WO2008106946A2 - Energiespeicherzelle mit wärmeleitplatte - Google Patents

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WO2008106946A2
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Peter Birke
Swen Wiethoff
Reinhard Kassen
Nevzat GÜNER
Stefan Tillmann
Markus Schweizer-Berberich
Michael Keller
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Temic Automotive Electric Motors Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage cell according to the preamble of claim 1, which is used in energy storage, in particular in hybrid or electric vehicles.
  • hybrid or electric vehicle refers to vehicles that are inherently partially or completely driven by electrical energy.
  • Hybrid-powered vehicles also called hybrid vehicles, have, for example, an internal combustion engine, an electric machine and one or more electrochemical energy stores.
  • Electric vehicles with fuel cells generally consist of a fuel cell for energy conversion, a tank for liquid or gaseous energy carriers, an electrochemical energy storage and an electric machine for the drive.
  • the electric machine of the hybrid vehicle is usually designed as a starter / generator and / or electric drive.
  • a starter / generator it replaces the normally existing starter and alternator.
  • an additional torque ie an acceleration torque
  • the drive power is provided solely by an electric machine.
  • Both vehicle types, hybrid and electric vehicles have in common that large amounts of electrical energy must be provided and transferred.
  • hybrid controller The control of the energy flow takes place via an electronics commonly called hybrid controller. Among other things, it regulates whether and in what quantity the energy store should be taken or supplied with energy.
  • the energy extraction from the fuel cell or the energy storage is generally used to represent drive power and to supply the vehicle electrical system.
  • the energy supply serves to charge the memory or to convert braking energy into electrical energy, i. regenerative braking.
  • the energy storage for hybrid applications can be recharged while driving.
  • the energy required for this is provided by the internal combustion engine.
  • lead-acid batteries, double-layer capacitors, nickel-metal hydride or lithium-ion cells can be used as energy suppliers and storage facilities for electric vehicle applications.
  • the energy storage cell is housed in most cases in a gas-tight metal housing.
  • a special possibility of execution in lithium-ion cells is in the form of a soft pack. This consists of the battery cell, which is surrounded by a flexible shell, typically an aluminum composite foil packaging. Due to the geometric similarity to a straight prism such energy storage cells are also referred to as prismatic energy storage cells.
  • An important requirement of these energy stores is to find an optimum of the product of voltage and current for a required power. This optimization consideration includes material and cost aspects. It is found that for the intended field of application, a system design for either high voltages or high currents is not expedient.
  • Typical voltage ranges for optimum system design are between 100 V and 450 V maximum voltage, the resulting currents can reach 400 A in pulsed mode, even up to 550 A for special extreme applications and for higher temperature ranges.
  • Continuous currents are in the range of 80-100 A, but may also be higher depending on the application. A reduction of these currents in favor of higher voltages is associated with significantly more effort for constructive and cost-related reasons than a consistent system design for these high currents.
  • WO2007 / 068223-A1 describes a battery holder with integrated cooling, in particular for receiving cylindrical galvanic cells, as they are in
  • Hybrid vehicles are in use, in which the
  • Energy storage are arranged in a honeycomb structure and are cooled by two basic heat sinks and at least one intermediate heat sink.
  • Object of the present invention is to provide for a uniform temperature of an energy storage cell with a flexible shell.
  • prismatic cells offer the advantage that the cell in
  • Direction of the metallic Ableitelektroden has a high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the cell is significantly lower due to the insulating property of the separator layers.
  • the poorer thermal conductivity of the cell is perpendicular to the Separatorlagen compensated.
  • the energy storage cell is effectively cooled and / or heated via its surface.
  • An essential advantage of this concept is to benefit from the good thermal conductivity of the energy storage cell in the direction of the electrodes and current conductors.
  • the advantage of this concept is to fix a cell with its surface at the shortest possible distance potential-free to a heat conduction plate. Simulation results show that even with thicknesses of the thermal conductivity plates of 1 mm values of ⁇ T ⁇ 5K can be achieved with the appropriate cell geometry. The achieved cooling and / or heating is thus very effective, since there is direct contact of the energy storage cells with the heat conducting plate. Both indirect air and liquid cooling is possible. This allows optimal cooling of an energy storage device and thus particularly high life expectancy can be realized.
  • the electrical insulation between the heat conducting plate and the interior of the energy storage cell is given in a typical soft pack cell already by the outer insulation (nylon) and the inner insulation (polypropylene) of the flexible sheath.
  • Breathing means Volume changes that occur during normal operation. Since the energy storage cell is not clamped rigidly on both sides, but on the heat-conducting plate 'side facing away enough room for breathing is left. Volume changes occur during storage and retrieval of, for example, lithium ions in lithium-ion cells in the host grid. Likewise, in the event of abuse (overheating, overcharging), the cell may evolve gases before they are released from the cell due to the increased rise in temperature and pressure. This possibility is seen as an essential safety feature to avoid sudden pressure relief or unwanted side reactions.
