communication.
  • the flexible cooling plate is movable and elastic by the film chambers and can perfectly adapt to the shape of the surface to be cooled, to which it is applied.
  • the surface on which the flexible cooling plate for example applied to a battery cell or to a plurality of battery cells, significantly increased compared to
  • the flexible cooling plate adapts to changes in the surface to be cooled, such as, for example, to intumescent battery cells, in terms of shape, and thus continues to bear against the entire surface. Furthermore, the flexible cooling plate can cling to shifting surfaces of the battery cells to be cooled. Such a shift of the surfaces to be cooled may be due to the swelling of the battery cells or by an external acceleration on the battery pack, which
  • Swelling of battery cells is done for example by storage and removal of lithium ions during charging and discharging cycles or age-related by gas formation inside the battery cell. Furthermore, the
  • the flexible cooling plate can expand by the applied liquid pressure after assembly.
  • a simplified force-free assembly in a compact state is possible. Manufacturing tolerances caused by insulating air gaps between the battery cells and the flexible
  • Cooling plate are then removed by expanding the flexible cooling plate during its operation.
  • the film of the flexible cooling plate comprises a first film and a second film, wherein the first film is so connected to the second film at certain intervals that the fluidically interconnected film chambers between the first film and the second film are formed.
  • the connection between the first film and the second film is for example a sealed connection, a welded connection and / or an adhesive connection.
  • the film chambers which are fluidly interconnected by the connection of the first film and the second film are preferably arranged parallel to one another.
  • the film chambers are preferably open at two ends, which point in the direction of the coolant inlet and the coolant outlet, so that cooling medium which flows through the coolant inlet into the flexible cooling plate enters the film chambers through the open ends and flows along the film chambers until it reaches the other open Ends which face the coolant outlet, the foil chambers leaves again and exits through the coolant outlet again from the flexible cooling plate.
  • Direction is directed and selectively flows through the foil chambers, so that the heated cooling medium is not too long dwells in the flexible cooling plate, but again flows out of this and can deliver the heat absorbed outside the flexible cooling plate.
  • cooling medium can be passed through the foil chambers so past the battery cells, that all foil chambers heat evenly and all battery cells are cooled as uniformly as possible.
  • connection between the first film and the second film is not continuous, so that cooling medium, which flows into a film chamber through one or more gaps in the connection between the film chambers can flow into adjacent film chambers.
  • Cooling medium between the different film chambers can compensate by the cooling medium by the passage into adjacent film chambers mixed. This is advantageous in particular when different parts of the surface to be cooled, for example the battery cell, heat to different degrees.
  • the film chambers are not arranged in a straight line parallel to each other, but have a different shape, which, for example
  • the advantage here is that the cooling medium flows past a larger area of the element to be cooled, for example one or more battery cells, and thus can absorb and dissipate more heat.
  • the flexible cooling plate can be produced very simply, since the first and the second foil of the flexible cooling plate bend,
  • a plastic component sealed to the first film and / or to the second film serves as a coolant inlet and / or as a coolant outlet.
  • the plastic component is for example an injection-molded component.
  • the advantage here is that the production, for example, the seal, is very simple and inexpensive.
  • the film of the flexible cooling plate comprises a first film and a second film and the flexible cooling plate further comprises a molded part, in particular a plastic molded part.
  • the molded part has, in particular, parallel ribs, between which the fluidically interconnected foil chambers extend.
  • the first film is advantageously located on a first side of the molding and the second film is advantageously located on a second side of the molding so that the first film and the second film envelop the molding at least partially.
  • Between the particular parallel ribs of the molding extend the Foil chambers, which are bounded on the first side of the first film and on the second side of the second film.
  • the flexible cooling plate is given by the molding a certain strength and dimensional stability, but this is still movable and elastic by the film chambers and the shape of the cooled
  • the flexible cooling plate is easier to grasp in manufacturing and easier to place. Furthermore, the foil chambers stabilized by the molded part prevent the structure of the foil chambers filled with cooling medium from being collobed. This is from
  • the molded part is for example an injection-molded part.
  • the ribs of the molding are not arranged in a straight line parallel, but have a different shape, which is formed, for example, meandering.
  • the interconnected foil chambers then have a meandering shape.
  • first film and the second film at certain intervals connected to the molding, in particular the ribs of the molding, in particular sealed, that the fluidically interconnected film chambers between the first film and the second film are.
  • the first film is fastened on a first side of the ribs of the molded part
  • the second film is fastened on a second side of the ribs of the molded part, so that film chambers are created between the ribs of the molded part.
  • the advantage here is that the film chambers of the molding are very stable in this way and remain dimensionally true, and yet are elastic and adapt to the surface to be cooled.
  • the first film and the second film extend beyond the edges of the molded part, so that the first and the second film can be connected to one another and at least partially enclose the molded part. This connection may be, for example, a sealed or welded joint.
  • the first film and the second film do not protrude beyond the molding.
  • the first and second foils are then sealed or welded, for example, to the edges of the molded part.
  • the molded part comprises, for example, fastening means, in particular eyelets, wherein the fastening means are for example localized at the edges of the molded part and serve for fastening the molded part.
  • the molding can then be screwed for example.
  • the molding comprises a coolant inlet nozzle, which serves as a coolant inlet and a collector, which on the
  • Coolant inlet nozzle adjacent.
  • the advantage here is that the collector acts as a kind of inverted funnel and distributes the cooling medium.
  • the cooling medium which flows into the flexible cooling plate via the coolant inlet connection, passes from the coolant inlet connection to the collector.
  • the collector has, for example, the shape of a roof, which drops perpendicular to the foil chambers and thereby distributes the cooling medium to the width of the flexible cooling plate, so that the cooling medium does not collect at the point of entry.
  • the cooling medium finally flows into the foil chambers. That way
  • a sealing method in particular a thermal sealing method or an ultrasonic sealing method, is used for connecting the first and the second film of the film chambers to one another or for connecting the first and the second film to the ribs of the molded part.
  • the flexible cooling plate inflates by itself.
  • the final shape is determined by the fluid pressure and the geometry of the film (s).
  • the film is inflated by the internal pressure until it touches an external surface, such as a battery cell, which prevents further expansion.
  • the film may be formed in a stretchable form so that air gaps can be bridged beyond the unstretched length of the film.
  • the flexible comprises
  • Cooling plate in the film chambers for example, plastic mold, in particular plastic grids, which are introduced into the film chambers.
  • plastic mold in particular plastic grids, which are introduced into the film chambers.
  • the advantage here is that the strength of the flexible cooling plate is increased by the plastic molding and the film chambers through the
  • the structure comprising the flexible cooling plate and the battery cells or battery modules is then stronger and more stable.
  • Turbulence is generated within the foil chambers.
  • the cooling medium mixes efficiently within the foil chambers.
  • the cooling medium which flows in an outer region of the film chamber and thus absorbs a lot of heat from the surface to be cooled, mixes with
  • Cooling medium which flows in a central region of the film chamber and thus absorbs less heat. In this way, the cooling medium can absorb more heat.
  • the plastic formers include, for example, several components, the individual parts are not related to each other. Alternatively, the plastic former is a single component. In all the above embodiments and variants flows through the
  • Cooling medium for example, continuously, in particular in a circuit.
  • the advantage here is that heat is absorbed by the surface to be cooled by the cooling medium in the flexible cooling plate and the cooling medium is cooled again after leaving the flexible cooling plate. In this way, an efficient cooling of the components to be cooled is guaranteed.
  • the cooling medium is for example a water-glycol mixture.
  • the cooling medium is for example water, oil, a water-oil mixture or a gas, in particular air.
  • the flexible cooling plate is preferably part of a cooling system, wherein the cooling system further comprises, for example, a heat exchanger, a fan and a pump.
  • the cooling medium which by the absorption of heat, for example from one or more battery cells, the
  • Coolant outlet from the flexible cooling plate addition is directed, for example, to a heat exchanger.
  • the cooling medium is blown, for example, by a fan with cold air, so that cools the warm cooling medium.
  • the cooled cooling medium of the flexible cooling plate is again supplied via the coolant inlet, where it re-enters the foil chambers of the flexible cooling plate.
  • the coolant circuit is driven for example by a pump.
  • the flexible cooling plate is arranged, for example, on or between pouch foils of a battery cell system, the pouch foils being separated from one another by pockets for introducing
  • Form electrode interconnects the pockets are electrolyte-impermeable and wherein the pockets, especially in the operating state of the battery cell system, are physically connected to each other foldable over the Pouchfolie.
  • pouch film in the context of this invention means a flexible film, in particular a composite film, which is impermeable to electrolyte.
  • the pouch film comprises, for example, a composite of polyamide,
  • the pouch film has, for example, a thickness of 40-200 ⁇ .
  • the pouch film comprises a laminate without aluminum, in particular without metal, instead of a conventional polyethylene and aluminum pouch film.
  • electrode composite is to be understood as meaning a composite comprising at least one anode and at least one cathode, which can reversibly charge and remove lithium ions.
  • the electrode assembly comprises at least one separator, which separates the anode and the cathode both spatially and electrically from each other.
  • the anode, the separator and the cathode may be wound together or stacked one on top of the other.
  • the electrode composites are introduced into the separate pockets of the pouch film.
  • one electrode composite together with a pocket of the pouch foil forms a battery cell or a pouch cell, wherein the pouch cells are physically connected to each other in a foldable manner via the pouch foil.
  • the advantage here is that such a battery cell system can be designed very flexible.
  • the pouch film with the contiguous pockets can be folded in many different ways, so that the shape of the battery cell system can be individually designed, for example, in terms of space requirements, size, folding techniques and contacting options.
  • the battery cell system has no limit as far as the stack height is concerned. For example, several battery cell systems can be stacked on top of each other or at least one
  • Battery cell system is folded such that the contiguous
  • Pouch cells are arranged on top of each other.
  • the electrode composites which are introduced into the pockets of the poch film can swell due to the flexible surrounding pouch film, for example, by storage and removal operations of the lithium ions or age-related. This prevents shifts and
  • An advantage of a battery cell system comprising the flexible cooling plate is that the battery cell system is very flexible.
  • Electrode bonds are very flexible and bendable, which gives much freedom in the design of the battery cell system, for example with regard to the structure, the shape and the size of the battery cell system. Because both the pouch film with introduced electrode interconnections as well as the flexible
  • Cooling plate as a delimitation include a film, a particularly good juxtaposition of the two components is ensured, so that the respective films lie substantially over the entire surface together.
  • the flexible cooling plate is arranged, for example, on or between pouch foils of a battery cell system,
  • the first foil of the flexible cooling plate and / or the second foil of the flexible cooling plate simultaneously form part of a pouch foil of a battery cell of the battery cell system.
  • the advantage here is that thus material and cost of the film, which are eliminated saves. Furthermore, a slipping of the flexible cooling plate is not possible in this way. Also, the flexible cooling plate and the pouch film of the battery cell system are thus inevitably on the entire surface to each other, which ensures a particularly good heat transfer.
  • a battery comprising the flexible cooling plate and in particular a battery cell system is the subject of the present invention wherein the flexible cooling plate is arranged on or between battery modules of the battery, in particular on or between battery modules, which have a flexible housing, which forms a hermetic barrier and the whole Battery cell system and the voltage tap of the battery module wrapped.
  • the flexible cooling plate is likewise arranged inside the enclosure.
  • the cooling plate is outside the
  • battery cell system is to be understood here as a plurality of pouch cells, which together form a battery module.
  • the smallest unit of a corresponding battery module form two pouch cells.
  • envelope is used in the context of this invention.
  • the wrapper is made moisture impermeable.
  • the wrapper includes, for example
  • the battery is used for example in an electric vehicle, in a hybrid vehicle or in a plug-in hybrid vehicle. Alternatively, the finds
  • Battery for example, application in ships, two-wheelers, aircraft, stationary energy storage, power tools, consumer electronics and / or household appliances.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a flexible cooling plate according to the invention with foil chambers in a cross section
  • Figure 2 a schematic 3D representation of a second
  • Figure 3 is a schematic representation of a 3D view of a
  • Figure 4 a schematic representation of a battery module with two
  • Battery cell systems according to Figure 4, and Figure 5 a schematic representation of a battery with battery modules and a flexible cooling plate according to the invention in a cross section.
  • Figure 1 is a cross section through a flexible cooling plate 40 in a first
  • the flexible cooling plate 40 has a foil 41 which comprises, for example, a polypropylene and / or a polyethylene and / or a polyurethane and / or polyphenylene sulfide and / or a polyketone and / or a polyamide.
  • the film 41 is also part of a
  • Laminate with aluminum or steel foil Laminate with aluminum or steel foil.
  • the flexible cooling plate 40 has a system fluidly interconnected
  • the film 41 of the flexible cooling plate 40 comprises a first film 41 a and a second film 41 b.
  • the first film 41a is connected at certain intervals to the second film 41b such that the fluidically interconnected film chambers 45 are formed between the first film 41a and the second film 41b.
  • Foil 41a with the second foil 41b is, for example, a sealed joint or a welded joint.
  • a not shown in Figure 1 coolant inlet and a not shown in Figure 1 coolant outlet are in fluid communication with the
  • first film 41a and / or to the second film 41 b sealed plastic component For example, one each to the first film 41a and / or to the second film 41 b sealed plastic component.
  • plastic-formers 47 in particular plastic grids, introduced, which to increase the
  • the film chambers 45 of the flexible cooling plate 40 for example, continuously flowed through by a cooling medium 43, in particular in a circuit.
  • FIG. 1 shows a flexible cooling plate 40 in a second embodiment.
  • the flexible cooling plate 40 comprises a foil 41 and a shaped part 50, in particular a plastic molded part.
  • the molded part 50 is, for example, an injection-molded part.
  • the molded part 50 has ribs 51 arranged in parallel.
  • the film 41 of the flexible cooling plate 40 comprises a first film 41 a and a second film 41 b.
  • the first film 41 a is located on a first side, in FIG.
  • the first film 41a and the second film 41b envelop the molding 50.
  • film chambers 45 which are delimited on the first side of the first film 41 a and 41 b on the second side of the second film.
  • the foil chambers 45 are fluidically connected to each other.
  • the first foil 41 a and the second foil 41 b are connected to the ribs 51 of the
  • Molded part 50 connected, in particular sealed.
  • the fluidically interconnected foil chambers 45 are formed between the first foil 41a and the second foil 41b.
  • the ribs 51 of the shaped part 50 are not arranged in a straight line in parallel, but instead have a different shape, which is meander-shaped, for example.
  • the first film 41 a and the second film 41 b project beyond the edges of the molded part 50 and are connected to one another there, for example via a sealed or welded connection, so that they enclose the molded part 50.
  • the first foil 41 a and the second foil 41 b do not protrude beyond the shaped part 50.
  • the first and the second film 41 a, 41 b are then sealed or welded to the edges of the molding 50, for example.
  • the molded part 50 comprises, for example, fastening means 53, in particular eyelets.
  • the attachment means 53 are located at the edges of the molding 50 and serve to secure the molding 50 to other components.
  • the molded part 50 comprises a coolant inlet pipe 55, which as
  • Coolant inlet serves as well as a collector 57, which at the
  • Coolant inlet nozzle 55 adjacent.
  • the molded part 50 comprises a coolant outlet port 59, as well as a further collector 61.
  • plastic-form sensor in particular plastic grating, are introduced. Which may be formed in one piece or multiple parts.
  • the film chambers 45 of the flexible cooling plate 40 for example, continuously with a cooling medium, in particular in a circuit flows through.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a battery cell system 1.