  • the heat-conducting plates in conjunction with the energy storage cells with a flexible casing, allow insertion and maintenance of fixed dimensions and fixing points (snap-fastening or securing of the heat-conducting plates on a tempering unit). In the case of stacking, the unfavorable addition of manufacturing tolerances of the energy storage cells with a flexible envelope is thus avoided.
  • the use of the same energy storage cells with heat conducting plates for different cooling and / or heating concepts is possible.
  • This offers a number of potential savings (in terms of quantities but also by reducing the number of different components), in particular for an offer of modular systems that can then be equipped with the same energy storage cells with heat conducting plates.
  • the heat-conducting plate attached to an energy storage cell with a flexible envelope is thermally coupled to a tempering device.
  • the tempering device is used for cooling and / or heating of the energy storage cell.
  • the thermal coupling of the heat-conducting plate to the tempering device is preferably effected by fixing one end of the heat-conducting plate in the tempering device.
  • Possible fixing methods are screws, clamps, crimping, wedging, gluing, riveting and / or pressing.
  • the pressing is done for example by means of an outer frame.
  • a particularly preferred fixing option is the wedging, wherein the wedges can be clamped by sleeves and screws. This fixation form allows a particularly good heat transfer with high vibration resistance.
  • the tempering device advantageously comprises air or liquid cooling and / or heating.
  • the tempering device may additionally or exclusively be arranged laterally. Also conceivable are several tempering devices from different sides in order to achieve a particularly low temperature gradient.
  • the thermal connection of the battery to an external temperature control unit can also be used for targeted heating of the system at particularly low ambient temperatures, in order to ensure the most uniform possible cell temperature for this case.
  • the advantage here is that the cells are heated, for example, before starting the engine in winter to a suitable operating temperature.
  • prismatic energy storage cells with a flexible envelope are preferably glued on one side to a heat-conducting plate according to the invention.
  • the adhesive may be liquid or in the form of a heat conducting foil.
  • the adhesive fulfills the tasks of creating a good heat transfer, additionally electrically isolating (increasing the dielectric strength) and fixing the cell for further assembly.
  • cooling by a tempering device can be further improved by making the attachment of the energy storage cell to the heat conducting plate inhomogeneous, for example by a triangular geometry of the adhesive zone, so that less heat is removed near the cooler than in the more remote region, ie the heat distribution or the heat gradient in the energy storage cell is counter-compensated.
  • the attachment of the energy storage cell to the heat conducting plate is preferably carried out with an adhesive bond on the cell body.
  • the attachment can also be done by mechanical pressure or a holder on the edge of the cell.
  • the edge of the cell can be glued, clamped, screwed, riveted or nailed.
  • the heat conducting plate can advantageously be used as a constructive element for fastening the energy storage cell in a frame construction.
  • the heat conducting plate can preferably also be formed as a constructive element of the cell body itself. It will The cell is placed on the cooling plate and pressed on both sides of a lid construction, glued or welded.
  • the heat conducting plates are made of metal, more preferably aluminum and additionally stiffened by alloying and / or a Mikroriffeiung the surface.
  • MultiPack several
  • BiPack two cells
  • Temperature distribution can be achieved than at one
  • Fig. 1 shows an energy storage cell with a flexible sheath and two current conductors.
  • FIGS. 2a and 2b show cross sections of the interior of an energy storage cell with cathode, anode and separator layers.
  • Fig. 3 shows an energy storage cell, which on a
  • Heat conducting plate is attached.
  • Fig. 4 shows a BiPack.
  • Fig. 5 shows the attachment of an energy storage cell to a heat conducting plate with a housing.
  • Fig. 7 shows the simulated temperature profile in one
  • Fig. 8 shows a thermally conductive adhesive asymmetrically applied to a heat conducting plate.
  • Fig. 9 shows a heat conduction plate with recesses.
  • the energy storage cell (1) shown in Fig. 1 has a flexible sheath (3), on the welded ends of two metallic current conductors (2) are mounted.
  • the flexible sheath (3) encloses cathode (5), separator (4) and anode layers (6), the electrolyte material and the inner Zellableiter welded circumferentially.
  • the riveting of the outer metallic current collector (2) At the inner cell arrester, the riveting of the outer metallic current collector (2).
  • the outer metallic current collector (2) are made of copper, for example.
  • the voltage is tapped.
  • Fig. 2a shows a cross section of the interior of an energy storage cell (1).
  • Cathode (5) and anode layers are separated from each other by a separator layer (4).
  • the cathode layers (5) are derived on the left side via the inner current collector to the outer current collector (2).
  • This current collector (2) forms the removable negative pole of the cell.
  • the anode layers (6) are derived on the right side accordingly via the second current collector (2).
  • This current collector (2) forms the tappable positive pole of the
  • the metallic current collector (2) already provide a first element for tempering the
  • FIG. 2b shows the same cross section of the interior of an energy storage cell (1) as in FIG. 2a, only the arrow indicates the direction in which the thermal conductivity of the energy storage cell is severely limited.