  • the battery cell system 1 has a pouch film 3 and three electrode composites 5.
  • the three electrode composites 5 represent any number of electrode interconnections 5.
  • the pouch film 3 has a length L and a width B, wherein the length L is longer than the width B. Furthermore, the pouch film 3 has a first
  • the pouch film 3 forms separate pockets 12, which are foldably connected to each other.
  • the pouch film 3 is
  • Each electrode composite 5 has an anode with an anode contact lug 7, a separator and a cathode with a cathode contact lug 8, which are stacked on top of each other.
  • anode with an anode contact lug 7, a separator and a cathode with a cathode contact lug 8, which are stacked on top of each other.
  • an electrode assembly 5 a plurality of anodes and / or anode contact lugs 7 and a plurality of cathodes and / or
  • Cathode contact lugs 8 are used for electrical contacting of the anode and the cathode.
  • an electrode assembly 5 is inserted such that the anode contact lug 7 and the Cathode contact lug 8 offset from each other over a first side length L1 of the pouch film 3 survive.
  • an electrode composite 5 forms a pouch cell 10 together with a pocket 12 of the pouch film 3.
  • the pouch film 3 comprises, for example, a composite of polyamide,
  • Metal in particular aluminum.
  • the pouch film 3 is folded over along the longitudinal extent, so that a first pouch film half 3a and a second pouch film half 3b are present.
  • 3b are the width B to in, in particular regular,
  • transverse seams 14 a Interspersed transverse seams 14 a introduced, which form spatially separated pockets 12.
  • the transverse seams 14a are introduced, for example, by sealing the two Pouchfolienhstedn 3a, 3b with each other.
  • the pockets 12 of the pouch film 3 are closed length L according to a longitudinal seam 14b, which is introduced, for example, by sealing the Pouchfolienhcann 3a, 3b at its open end.
  • the anode contact lugs 7 and the cathode contact lugs 8 in an area in which they to the
  • Pouch foil halves 3a, 3b abut, with sealed.
  • an electrolyte is introduced, wherein the pockets 12 form a barrier to the electrolyte.
  • the battery cell system 1 furthermore comprises at least one flexible cooling plate 40 (not shown in FIG. 3), in particular according to FIG. 1 or 2
  • Battery cell system 1 is arranged.
  • the first foil 41a of the flexible cooling plate 40 and / or the second foil 41b of the flexible cooling plate 40 simultaneously form part of a pouch foil 3 of a battery cell 10 of FIG
  • FIG. 4 shows an embodiment of a battery module 100 having two
  • the pouch cells 10 of the first battery cell system 1 a are in this case slightly offset from the pouch cells 10 of the second battery cell system 1 b. It is one each
  • the anode contact lug 7 of the first pouch cell 10a of the first battery cell system 1a is in turn electrically contacted with the cathode contact lug 8 of the second pouch cell 10b of the second battery cell system 1b. That way, everyone is
  • Balancing lines 39 for balancing for example in the form of
  • Ribbon cables attached. They are connected to the cell monitoring system CSC.
  • a flexible enclosure 20 is mounted around the battery module 100 which is a hermetic moisture barrier and encloses it in a moisture-tight manner.
  • At least one flexible cooling plate 40 rests against the battery module 100.
  • the flexible / n cooling plate / n 40 is / are here one or both sides of the
  • the movable flexible enclosure 20 of the battery module 100 is arranged.
  • Battery module 100 is arranged.
  • the battery module 100 comprises, for example, only one battery cell system 1 around which the flexible housing 20 is mounted.
  • FIG. 5 shows a battery 1000 with battery modules 100 and a flexible cooling plate 40 according to the invention according to FIG. 1 in a cross section. On both sides of the flexible cooling plate 40, a respective battery module 100 is arranged.
  • the battery modules 100 of the battery 1000 each comprise five battery cells 10, which stand by way of example for any number of battery cells 10.
  • the battery modules 100 are
  • a battery module 100 according to FIG. 4 is arranged on both sides of the flexible cooling plate 40.
  • the battery cells 10 of the battery modules 100 are, for example, prismatic battery cells with a rigid housing.
  • the battery 1000 is limited by a battery case 1001.

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Abstract

Es wird eine flexible Kühlplatte (40) für eine Batterie mit einer Folie (41) in welche ein Kühlmedium (43) einbringbar ist beschrieben, wobei die flexible Kühlplatte (40) ein System fluidisch miteinander verbundener Folienkammern (45) aufweist und wobei ein Kühlmitteleintritt und ein Kühlmittelaustritt in fluidischer Verbindung mit den Folienkammern (45) steht.

Description

Beschreibung
Titel
Flexible Kühlplatte für eine Batterie
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flexible Kühlplatte für eine Batterie, auf ein Batteriezellsystem und eine Batterie umfassend die flexible Kühlplatte, sowie auf die Verwendung der Batterie nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei
Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
Für eine optimale Leistungsbilanz und eine ausreichend hohe Lebensdauer derartiger Batteriesysteme ist es von Bedeutung, diese innerhalb eines optimalen Temperaturbereiches zu betreiben. Die Betriebstemperatur hat einen
wesentlichen Einfluss auf den Grad der Leistungsbereitstellung, das Ausmaß der Alterung, die erreichbare Lebensdauer und die Gewährleistung der
Betriebssicherheit eines Batteriesystems. Aus diesem Grund wird das
Batteriesystem gezielt gekühlt. Als Kühlkonzepte haben sich Kühlsysteme auf Basis einer Luftkühlung, einer Kühlmittelkühlung oder einer Kältemittelkühlung etabliert. Standardmäßig werden dabei eines oder mehrere Zellmodule in thermischem Kontakt mit einer sogenannten Kühlplatte gebracht und durch direkte Wärmeleitung temperiert. Dabei spielt ein ausreichend guter thermischer Kontakt zwischen den Batteriezellen der entsprechenden Module und der zugeordneten Kühlplatte eine wichtige Rolle und ist entscheidend für die eine ausreichende Wärmeabfuhr aus den entsprechenden Batteriezellen.
In der US 2007/292751 ist eine Batterie mit einem Wärme absorbierenden Element offenbart, welches zwischen Batteriezellen in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Wärme absorbierende Element umfasst hierbei beispielsweise eine Aluminium- oder Nickelfolie, in welche ein Medium eingebracht ist.
In der US 2014/0224465 ist ein Wärmebarrieresystem offenbart, welches zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist. Das Wärmebarrieresystem umfasst beispielsweise eine hydrophobe Folie, in welche beispielsweise ein Schwammartiges Material eingebracht ist, welches das Wärmebarrieresystem an dem gewollten Ort hält. Das Wärmebarrieresystem kann viele wabenartige Kammern enthalten, welche nicht miteinander verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine flexible Kühlplatte für eine Batterie sowie ein
Batteriezellsystem, insbesondere ein Lithiumionen-Batteriezellsystem und eine Batterie, insbesondere eine Lithiumionen-Batterie umfassend die flexible
Kühlplatte, sowie die Verwendung derselben mit den kennzeichnenden
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
Die erfindungsgemäße flexible Kühlplatte weist eine Folie auf, in welche ein Kühlmedium einbringbar ist.
Die Folie umfasst beispielsweise ein Polypropylen und/oder ein Polyethylen und/oder ein Polyurethan und/oder Polyphenylensulfid und/oder ein Polyketon und/oder ein Polyamid. Die Folie ist weiterhin beispielsweise Bestandteil eines Laminats mit Aluminium- oder Stahlfolie.
Die flexible Kühlplatte umfasst ein System fluidisch miteinander verbundener Folienkammern, mit welchen ein Kühlmitteleintritt und ein Kühlmittelaustritt in fluidischer Verbindung steht.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die flexible Kühlplatte durch die Folienkammern bewegbar und elastisch ist und sich der Form der zu kühlenden Oberfläche, an welcher diese anliegt perfekt anpassen kann. Dadurch ist die Oberfläche, an welcher die flexible Kühlplatte, beispielsweis an einer Batteriezelle oder an mehreren Batteriezellen anliegt, deutlich vergrößert im Vergleich zu
herkömmlichen Kühlplatten, welche beispielsweise aus steifen Materialien hergestellt sind.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass sich die flexible Kühlplatte an Veränderungen der zu kühlenden Oberfläche, wie beispielsweise an anschwellende Batteriezellen, von der Form her anpasst und somit weiterhin vollflächig an dieser anliegt. Weiterhin kann sich die flexible Kühlplatte an sich verschiebende zu kühlende Oberflächen der Batteriezellen anschmiegen. Eine solche Verschiebung der zu kühlenden Oberflächen kann durch das Anschwellen der Batteriezellen oder durch eine äußere Beschleunigungen am Batteriepack, welches die
Batteriezellen umfasst, stattfinden.
Ein Anschwellen von Batteriezellen geschieht beispielsweise durch Ein- und Auslagerung von Lithiumionen bei Lade- und Entladezyklen oder altersbedingt durch Gasbildung im Inneren der Batteriezelle. Desweiteren sind die
Materialkosten für die flexible Kühlplatte sehr niedrig im Vergleich zu
herkömmlichen Kühlplatten.
Weiterhin vorteilhaft kann sich die flexible Kühlplatte durch den nach der Montage angelegten Flüssigkeitsinnendruck ausdehnen. So ist eine vereinfachte kraftfreie Montage im kompakten Zustand möglich. Durch Fertigungstoleranzen bedingte isolierende Luftspalte zwischen den Batteriezellen und der flexiblen
Kühlplatte werden dann durch das Ausdehnen der flexiblen Kühlplatte bei deren Betrieb entfernt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden flexiblen Kühlplatte ergeben sich aus den Unteransprüchen. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Folie der flexiblen Kühlplatte eine erste Folie und eine zweite Folie, wobei die erste Folie in bestimmten Abständen derart mit der zweiten Folie verbunden ist, dass die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie gebildet sind. Die Verbindung zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie ist beispielsweise eine Siegelverbindung, eine Schweißverbindung und/oder eine Klebeverbindung. Die durch die Verbindung der ersten Folie und der zweiten Folie miteinander entstehenden fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Die Folienkammern sind vorzugsweise an zwei Enden offen, welche in Richtung des Kühlmitteleintritts und des Kühlmittelaustritts weisen, sodass Kühlmedium welches durch den Kühlmitteleintritt in die flexible Kühlplatte einströmt durch die offenen Enden in die Folienkammern eintritt und entlang der Folienkammern strömt, bis es an den weiteren offenen Enden, welche dem Kühlmittelaustritt zugewandt sind, die Folienkammern wieder verlässt und durch den Kühlmittelaustritt wieder aus der flexiblen Kühlplatte austritt.
Vorteilhaft hierbei ist, dass das Kühlmedium auf diese Weise in die gewünschte
Richtung gelenkt wird und gezielt durch die Folienkammern fließt, sodass das erwärmte Kühlmedium nicht zu lange in der flexiblen Kühlplatte verweilt, sondern wieder aus dieser ausfließt und die aufgenommene Wärme außerhalb der flexiblen Kühlplatte abgeben kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Kühlmedium durch die Folienkammern so an den Batteriezellen vorbei geleitet werden kann, dass sich alle Folienkammern gleichmäßig erwärmen und alle Batteriezellen möglichst gleichförmig gekühlt werden.
In einer Variante der ersten Ausführungsform ist die Verbindung zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie nicht durchgängig, sodass Kühlmedium, welches in eine Folienkammer einströmt durch eine oder mehrere Lücken in der Verbindung zwischen den Folienkammern in benachbarte Folienkammern einfließen kann. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich die Temperatur des
Kühlmediums zwischen den verschiedenen Folienkammern ausgleichen kann indem sich das Kühlmedium durch den Übertritt in benachbarte Folienkammern vermischt. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn sich verschiedene Teile der zu kühlenden Oberfläche, beispielsweise der Batteriezelle, unterschiedlich stark erwärmen. In einer zusätzlichen oder alternativen Variante der ersten Ausführungsform sind die Folienkammern nicht geradlinig parallel zueinander angeordnet, sondern weisen eine davon abweichende Gestalt auf, welche beispielsweise
mäanderförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft hierbei ist, dass das Kühlmedium an einer größeren Fläche des zu kühlenden Elements, beispielsweise einer oder mehrerer Batteriezellen, vorbeiströmt und somit mehr Wärme aufnehmen und abführen kann.
Desweitere vorteilhaft ist, dass die flexible Kühlplatte sehr einfach herstellbar ist, da sich die erste und die zweite Folie der flexiblen Kühlplatte biegen,
umschlagen, erwärmen und siegeln lassen ohne beschädigt zu werden und auch nach der Herstellung biegsam, elastisch und faltbar sind, was zudem die
Lagerung und den Transport der flexiblen Kühlplatte erleichtert.
In der ersten Ausführungsform dient beispielsweise ein an die erste Folie und/oder an die zweite Folie angesiegeltes Kunststoffbauteil als Kühlmitteleintritt und/oder als Kühlmittelaustritt. Das Kunststoffbauteil ist beispielsweise ein spritzgegossenes Bauteil.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Herstellung, beispielsweise die Ansiegelung, sehr einfach und kostengünstig ist.
In einer zweiten Ausführungsform umfasst die Folie der flexiblen Kühlplatte eine erste Folie und eine zweite Folie und die flexible Kühlplatte umfasst weiter ein Formteil, insbesondere ein Kunststoff-Formteil. Das Formteil weist insbesondere parallel angeordnete Rippen auf, zwischen welchen sich die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern erstrecken. Die erste Folie ist vorteilhaft an einer ersten Seite des Formteils lokalisiert und die zweite Folie ist vorteilhaft an einer zweiten Seite des Formteils lokalisiert, sodass die erste Folie und die zweite Folie das Formteil zumindest teilweise einhüllen. Zwischen den insbesondere parallel angeordneten Rippen des Formteils erstrecken sich die Folienkammern, welche auf der ersten Seite von der ersten Folie und auf der zweiten Seite von der zweiten Folie begrenzt werden.
Vorteilhaft hierbei ist dass der flexiblen Kühlplatte durch das Formteil eine gewisse Festigkeit und Formstabilität gegeben ist, diese aber dennoch durch die Folienkammern bewegbar und elastisch ist und sich der Form der zu kühlenden
Oberfläche, an welcher diese anliegt sehr gut anpassen kann.
Desweiteren ist die flexible Kühlplatte in der zweiten Ausführungsform leichter greifbar in der Fertigung und einfacher zu platzieren. Durch die durch das Formteil stabilisierten Folienkammern wird des Weiteren verhindert, dass die Struktur der mit Kühlmedium befüllten Folienkammern kolabiert. Dies ist von
Vorteil, wenn die Befüllung, insbesondere die Flüssigkeitsbefüllung, beim Aufbau oder beim Anschluss mit Unterdruck geschieht. Der Unterdruck zieht das Kühlmedium hierbei in die Folienkammern. Das Formteil ist beispielsweise ein spritzgegossenes Formteil.
In einer Variante der zweiten Ausführungsform sind die Rippen des Formteils nicht geradlinig parallel angeordnet, sondern weisen eine davon abweichende Gestalt auf, welche beispielsweise mäanderförmig ausgebildet ist. Bevorzugt weisen dann auch die miteinander verbundenen Folienkammern eine mäanderförmige Gestalt auf. Hierdurch strömt das Kühlmedium an einer größeren Fläche des zu kühlenden Elements entlang und kann somit mehr Wärme aufnehmen und abführen.
In einer bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform sind die erste Folie und die zweite Folie in bestimmten Abständen derart mit dem Formteil, insbesondere den Rippen des Formteils verbunden, insbesondere versiegelt, dass die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie gebildet sind.