  • the separator layers (4) greatly restrict the heat flow. This is because the separator
  • the heat-conducting plate (7) lies parallel to the electrode (5, 6) and separator layers
  • the flexible sheath (3) of the energy storage cell (1) would preferably be arranged underneath the lowest separator layer (4) and below this the heat-conducting plate (7).
  • Fig. 3 shows an energy storage cell (1) with a flexible sheath (3) which is flatly attached to a heat conducting plate (7).
  • FIG. 4 two energy storage cells (1) are shown with flexible sheath (3), of which in each case an energy storage cell (1) on each side of a common heat conducting plate (7) is attached.
  • This arrangement is called BiPack. Accordingly are at a MultiPack more than two energy storage cells (1) on one or both sides of a common heat conduction
  • an energy storage cell (1) is shown, which is arranged in a housing (8) made of a material with respect to the shell (3) of the energy storage cell (1) of higher rigidity.
  • the housing contributes to the fixation of the energy storage cell (1) to a heat-conducting plate (7), which is likewise arranged in the housing (8).
  • the energy storage cell (1) is additionally glued to the heat conducting plate (7).
  • the energy storage cell (1) and / or the heat-conducting plate (7) can also be fixed in the housing (8) by means of an adhesive device.
  • the energy storage cell is mechanically stabilized. It can be seen in the illustrated embodiment of the housing (8) that the flexible sheath (3) on the front side of the energy storage cell (1) passes through a window opening of the housing (8). As a result, the possibility of "breathing” is given for the arranged in the housing energy storage cell (1).
  • the housing (8) comprises a lid with a window opening and a bottom. Lid and bottom are preferably connected by a hinge and can be closed by snap hooks.
  • the heat-conducting plate (7) is arranged under the energy storage cell (1) and passes through an opening of the housing (8) to the outside. Here you can connect to an external temperature control unit.
  • the diagram in FIG. 7 represents the simulated temperature profile in an energy storage cell (1).
  • the energy storage cell is flat on a heat conduction plate (7), which is cooled from below.
  • the metallic current conductors (2) are located to the left and right of the energy storage cell (1) and influence the temperature profile.
  • the diagram shows that the temperature is lowest at the bottom, because it is cooled from there. The further you go up in the energy storage cell (1), the higher the temperature rises.
  • the current collector (2) lead to a greater cooling in the left and right of the energy storage cell (1) compared to the central region. This is because the current conductors (2) are made of metal and thus serve as a heat dissipator, as already described.
  • the thermally conductive adhesive (9) with which the energy storage cell (1) is attached to the heat-conducting plate (7) is arranged asymmetrically on the heat-conducting plate.
  • This is to be designed so that the thermal conductivity through the adhesive (9) is higher in those areas in which the energy storage cell (1) has a higher temperature according to the diagram in FIG.
  • the geometry of the adhesive surface is triangular. In the upper part of this is cooled more than in the lower part and in the middle part stronger than left and right in the energy storage cell (D •
  • Fig. 9 an alternative embodiment is shown.
  • the heat-conducting plate (7) to which the energy storage cell (1) is attached recesses (10) in areas in which the energy storage cell (1) must be cooled less. These areas are again taken from the diagram in FIG. 7.
  • a plurality of features are shown combined, which may advantageously have such recesses (10):
  • the size of the recesses may preferably vary, but is also conceivable a variation of the number of recesses.
  • the recesses (10) of the heat-conducting plate (7) can be designed as bores.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle (1) mit einer flexiblen Hülle (3), die flächig an einer Wärmeleitplatte (7) befestigt ist.

Description

Temic Automotive Electric Motors GmbH Sickingenstraße 29-38, 10553 Berlin
Energiespeicherzelle mit Wärmeleitplatte
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, die in Energiespeichern zum Einsatz kommt, insbesondere in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen.
Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt teilweise oder vollständig durch elektrische Energie angetrieben werden.
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik allgemein Hybrid-Controller genannt. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie d.h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Als Energielieferanten und Speicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel - Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen.
Die Energiespeicherzelle ist in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung bei Lithium-Ionen Zellen besteht in Form eines Softpacks. Dieser besteht aus der Batteriezelle, welche von einer flexiblen Hülle, typischerweise einer Aluminiumverbundfolienverpackung, umgeben ist. Aufgrund der geometrischen Ähnlichkeit zu einem geraden Prisma werden derartige Energiespeicherzellen auch als prismatische Energiespeicherzellen bezeichnet. Eine wichtige Anforderung an diese Energiespeicher ist, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte Leistung zu finden. In diese Optimierungsbetrachtung gehen Material- und Kostenaspekte ein. Man findet, dass für das vorgesehene Anwendungsfeld eine Systemauslegung weder auf hohe Spannungen noch auf hohe Ströme zielführend ist.