Die erste Folie wird hierbei auf einer ersten Seite der Rippen des Formteils befestigt und die zweite Folie wird auf einer zweiten Seite der Rippen des Formteils befestigt, sodass zwischen den Rippen des Formteils Folienkammern entstehen. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Folienkammern des Formteils auf diese Weise sehr stabil sind und formtreu bleiben, und dennoch elastisch sind und sich an die zu kühlende Oberfläche anpassen. Desweiteren stehen die erste Folie und die zweite Folie in einer Ausführungsform über die Ränder des Formteils hinaus, sodass die erste und die zweite Folie an miteinander verbindbar sind und das Formteil zumindest teilweise einschließen. Diese Verbindung kann beispielsweise eine Siegel- oder Schweißverbidung sein. Alternativ stehen die erste Folie und die zweite Folie nicht über das Formteil hinaus. Die erste und die zweite Folie sind dann beispielsweise mit den Rändern des Formteils versiegelt oder verschweißt.
Das Formteil umfasst beispielsweise Befestigungsmittel, insbesondere Ösen, wobei die Befestigungsmittel beispielsweise an den Rändern des Formteils lokalsierst sind und zur Befestigung des Formteils dienen. Das Formteil kann dann beispielsweise festgeschraubt werden.
In einer bevorzugten alternativen oder zusätzlichen Variante der zweiten
Ausführungsform umfasst das Formteil einen Kühlmitteleintrittsstutzen, welcher als Kühlmitteleintritt dient sowie einen Sammler, welcher an den
Kühlmitteleintrittsstutzen angrenzt.
Vorteilhaft hierbei ist, dass der Sammler als eine Art umgedrehter Trichter fungiert und das Kühlmedium verteilt. Das Kühlmedium, welches über den Kühlmitteleintrittsstutzen in die flexible Kühlplatte einströmt gelangt von dem Kühlmitteleintrittsstutzen zu dem Sammler. Der Sammler weist beispielsweise die Form eines Daches auf, welches senkrecht zu den Folienkammern abfällt und dadurch das Kühlmedium auf die Breite der flexiblen Kühlplatte verteilt, sodass das Kühlmedium sich nicht an der Stelle des Eintritts sammelt. Das Kühlmedium strömt schließlich in die Folienkammern ein. Auf diese Weise werden
ungleichmäßige Strömungen des Kühlmediums innerhalb der flexiblen Kühlplatte verhindert und ein schnelles Durchströmen der flexiblen Kühlplatte gewährleistet.
Zum Verbinden der ersten und der zweiten Folie der Folienkammern miteinander oder zum Verbinden der ersten und der zweiten Folie mit den Rippen der Formteils kommt beispielsweise ein Siegelverfahren zum Einsatz, insbesondere ein thermisches Siegelverfahren oder ein Ultraschall-Siegelverfahren. Vorteilhaft bei einer Abdichtung durch eine Versiegelung ist, dass eine dichte, gute
Verbindung entsteht. In einer Ausführungsform bläst sich die flexible Kühlplatte von selbst auf.
Hierbei wird die entgültige Form durch den Flüssigkeitsinnendruck und die Geometrie der Folie/n bestimmt. Die Folie wird vom Innendruck soweit aufgeblasen, bis sie einen externe Oberfläche, beispielsweise eine Batteriezelle berührt, welche die weitere Ausdehnung verhindert. Weiterhin kann die Folie in dehnbarer Form ausgebildet sein, so dass sich über die ungedehnte Länge der Folie hinaus Luftspalte überbrücken lassen. In allen genannten Ausführungsformen und Varianten umfasst die flexible
Kühlplatte in den Folienkammern beispielsweise Kunststoff-Formgeber, insbesondere Kunststoff-Gitter, welche in die Folienkammern eingebracht sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Festigkeit der flexiblen Kühlplatte durch die Kunststoff-Formgeber erhöht ist und sich die Folienkammern durch die
Kunststoff-Formgeber nicht so stark zusammendrücken lassen und somit ihre
Form im Wesentlichen behalten. Hierdurch ist gewährleistet dass die flexible Kühlplatte, wenn sie beispielsweise zwischen Batteriezellen oder zwischen Batteriemodulen angeordnet ist, nicht ungleichmäßig zusammengedrückt wird, sondern die Höhe der flexiblen Kühlplatte über die Fläche im Wesentlichen gleich ist, wodurch eine gleichmäßige Aufnahme und Abführung der Wärme
gewährleitet ist. Desweiteren ist der Aufbau umfassend die flexible Kühlplatte und die Batteriezellen bzw. Batteriemodule dann fester und stabiler.
Ein weiterer Vorteil der Kunststoff-Formgeber ist, dass durch diese eine
Turbulenz innerhalb der Folienkammern erzeugt wird. Hierdurch vermischt sich das Kühlmedium innerhalb der Folienkammern effizient. Das Kühlmedium, welches in einem äußeren Bereich der Folienkammer strömt und somit viel Wärme von der zu kühlenden Oberfläche aufnimmt vermischt sich mit
Kühlmedium, welches in einem mittigen Bereich der Folienkammer strömt und somit weniger Wärme aufnimmt. Auf diese Weise kann das Kühlmedium mehr Wärme aufnehmen.
Die Kunststoff-Formgeber umfassen beispielsweise mehrere Bauteile, wobei die einzelnen Teile nicht miteinander zusammenhängen. Alternativ ist der Kunststoff- Formgeber ein einziges Bauteil. In allen genannten Ausführungsformen und Varianten durchströmt das
Kühlmedium die Folienkammern der flexiblen Kühlplatte beispielsweise kontinuierlich, insbesondere in einem Kreislauf.
Vorteilhaft hierbei ist, dass Wärme von der zu kühlenden Oberfläche durch das Kühlmedium in der flexiblen Kühlplatte aufgenommen wird und das Kühlmedium nach Verlassen der flexiblen Kühlplatte wieder abgekühlt wird. Auf diese Weise ist eine effiziente Kühlung der zu kühlenden Bauteile gewährleistet.
Das Kühlmedium ist beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Alternativ ist das Kühlmedium beispielsweise Wasser, Öl, ein Wasser-Öl-Gemisch oder ein Gas, insbesondere Luft.
Die flexible Kühlplatte ist vorzugsweise Teil eines Kühlsystems, wobei das Kühlsystem weiterhin beispielsweise einen Wärmetauscher, einen Ventilator und eine Pumpe umfasst. Das Kühlmedium, welches durch die Aufnahme von Wärme, beispielsweise aus einer oder mehreren Batteriezellen, beim
Durchströmen der Folienkammern erwärmt wird, strömt durch den
Kühlmittelaustritt aus der flexiblen Kühlplatte hinaus und wird beispielsweise zu einem Wärmetauscher geleitet. Dort wird das Kühlmedium beispielsweise durch einen Ventilator mit kalter Luft angeblasen, sodass sich das warme Kühlmedium abkühlt. Anschließend wird das abgekühlte Kühlmedium der flexiblen Kühlplatte wieder über den Kühlmitteleintritt zugeführt, wo es erneut in die Folienkammern der flexiblen Kühlplatte eintritt. Der Kühlmittelkreislauf wird beispielsweise durch eine Pumpe angetrieben.
Desweiteren ist ein Batteriezellsystem umfassend die flexible Kühlplatte
Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die flexible Kühlplatte ist beispielsweise an oder zwischen Pouchfolien eines Batteriezellsystem angeordnet, wobei die Pouchfolien voneinander separierte Taschen zum Einbringen von
Elektrodenverbunden bilden, wobei die Taschen elektrolytundurchlässig sind und wobei die Taschen, insbesondere im Betriebszustand des Batteriezellsystems, physisch über die Pouchfolie faltbar miteinander verbunden sind.
Unter dem Begriff Pouchfolie ist im Rahmen dieser Erfindung eine flexible Folie, insbesondere eine Verbundfolie, zu verstehen, welche elektrolytundurchlässig ist. Die Pouchfolie umfasst beispielsweise einen Verbund aus Polyamid,
Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polypropylen und/oder Metall, insbesondere Aluminium. Die Pouchfolie weist beispielsweise eine Dicke von 40-200 μηι auf.
Die Pouchfolie umfasst in einer Ausführungsform beispielsweise anstatt einer herkömmlichen Pouchfolie aus Laminat und Aluminium ein Laminat ohne Aluminium, insbesondere ohne Metall.
Unter dem Begriff Elektrodenverbund ist ein Verbund umfassend zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode zu verstehen, welche Lithiumionen reversibel ein- und auslagern können.
Desweiteren umfasst der Elektrodenverbund zumindest einen Separator, der die Anode und die Kathode sowohl räumlich als auch elektrisch voneinander trennt. Die Anode, der Separator und die Kathode können ineinander aufgewickelt sein oder aufeinander gestapelt vorliegen.
Die Elektrodenverbunde sind in die voneinander separierten Taschen der Pouchfolie eingebracht. Somit bildet je ein Elektrodenverbund zusammen mit einer Tasche der Pouchfolie eine Batteriezelle bzw. eine Pouchzelle, wobei die Pouchzellen physisch über die Pouchfolie faltbar miteinander verbunden sind.
Vorteilhaft hierbei ist, dass ein solches Batteriezellsystem sehr flexibel gestaltbar ist. Die Pouchfolie mit den zusammenhängenden Taschen ist auf verschiedenste Weise faltbar, sodass sich die Form des Batteriezellsystems beispielsweise in Bezug auf Platzbedarf, Größe, Falttechniken und Kontaktierungsmöglichkeiten individuell gestalten lässt. Zudem vorteilhaft ist, dass das Batteriezell System kein Limit aufweist, was die Stapelhöhe betrifft. Es können beispielsweise mehrere Batteriezellsysteme aufeinander gestapelt werden oder zumindest ein
Batteriezellsystem wird derart gefaltet, dass die zusammenhängenden
Pouchzellen aufeinander angeordnet vorliegen.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Elektrodenverbunde, welche in die Taschen der Pochfolie eingebracht sind, aufgrund der flexiblen sie umgebenden Pouchfolie anschwellen können, beispielsweise durch Ein- und Auslagerungsvorgänge der Lithiumionen oder altersbedingt. Dies verhindert Verschiebungen und
Beschädigungen der Elektrodenverbunde aufgrund zu großem auf diese einwirkenden Druck. Vorteilhaft bei einem Batteriezellsystem umfassend die flexible Kühlplatte ist, dass das Batteriezellsystem sehr flexibel ist. Die flexible Kühlplatte sowie auch die zusammenhängende Pouchfolie mit in diese eingebrachten
Elektrodenverbunden sind sehr beweglich und biegbar, wodurch viel Freiheit bei der Gestaltung des Batteriezellsystems, beispielsweise in Bezug auf den Aufbau, die Form und die Größe des Batteriezellsystems gegeben ist. Da sowohl die Pouchfolie mit eingebrachten Elektrodenverbunden als auch die flexible
Kühlplatte als Begrenzung eine Folie umfassen, ist eine besonders gutes Aneinanderliegen der beiden Komponenten gewährleistet, sodass die jeweiligen Folien im Wesentlichen vollflächig aneinander anliegen.
Die flexible Kühlplatte ist beispielsweise an oder zwischen Pouchfolien eines Batteriezellsystem angeordnet,
In einer Ausführungsform bildet die erste Folie der flexiblen Kühlplatte und/oder die zweite Folie der flexiblen Kühlplatte gleichzeitig einen Teil einer Pouchfolie einer Batteriezelle des Batteriezellsystems.
Vorteilhaft hierbei ist, dass somit Material und Kosten der Folie, welche entfällt eingespart werden. Desweiteren ist auf diese Weise ein Verrutschen der flexiblen Kühlplatte nicht möglich. Auch liegen die flexible Kühlplatte und die Pouchfolie des Batteriezellsystems somit zwangsläufig vollflächig aneinander an, was einen besonders guten Wärmeübergang gewährleistet.
Desweiteren ist eine Batterie umfassend die flexible Kühlplatte und insbesondere ein Batteriezellsystem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wobei die flexible Kühlplatte an oder zwischen Batteriemodulen der Batterie angeordnet ist, insbesondere an oder zwischen Batteriemodulen, welche eine bewegungsflexible Umhüllung aufweisen, wobei diese eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt und das gesamte Batteriezellsystem sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls umhüllt. Die flexible Kühlplatte ist hierbei beispielsweise ebenfalls innerhalb der Umhüllung angeordnet. Alternativ ist die Kühlplatte außerhalb der
Umhüllung angeordnet.
Unter dem Begriff Batteriezellsystem ist hier eine Mehrzahl von Pouchzellen zu verstehen, welche zusammen ein Batteriemodul bilden. Die kleinste Einheit eines entsprechenden Batteriemoduls bilden zwei Pouchzellen. „„
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Unter dem Begriff Umhüllung ist im Rahmen dieser Erfindung eine
bewegungsflexible Folie zu verstehen. In einer Ausführungsform ist die
Umhüllung eine Verbundfolie. In einer Ausführungsform ist die Umhüllung feuchtigkeitsundurchlässig ausgeführt. Die Umhüllung umfasst beispielsweise
Aluminium, Stahl, ein Polyphenylensulfid, ein Polynorbornen und/oder ein Flüssigkristallpolymer.
Die Batterie findet beispielsweise Anwendung in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug. Alternativ findet die
Batterie beispielsweise Anwendung in Schiffen, Zweirädern, Flugzeugen, stationären Energiespeichern, Elektrowerkzeugen, Unterhaltungselektronik und/oder Haushaltsgeräten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen flexiblen Kühlplatte mit Folienkammern in einem Querschnitt,
Figur 2: eine schematische 3D-Darstellung einer zweiten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen flexiblen Kühlplatte mit Folienkammern und einem Formteil, Figur 3: eine schematische Darstellung einer 3D-Ansicht eines
Batteriezellsystems mit einer Pouchfolie und
Elektrodenverbunden,
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit zwei
Batteriezellsystemen gemäß Figur 4, und Figur 5: eine schematische Darstellung einer Batterie mit Batteriemodulen und einer erfindungsgemäßen flexiblen Kühlplatte in einem Querschnitt.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine flexible Kühlplatte 40 in einer ersten
Ausführungsform dargestellt. Die flexible Kühlplatte 40 weist eine Folie 41 auf, welche beispielsweise ein Polypropylen und/oder ein Polyethylen und/oder ein Polyurethan und/oder Polyphenylensulfid und/oder ein Polyketon und/oder ein Polyamid umfasst. Die Folie 41 ist weiterhin beispielsweise Bestandteil eines
Laminats mit Aluminium- oder Stahlfolie.
Die flexible Kühlplatte 40 weist ein System fluidisch miteinander verbundener
Folienkammern 45 auf. Die Folie 41 der flexiblen Kühlplatte 40 umfasst eine erste Folie 41 a und eine zweite Folie 41 b. Die erste Folie 41 a ist in bestimmten Abständen derart mit der zweiten Folien 41 b verbunden, dass die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern 45 zwischen der ersten Folie 41a und der zweiten Folie 41 b gebildet sind. Die Verbindung der ersten
Folie 41a mit der zweiten Folie 41 b ist beispielsweise eine Siegelverbindung oder eine Schweißverbindung. In die Folienkammern 45 ist ein Kühlmedium 43
eingebracht.