Typische Spannungsbereiche für eine optimale Systemauslegung liegen zwischen 100 V und 450 V MaximalSpannung, die resultierenden Ströme können im Pulsbetrieb 400 A, für besondere Extremanwendungen und für höhere Temperaturbereiche sogar bis zu 550 A erreichen. Kontinuierliche Ströme liegen im Bereich von 80-100 A, können aber gegebenenfalls anwendungsspezifisch auch noch höher liegen. Eine Herabsetzung dieser Ströme zu Gunsten höherer Spannungen ist aus konstruktiven und kostenbedingten Gründen mit deutlich mehr Aufwand verbunden als eine konsequente Systemauslegung auf diese hohen Ströme.
Diese Anforderungen treten nicht nur für Energiespeicher für automotive Anwendungen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeuge auf, sondern auch im stationären Bereich, z. B. zur Pufferung von Lastspitzen oder bei Energiespeichern zur dezentralen Energieversorgung.
Je , nach Anwendung als Energiespeicher für Hybridfahrzeuge, Plug-in-Hybride oder als Elektrofahrzeug werden Spitzenleistungen von 10 kW bis zu über 100 kW gefordert. Obwohl die Anforderungen an kontinuierliche Leistungen deutlich darunter liegen können, stellen insbesondere diese kontinuierlichen Leistungen hohe Anforderungen an die Kühlung, zumal die Bauräume für Energiespeicher in der Regel recht begrenzt sind.
Die Kosten für solche Hochleistungszellen (typischerweise > 4Ah) liegen konstruktionsbedingt deutlich höher als jene von einfachen Konsumerzellen mit zudem in der Regel geringeren Kapazitäten. Zusätzlich werden in der Automobilindustrie Lebensdaueranforderungen von mehr als 10 Jahren gefordert. Ein effizientes Kühlkonzept ist für die Erreichung dieser Lebensdaueranforderungen unabdingbar .
Die WO2007/068223-A1 beschreibt einen Batteriehalter mit integrierter Kühlung, insbesondere zur Aufnahme von zylindrischen galvanischen Zellen, wie sie in
Hybridfahrzeugen gebräuchlich sind, bei dem die
Energiespeicher in einer Wabenstruktur angeordnet sind und von zwei Grundkühlkörpern sowie mindestens einem Zwischenkühlkörper gekühlt werden.
Dabei ist es für die Lebensdauer der Zelle nicht nur von Bedeutung, dass diese (absolut) gekühlt wird, sondern dass diese Kühlung gleichmäßig (relativ), d.h. mit möglichst geringem Temperaturgradient über die Zelle und im Falle der Verschaltung von mehreren Zellen zu einem Energiespeicher auch über diesen, d.h. über die Zellen, erfolgt. Das Ziel ist dabei eine Temperaturdifferenz von ΔT < 3K, ein guter Wert ist bereits ΔT < 5K.
Trotz gleichmäßigem Kühlmittelfluss über bzw. durch den gesamten Speicher kann es jedoch zur unterschiedlichen Erwärmung einzelner Zellsegmente kommen.
Insbesondere, wenn Zellen parallel verschaltet werden, sind diese zwar elektrisch gekoppelt, aber noch nicht zwangsläufig auch thermisch. Eine thermische Kopplung ist wichtig, um einen gleichmäßigen Stromfluss unter Belastung zu gewährleisten. In der Regel kann man davon ausgehen, dass 15 K Temperaturerhöhung die Kinetik verdoppelt. Fließen im Belastungsfall unterschiedliche Ströme innerhalb einer Parallelschaltung so kann dies eine beschleunigte Alterung lokaler Bereiche und sogar Schäden im Falle hoher Ströme hervorrufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine gleichmäßige Temperierung einer Energiespeicherzelle mit flexibler Hülle Sorge zu tragen.
Die Aufgabe wird durch eine Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
Prismatische Zellen bieten aufgrund Ihrer Geometrie und ihres inneren Aufbaus den Vorteil, dass die Zelle in
Richtung der metallischen Ableitelektroden eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
In der dazu senkrechten Richtung ist die Wärmeleitfähigkeit der Zelle aufgrund der isolierenden Eigenschaft der Separatorlagen deutlich geringer.
Durch die flächige Befestigung einer Energiespeicherzelle an einer Wärmeleitplatte wird die schlechtere Wärmeleitfähigkeit der Zelle senkrecht zu den Separatorlagen kompensiert. Die Energiespeicherzelle wird über ihre Oberfläche effektiv gekühlt und/oder geheizt.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist, von der guten Wärme-Eigenleitfähigkeit der Energiespeicherzelle in Richtung der Elektroden und Stromableiter zu profitieren.
Der Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, eine Zelle mit ihrer Oberfläche auf kürzest möglicher Distanz potentialfrei an eine Wärmeleitplatte zu befestigen. Simulationsergebnisse zeigen, dass bei entsprechender Zellgeometrie bereits bei Dicken der Wärmeleitplatten von lmm Werte von ΔT < 5K erreicht werden können. Die erreichte Kühlung und/oder Heizung ist somit sehr effektiv, da direkter Kontakt der Energiespeicherzellen mit der Wärmeleitplatte besteht. Es ist sowohl indirekte Luft- als auch Flüssigkeitskühlung möglich. Damit lassen sich optimale Kühlung eines Energiespeichers und somit besonders hohe Lebensdauererwartungen realisieren.
Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der kompakten, zuverlässigen und kostengünstigen Bauweise von Energiespeicherzellen, die in einem Energiespeicher eingesetzt werden. Die Energiespeicherzellen sind im Rahmen eines Baukastensystems einsetzbar (hoher Modularitätsgrad) .
Die elektrische Isolation zwischen Wärmeleitplatte und dem Inneren der Energiespeicherzelle ist bei einer typischen Softpack-Zelle bereits durch die äußere Isolation (Nylon) und die innere Isolation (Polypropylen) der flexiblen Hülle gegeben .
Die einseitige Befestigung an der Wärmeleitplatte erlaubt der Energiespeicherzelle zu „atmen". Unter Atmen versteht man Volumenveränderungen, die während des normalen Betriebs auftreten. Da die Energiespeicherzelle nicht beidseitig starr eingeklemmt wird, sondern auf der der Wärmeleitplatte 'abgewandten Seite genügend Raum zur Atmung gelassen wird. Volumenveränderungen entstehen beim Ein- und Auslagern von z.B. Lithium-Ionen bei Lithium-Ionen-Zellen in das Wirtgitter. Ebenso kann die Zelle bei Missbrauch (Überhitzung, Überladung) Gase entwickeln, bevor diese durch den erhöhten Temperatur- und Druckanstieg aus der Zelle entlassen werden. Diese Möglichkeit wird als wesentliches Sicherheitsmerkmal gesehen, um eine schlagartige Druckentlastung oder unerwünschte Seitenreaktionen zu vermeiden.
Die Wärmeleitplatten erlauben in Verbindung mit den Energiespeicherzellen mit flexibler Hülle das Einführen und die Einhaltung von Fixmaßen und Fixierungspunkten (Einrasten bzw. Befestigen der Wärmeleitplatten auf einer Temperiereinheit) . Im Falle einer Stapelung wird so die ungünstige Addierung von Fertigungstoleranzen der Energiespeicherzellen mit flexibler Hülle vermieden. Dadurch erhält man eine kompakte, einfache, zuverlässige und kostengünstige Bauweise, die im Rahmen eines Baukastensystems einsetzbar ist (hoher Modularitätsgrad) . Es ist eine effektive Kühlung und/oder Heizung, sowohl durch Luft- als auch Flüssigkeitstemperierung möglich.
Die Nutzung gleicher Energiespeicherzellen mit Wärmeleitplatten für unterschiedliche Kühl- und/oder Heizkonzepte (Luft- oder Flüssigkeitskühlung und/oder heizung) ist möglich. Dies bietet eine Reihe von Einsparpotentialen (über Mengen aber auch durch Verringerung der Anzahl unterschiedlicher Bauteile) , insbesondere für ein Angebot von modular aufgebauten Systemen, die dann mit gleichen Energiespeicherzellen mit Wärmeleitplatten bestückt werden können . In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die an einer Energiespeicherzelle mit flexibler Hülle befestigte Wärmeleitplatte thermisch an eine Temperiervorrichtung gekoppelt . Die Temperiervorrichtung dient dem Kühlen und/oder dem Heizen der Energiespeicherzelle.
Die thermische Kopplung der Wärmeleitplatte an die Temperiervorrichtung geschieht vorzugsweise durch die Fixierung eines Endes der Wärmeleitplatte in der Temperiervorrichtung. Mögliche Fixierweisen sind Schrauben, Klemmen, Krimpen, Verkeilen, Kleben, Nieten und/oder Anpressen. Das Anpressen erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines äußeren Rahmens . Eine besonders bevorzugte Fixiermöglichkeit stellt das Verkeilen dar, wobei die Keile durch Hülsen und Schrauben verspannt werden können. Diese Fixierungsform erlaubt einen besonders guten Wärmeübergang bei hoher Vibrationsbeständigkeit.
Die Temperiervorrichtung umfasst dabei in vorteilhafter Weise Luft- oder Flüssigkühlung und/oder -heizung. Die Temperiervorrichtung kann zusätzlich oder ausschließlich seitlich angeordnet sein. Denkbar sind auch mehrere Temperiervorrichtungen von verschiedenen Seiten, um einen besonders geringen Temperaturgradienten zu erreichen.