Ein in Figur 1 nicht dargestellter Kühlmitteleintritt und ein in Figur 1 ebenfalls nicht dargestellter Kühlmittelaustritt stehen in fluidischer Verbindung mit den
Folienkammern 45. Der Kühlmitteleintritt und der Kühlmittelaustritt sind
beispielsweise je ein an die erste Folie 41a und/oder an die zweite Folie 41 b angesiegeltes Kunststoffbauteil.
In die Folienkammern 45 der flexiblen Kühlplatte 40 sind Kunststoff-Formgeber 47, insbesondere Kunststoff-Gitter, eingebracht, welche zur Erhöhung der
Festigkeit der flexiblen Kühlplatte 40 und zur Erzeugung einer Turbulenz dienen. Die Folienkammern 45 der flexiblen Kühlplatte 40 werden beispielsweise kontinuierlich mit einem Kühlmedium 43, insbesondere in einem Kreislauf, durchströmt.
In Figur 1 liegt die flexible Kühlpatte 40 beidseitig direkt an je einem Batteriemodul 100 an. Die Verbindungsbereiche 49 der ersten Folie 41 a und der zweiten Folie 41 b miteinander können in einer Richtung A zusammengeschoben werden, sodass die Folienkammern 45 sehr nahe beieinander liegen oder sich zumindest teilweise berühren. In Figur 2 ist eine flexible Kühlplatte 40 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die flexible Kühlplatte 40 umfasst eine Folie 41 und ein Formteil 50, insbesondere ein Kunststoff-Formteil. Das Formteil 50 ist beispielsweise ein spritzgegossenes Formteil. Das Formteil 50 weist parallel angeordnete Rippen 51 auf. Die Folie 41 der flexiblen Kühlplatte 40 umfasst eine erste Folie 41 a und eine zweite Folie 41 b. Die erste Folie 41a ist an einer ersten Seite, in Figur 1 auf der Oberseite, des Formteils 50 lokalisiert und die zweite Folie 41 b ist an einer zweiten Seite, in Figur 1 an der Unterseite des Formteils 50 lokalisiert, wobei die Unterseite in Figur 1 nicht sichtbar ist. Die erste Folie 41a und die zweite Folie 41 b hüllen das Formteil 50 ein.
Zwischen den Rippen 51 des Formteils 50 erstrecken sich Folienkammern 45, welche auf der ersten Seite von der ersten Folie 41 a und auf der zweiten Seite von der zweiten Folie 41 b begrenzt werden. Die Folienkammern 45 stehen fluidisch miteinander in Verbindung.
Die erste Folie 41 a und die zweite Folie 41 b sind mit den Rippen 51 des
Formteils 50 verbunden, insbesondere versiegelt. Hierdurch sind die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern 45 zwischen der ersten Folie 41 a und der zweiten Folie 41 b gebildet.
In einer nicht in Figur 2 dargestellten Variante der zweiten Ausführungsform sind die Rippen 51 des Formteils 50 nicht geradlinig parallel angeordnet, sondern weisen eine davon abweichende Gestalt auf, welche beispielsweise mäanderförmig ausgebildet ist.
In Figur 2 stehen die erste Folie 41 a und die zweite Folie 41 b über die Ränder des Formteils 50 hinaus und sind dort miteinander verbunden, beispielsweise über eine Siegel- oder Schweißverbindung, sodass sie das Formteil 50 einschließen. In einer nicht dargestellten Variante der zweiten Ausführungsform stehen die erste Folie 41a und die zweite Folie 41 b nicht über das Formteil 50 hinaus. Die erste und die zweite Folie 41 a, 41 b sind dann beispielsweise mit den Rändern des Formteils 50 versiegelt oder verschweißt. Das Formteil 50 umfasst beispielsweise Befestigungsmittel 53, insbesondere Ösen. Die Befestigungsmittel 53 sind an den Rändern des Formteils 50 lokalisiert und dienen zur Befestigung des Formteils 50 an weiteren Bauteilen.
Das Formteil 50 umfasst einen Kühlmitteleintrittsstutzen 55, welcher als
Kühlmitteleintritt dient sowie einen Sammler 57, welcher an den
Kühlmitteleintrittsstutzen 55 angrenzt. Analog hierzu umfasst das Formteil 50 einen Kühlmittelaustrittsstutzen 59, sowie einen weiteren Sammler 61.
In die Folienkammern 45 der flexiblen Kühlplatte 40 sind beispielsweise in Figur 2 nicht dargestellte Kunststoff-Formgeber, insbesondere Kunststoff-Gitter, eingebracht. Welche einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können.
Die Folienkammern 45 der flexiblen Kühlplatte 40 werden beispielsweise kontinuierlich mit einem Kühlmedium, insbesondere in einem Kreislauf, durchströmt.
In Figur 3 ist eine Ausführungsform eines Batteriezellsystems 1 dargestellt.
Das Batteriezellsystem 1 weist eine Pouchfolie 3 und drei Elektrodenverbunde 5 auf. Die drei Elektrodenverbunde 5 stehen beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Elektrodenverbunden 5.
Die Pouchfolie 3 weist eine Länge L und eine Breite B auf, wobei die Länge L länger ist als die Breite B. Desweiteren weist die Pouchfolie 3 eine erste
Seitenlänge L1 und eine dieser gegenüberliegende zweite Seitenlänge L2, sowie eine erste Seitenbreite B1 und eine dieser gegenüberliegende zweite
Seitenbreite B2 auf. Die Pouchfolie 3 bildet voneinander separierte Taschen 12, welche faltbar miteinander verbunden sind. Die Pouchfolie 3 ist
elektrolytundurchlässig.
Jeder Elektrodenverbund 5 weist eine Anode mit einer Anodenkontaktfahne 7, einen Separator und eine Kathode mit einer Kathodenkontaktfahne 8 auf, welche aufeinander gestapelt vorliegen. In einer alternativen, nicht dargestellten
Ausführungsform weist ein Elektrodenverbund 5 mehrere Anoden und/oder Anodenkontaktfahnen 7 und mehrere Kathoden und/oder
Kathodenkontaktfahnen 8 auf. Die Anodenkontaktfahnen 7 und die
Kathodenkontaktfahnen 8 dienen der elektrischen Kontaktierung der Anode und der Kathode. In jede Tasche 12 der Pouchfolie 3 ist ein Elektrodenverbund 5 derart eingebracht, dass die Anodenkontaktfahne 7 und die Kathodenkontaktfahne 8 versetzt zueinander über eine erste Seitenlänge L1 der Pouchfolie 3 überstehen.
Je ein Elektrodenverbund 5 bildet zusammen mit einer Tasche 12 der Pouchfolie 3 eine Pouchzelle 10 aus.
Die Pouchfolie 3 umfasst beispielsweise einen Verbund aus Polyamid,
Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polypropylen und/oder
Metall, insbesondere Aluminium.
Die Pouchfolie 3 ist entlang der Längserstreckung umgeschlagen, sodass eine erste Pouchfolienhälfte 3a und eine zweite Pouchfolienhälfte 3b vorliegen. In die Pouchfolienhälften 3a, 3b sind der Breite B nach in, insbesondere regelmäßigen,
Abständen Quernähte 14a eingebracht, welche räumlich voneinander getrennte Taschen 12 bilden. Die Quernähte 14a sind beispielsweise durch Versiegeln der beiden Pouchfolienhälften 3a, 3b miteinander eingebracht. Die Taschen 12 der Pouchfolie 3 sind der Länge L nach durch eine Längsnaht 14b verschlossen, welche beispielsweise durch Versiegeln der Pouchfolienhälften 3a, 3b an deren offenem Ende eingebracht ist. Hierbei sind auch die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 in einem Bereich in welchem diese an den
Pouchfolienhälften 3a, 3b anliegen, mit eingesiegelt.
In die Taschen 12 der Pouchfolie 3 ist beispielsweise ein Elektrolyt eingebracht, wobei die Taschen 12 eine Barriere für den Elektrolyten bilden.