Die thermische Anbindung der Batterie an eine externe Temperiereinheit kann auch zur gezielten Erwärmung des Systems bei besonders geringen Umgebungstemperaturen genutzt werden, um auch für diesen Fall eine möglichst einheitliche Zellentemperatur zu gewährleisten. Der Vorteil besteht hierbei darin, dass die Zellen beispielsweise vor dem Starten des Motors im Winter auf eine geeignete Betriebstemperatur geheizt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden prismatische Energiespeicherzellen mit flexibler Hülle erfindungsgemäß vorzugsweise einseitig auf eine Wärmeleitplatte geklebt .
Der Klebstoff kann dabei flüssig oder in Form einer Wärmeleitfolie vorliegen. Der Klebstoff erfüllt dabei die Aufgaben, einen guten Wärmeübergang zu schaffen, zusätzlich elektrisch zu isolieren (die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen) und die Zelle für die weitere Assemblierung zu fixieren.
In einer besonderen Ausgestaltung kann man die Kühlung durch eine Temperiervorrichtung noch dadurch verbessern, dass man die Befestigung der Energiespeicherzelle an die Wärmeleitplatte inhomogen gestaltet, beispielsweise durch eine dreieckige Geometrie der Kleberzone, so dass nahe am Kühler weniger Wärme abtransportiert wird als im entfernteren Bereich, also die Wärmeverteilung bzw. der Wärmegradient in der Energiespeicherzelle gegenkompensiert wird.
Die Befestigung der Energiespeicherzelle an der Wärmeleitplatte erfolgt bevorzugt mit einer Klebeverbindung über den Zellkörper. Die Befestigung kann aber auch durch mechanischen Druck oder eine Halterung am Zellrand erfolgen. Der Zellrand kann dabei geklebt, geklemmt, geschraubt, genietet oder genagelt sein.
Die Wärmeleitplatte kann vorteilhafterweise als konstruktives Element zur Befestigung der Energiespeicherzelle in einer Rahmenkonstruktion verwendet werden.
Die Wärmeleitplatte kann vorzugsweise auch als konstruktives Element des Zellkörpers selbst ausgeformt werden. Dabei wird die Zelle auf die Kühlplatte gelegt und beidseitig eine Deckelkonstruktion aufgepresst, geklebt oder geschweißt.
In bevorzugter Weise werden die Wärmeleitplatten aus Metall, ganz bevorzugt Aluminium hergestellt und durch Legierung und/oder eine Mikroriffeiung der Oberfläche zusätzlich versteift .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind mehrere („MultiPack") , bevorzugt zwei Zellen („BiPack") an eine gemeinsame Wärmeleitplatte angeschlossen. Dies bietet eine optimale thermische Kopplung von Energiespeicherzellen in einer Parallelschaltung. Auch eine serielle Schaltung ist möglich, sofern die Anwendung dieses erfordert.
Die Adaption an unterschiedliche Kühlkonzepte ist bei Nutzung gleicher BiPacks möglich, da die Änderungen nur an der Kühlersammeiplatte erfolgt und nicht auf Ebene der BiPacks.
In der Anwendung kann bei einem BiPack an zwei dünneren
Energiespeicherzellen eine gleichmäßigere
Temperaturverteilung erreicht werden als bei einer
Energiespeicherzelle mit der doppelten Dicke einer der beiden Zellen des BiPacks.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert .
Fig. 1 zeigt eine Energiespeicherzelle mit einer flexiblen Hülle und zwei Stromableitern.
Fig. 2a und 2b zeigen Querschnitte des Inneren einer Energiespeicherzelle mit Kathoden-, Anoden- und Separatorschichten . Fig. 3 zeigt eine Energiespeicherzelle, die auf einer
Wärmeleitplatte befestigt ist.
Fig. 4 zeigt ein BiPack.
Fig. 5 zeigt die Befestigung einer Energiespeicherzelle an einer Wärmeleitplatte mit einem Gehäuse.
Fig. 6 zeigt die Anordnung von Energiespeicherzelle,
Wärmeleitplatte und Rahmen.
Fig. 7 zeigt den simulierten Temperaturverlauf in einer
Energiespeicherzelle, die durch eine Wärmeleitplatte gekühlt wird.
Fig. 8 zeigt einen wärmeleitfähigen Kleber, der asymmetrisch auf eine Wärmeleitplatte aufgetragen ist .
Fig. 9 zeigt eine Wärmeleitplatte mit Aussparungen.
Die in Fig. 1 gezeigte Energiespeicherzelle (1) verfügt über eine flexible Hülle (3) , auf deren verschweißten Enden zwei metallische Stromableiter (2) angebracht sind. Die flexible Hülle (3) umschließt Kathoden- (5) , Separator- (4) und Anodenschichten (6) , das Elektrolytmaterial sowie die inneren Zellableiter umlaufend verschweißt . An die inneren Zellableiter erfolgt die Nietung der äußeren metallischen Stromableiter (2) . Die äußeren metallischen Stromableiter (2) sind beispielsweise aus Kupfer. An den metallischen Stromableitern (2) wird die Spannung abgegriffen.
Fig. 2a zeigt einen Querschnitt des Inneren einer Energiespeicherzelle (1) . Kathoden- (5) und Anodenschichten sind jeweils durch eine Seperatorlage (4) voneinander getrennt. Die Kathodenlagen (5) werden auf der linken Seite über den inneren Stromableiter zum äußeren Stromableiter (2) abgeleitet. Dieser Stromableiter (2) bildet den abgreifbaren Minuspol der Zelle.
Die Anodenlagen (6) werden auf der rechten Seite entsprechend über den zweiten Stromableiter (2) abgeleitet. Dieser Stromableiter (2) bildet den abgreifbaren Pluspol der
Zelle.
Der Pfeil zeigt in die bevorzugte Wärmeleitrichtung der
Zelle: parallel zu den Ebenen der Kathoden- (5) und
Anodenlagen. Die metallischen Stromableiter (2) stellen bereits ein erstes Element zur Temperierung der
Energiespeicherzelle (1) dar.
Fig. 2b zeigt denselben Querschnitt des Inneren einer Energiespeicherzelle (1) wie Fig. 2a, nur kennzeichnet der Pfeil die Richtung, in der die Wärmeleitfähigkeit der Energiespeicherzelle stark eingeschränkt ist. In der Richtung senkrecht zu den Ebenen der Kathoden- (5) und Anodenlagen (6) schränken die Separatorlagen (4) den Wärmefluss stark ein. Dies liegt daran, dass der Separator
(4) aus isolierendem Material besteht, was eine geringe Wärmeleitfähigkeit bedingt. Erfindungsgemäß wird diesem Problem dadurch Abhilfe geschaffen, dass eine Wärmeleitplatte (7) an einer Seite der Energiespeicherzelle
(1) befestigt wird. Die Wärmeleitplatte (7) liegt dabei parallel zu den Elektroden- (5, 6) und Separatorschichten
(4) . In Fig. 2b nicht dargestellt, wäre gemäß der Erfindung vorzugsweise unter der untersten Separatorlage (4) die flexible Hülle (3) der Energiespeicherzelle (1) angeordnet und darunter die Wärmeleitplatte (7) .
Fig. 3 zeigt eine Energiespeicherzelle (1) mit einer flexiblen Hülle (3) , die flächig an einer Wärmeleitplatte (7) befestigt ist.
In Fig. 4 sind zwei Energiespeicherzellen (1) mit flexibler Hülle (3) gezeigt, von denen jeweils eine Energiespeicherzelle (1) auf jeweils einer Seite einer gemeinsamen Wärmeleitplatte (7) befestigt ist. Diese Anordnung wird als BiPack bezeichnet. Entsprechend sind bei einem MultiPack mehr als zwei Energiespeicherzellen (1) auf einer oder beiden Seiten einer gemeinsamen Wärmeleitplatte
(7) befestigt.
In Fig. 5 ist eine Energiespeicherzelle (1) dargestellt, die in einem Gehäuse (8) aus einem Material mit gegenüber der Hülle (3) der Energiespeicherzelle (1) höherer Steifigkeit angeordnet ist. Das Gehäuse trägt zur Fixierung der Energiespeicherzelle (1) an einer Wärmeleitplatte (7) bei, die ebenfalls im Gehäuse (8) angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Energiespeicherzelle (1) zusätzlich auf die Wärmeleitplatte (7) geklebt. Die Energiespeicherzelle (1) und/oder die Wärmeleitplatte (7) können auch im Gehäuse (8) mittels einer Klebevorrichtung befestigt sein. Durch die Anordnung der Energiespeicherzelle (1) im Gehäuse
(8) wird die Energiespeicherzelle mechanisch stabilisiert. Man erkennt bei der dargestellten Ausführungsform des Gehäuses (8), dass die flexible Hülle (3) an der Vorderseite der Energiespeicherzelle (1) durch eine Fensteröffnung des Gehäuses (8) tritt. Hierdurch ist für die im Gehäuse angeordnete Energiespeicherzelle (1) die Möglichkeit des „Atmens" gegeben.
In der in Fig. 6 gezeigten Darstellung umfasst das Gehäuse (8) einen Deckel mit einer Fensteröffnung und einen Boden. Deckel und Boden sind vorzugsweise durch ein Scharnier verbunden und können mittels Schnapphaken verschlossen werden. Die Wärmeleitplatte (7) ist unter der Energiespeicherzelle (1) angeordnet und tritt durch eine Öffnung des Gehäuses (8) nach außen. Hier kann der Anschluss an eine externe Temperiereinheit erfolgen.