Das Batteriezellsystem 1 umfasst desweiteren zumindest eine in Figur 3 nicht dargestellte flexible Kühlplatte 40, insbesondere nach Figur 1 oder 2. Die
flexible/n Kühlplatte/n 40 ist/sind hierbei direkt an der Pouchfolie 3 des
Batteriezellsystems 1 angeordnet.
In einer nicht in Figur 3 dargestellten Ausführungsform bildet die erste Folie 41a der flexiblen Kühlplatte 40 und/oder die zweite Folie 41 b der flexiblen Kühlplatte 40 gleichzeitig einen Teil einer Pouchfolie 3 einer Batteriezelle 10 des
Batteriezellsystems 1. In Figur 4 ist eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 100 mit zwei
Batteriezellsystemen 1a, 1 b gemäß Figur 3 dargestellt.
Die Pouchzellen 10 des ersten Batteriezellsystems 1 a liegen hierbei leicht versetzt zu den Pouchzellen 10 des zweiten Batteriezellsystems 1 b. Es ist je eine
Kathodenkontaktfahne 8 einer ersten Pouchzelle 10a eines ersten
Batteriezellsystems 1 a mit einer Anodenkontaktfahne 7 einer ersten Pouchzelle 10a eines zweiten Batteriezellsystems 1 b elektrisch kontaktiert. Die Anodenkontaktfahne 7 der ersten Pouchzelle 10a des ersten Batteriezell Systems 1 a wird wiederum mit der Kathodenkontaktfahne 8 der zweiten Pouchzelle 10b des zweiten Batteriezellsystems 1 b elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise sind alle
Kontaktfahnen 7, 8 der Batteriezellsysteme 1 a, 1 b elektrisch miteinander verbunden. An jedes miteinander elektrisch verbundene Kontaktfahnenpaar sind
Ausgleichsleitungen 39 für das Balancing, beispielsweise in Form von
Flachbandkabeln, angebracht. Sie werden mit dem Zellüberwachungssystems CSC verbunden.
Es ist eine bewegungsflexible Umhüllung 20 um das Batteriemodul 100 angebracht, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt und dieses feuchtigkeitsdicht einschließt.
An dem Batteriemodul 100 liegt beispielsweise zumindest eine in Figur 4 nicht dargestellte flexible Kühlplatte 40, insbesondere nach Figur 1 oder 2, an. Die flexible/n Kühlplatte/n 40 ist/sind hierbei ein- oder beidseitig der
bewegungsflexiblen Umhüllung 20 des Batteriemoduls 100 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist die zumindest eine flexible Kühlplatte 40
beispielsweise innerhalb der bewegungsflexiblen Umhüllung 20 des
Batteriemoduls 100 angeordnet.
In einer nicht in Figur 4 dargestellten alternativen Ausführungsform umfasst das Batteriemodul 100 beispielsweise nur ein Batteriezellsystem 1 , um welche die bewegungsflexible Umhüllung 20 angebracht ist.
In Figur 5 ist eine Batterie 1000 mit Batteriemodulen 100 und einer erfindungsgemäßen flexiblen Kühlplatte 40 gemäß Figur 1 in einem Querschnitt dargestellt. Beidseitig der flexiblen Kühlplatte 40 ist je ein Batteriemodul 100 angeordnet. Die Batteriemodule 100 der Batterie 1000 umfassen je fünf Batteriezellen 10, welche beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Batteriezellen 10 stehen. Die Batteriemodule 100 sind
beispielsweise aus je einem Batteriezellsystem 1 gemäß Figur 3 gebildet. Alternativ ist ein Batteriemodul 100 gemäß Figur 4 beidseitig der flexiblen Kühlplatte 40 angeordnet.
Weiterhin alternativ sind die Batteriezellen 10 der Batteriemodule 100 beispielsweise prismatische Batteriezellen mit einem starren Gehäuse. Die Batterie 1000 wird durch ein Batteriegehäuse 1001 begrenzt.

Claims

Ansprüche
Flexible Kühlplatte (40) für eine Batterie, mit einer Folie (41 ) in welche ein Kühlmedium (43) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Kühlplatte (40) ein System fluidisch miteinander verbundener Folienkammern (45) aufweist und wobei ein Kühlmitteleintritt und ein Kühlmittelaustritt in fluidischer Verbindung mit den Folienkammern (45) steht.
Flexible Kühlplatte (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (41 ) eine erste Folie (41 a) und eine zweite Folie (41 b) umfasst, wobei die erste Folie (41 a) in bestimmten Abständen derart mit der zweiten Folien (41 b) verbunden, insbesondere versiegelt ist, dass die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern (45) zwischen der ersten Folie (41 a) und der zweiten Folie (41 b) gebildet sind.
Flexible Kühlplatte (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmitteleintritt und/oder als Kühlmittelaustritt ein an die Folie (41 ), insbesondere ein an die erste Folie (41 a) und/oder ein an die zweite Folie (41 b), angesiegeltes Kunststoffbauteil dient.
Flexible Kühlplatte (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (41 ) eine erste Folie (41 a) und eine zweite Folie (41 b) umfasst und, dass die flexible Kühlplatte (40) weiter ein Formteil (50) umfasst, insbesondere ein Kunststoff-Formteil, wobei das Formteil (50) insbesondere parallel angeordnete Rippen (51) aufweist, zwischen welchen sich die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern (45) erstrecken.
Flexible Kühlplatte (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Folie (41 a) und die zweite Folie (41 b) in bestimmten Abständen derart mit dem Formteil (50), insbesondere den Rippen (51) des Formteils (50) verbunden, insbesondere versiegelt sind, dass die fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Folienkammern (45) zwischen der ersten Folie (41 a) und der zweiten Folie (41 b) gebildet sind.
6. Flexible Kühlplatte (40) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (50) einen Kühlmitteleintrittsstutzen
(55) umfasst, welcher als Kühlmitteleintritt dient und, dass das Formteil (50) einen Sammler (57) umfasst, welcher an den Kühlmitteleintrittsstutzen (55) angrenzt.
7. Flexible Kühlplatte (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Folienkammern (45) Kunststoff- Formgeber (47), insbesondere Kunststoff-Gitter eingebracht sind, welche zur Erhöhung der Festigkeit der flexiblen Kühlplatte (40) und zur Erzeugung einer Turbulenz dienen.
8. Flexible Kühlplatte (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium (43) kontinuierlich, insbesondere in einem Kreislauf, die Folienkammern (45) der flexiblen Kühlplatte (40) durchströmt.
9. Batteriezellsystem (1 ) umfassend eine flexible Kühlplatte (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Kühlplatte (40) an oder zwischen Pouchfolien (3) eines
Batteriezellsystem (1) angeordnet ist, wobei die Pouchfolien (3) voneinander separierte Taschen (12) zum Einbringen von Elektrodenverbunden (5) bilden, wobei die Taschen (12) elektrolytundurchlässig sind und wobei die Taschen (12), insbesondere im Betriebszustand des Batteriezell Systems (1), physisch über die
Pouchfolie (3) faltbar miteinander verbunden sind.
10. Batteriezellsystem (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Folie (41 a) der flexiblen Kühlplatte (40) und/oder die zweite Folie (41 b) der flexiblen Kühlplatte (40) gleichzeitig einen Teil einer Pouchfolie (3) einer Batteriezelle (10) des Batteriezellsystems (1) bildet.
1 1. Batterie umfassend eine flexible Kühlplatte (40) nach einem der Ansprüche 1-8, und insbesondere ein Batteriezellsystem (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Kühlplatte (40) an oder zwischen Batteriemodulen (100) der Batterie angeordnet ist, insbesondere an oder zwischen Batteriemodulen (100), welche jeweils eine bewegungsflexible Umhüllung (20) aufweisen, wobei diese eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt und das gesamte Batteriezellsystem (1) sowie den Spannungsabgriff (22) des Batteriemoduls (100) umhüllt.
12. Verwendung der Batterie nach Anspruch 1 1 in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug.
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