Das Diagramm in Fig. 7 stellt den simulierten Temperaturverlauf in einer Energiespeicherzelle (1) dar. Die Energiespeicherzelle ist flächig auf einer Wärmeleitplatte (7) befestigt, die von unten gekühlt wird. Die metallischen Stromableiter (2) befinden sich links und rechts von der Energiespeicherzelle (1) und beeinflussen den Temperaturverlauf. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Temperatur unten am niedrigsten ist, da von dort gekühlt wird. Je weiter man in der Energiespeicherzelle (1) nach oben geht, desto höher steigt die Temperatur. Die Stromableiter (2) führen zu einer stärkeren Kühlung im linken und rechten Bereich der Energiespeicherzelle (1) im Vergleich zum mittleren Bereich. Das liegt daran, dass die Stromableiter (2) aus Metall sind und somit wie bereits beschrieben als Wärmeabieiter dienen.
Der im Diagramm dargestellten Inhomogenität, bzw. Asymmetrie des Temperaturverlaufs kann in weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen entgegengewirkt werden.
Einerseits kann der wärmeleitfähige Kleber (9) , mit dem die Energiespeicherzelle (1) an der Wärmeleitplatte (7) befestigt wird, asymmetrisch auf der Wärmleitplatte angeordnet ist. Dies ist so zu gestalten, dass die Wärmeleitfähigkeit durch den Kleber (9) in den Bereichen höher ist, in denen die Energiespeicherzelle (1) nach dem Diagramm in Fig. 7 eine höhere Temperatur besitzt. In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Geometrie der Klebefläche dreieckig. Im oberen Teil wird dadurch stärker gekühlt, als im unteren Teil und im mittleren Teil stärker als links und rechts in der Energiespeicherzelle (D •
In Fig. 9 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt. Hier umfasst die Wärmeleitplatte (7) , an der die Energiespeicherzelle (1) befestigt wird, Aussparungen (10) in Bereichen, in denen die Energiespeicherzelle (1) weniger stark gekühlt werden muss. Diese Bereiche entnimmt man wiederum dem Diagramm in Fig. 7. In Fig. 9 sind mehrere Merkmale kombiniert dargestellt, die derartige Aussparungen (10) vorteilhafterweise aufweisen können: Die Größe der Aussparungen kann vorzugsweise variieren, denkbar ist aber auch eine Variation der Anzahl der Aussparungen. Die Aussparungen (10) der Wärmeleitplatte (7) können als Bohrungen ausgeführt sein.
In dem dargestellten Beispiel sind im unteren Bereich große Bohrungen dargestellt, nach oben werden die Bohrungen kleiner und im zentralen Bereich entfallen die Bohrungen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung ist die Gewichtsersparnis, die die Aussparungen (10) bewirken.
Bezugszeichβnliste
Energiespeicherzelle Stromableiter Flexible Hülle Separator Anode Kathode Wärmeleitplatte Gehäuse Wärmeleitfähige KlebeVerbindung Aussparungen

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicherzelle (1) mit einer flexiblen Hülle (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle flächig an einer Wärmeleitplatte (7) befestigt ist.
2. Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (7) thermisch an eine Temperiervorrichtung zum Kühlen und/oder Heizen der Energiespeicherzelle gekoppelt ist.
3. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Energiespeicherzelle an der Wärmeleitplatte (7) durch eine wärmeleitfähige Klebeverbindung (9) erzielt wird.
4. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle an der Wärmeleitplatte (7) mittels einer asymmetrisch angeordneten wärmeleitfähigen Klebeverbindung (9) befestigt ist.
5. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Energiespeicherzelle an der Wärmeleitplatte, ein Gehäuse (8) aus einem Material mit gegenüber der Hülle (3) der Energiespeicherzelle (1) höherer Steifigkeit umfasst und das Gehäuse (8) die Energiespeicherzelle (1) und die Wärmeleitplatte (7) umschließt.
6. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Energiespeicherzelle an der Wärmeleitplatte (7) eine Halterung am Rand der Energiespeicherzelle (1) umfasst.
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP
7. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (7) aus Aluminium besteht.
8. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Wärmeleitplatte (7) durch eine Legierung der Oberfläche versteift ist.
9. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Wärmeleitplatte (7) geriffelt ist.
10. Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (7) Aussparungen (10) enthält.
11. Energiespeicherelement umfassend zwei
Energiespeicherzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Energiespeicherzelle auf jeweils einer Seite einer gemeinsamen Wärmeleitplatte (7) befestigt ist.
12. Energiespeicherelement umfassend mehr als zwei Energiespeicherzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen auf einer Seite oder auf beiden Seiten einer gemeinsamen Wärmeleitplatte (7) befestigt sind.
13.Vorrichtung zum Kühlen von Energiespeicherzellen (1) nach einem der Ansprüche l bis 10 oder Energiespeicherelementen nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP Energiespeicherzellen . (1) an mindestens einer
Wärmeleitplatte (7) befestigt sind und die
Wärmeleitplatte thermisch an mindestens einen Luft- und/oder einen Wasserkühler gekoppelt ist.
14.Vorrichtung zum Heizen von Energiespeicherzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder Energiespeicherelementen nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Energiespeicherzellen (1) an mindestens einer Wärmeleitplatte (7) befestigt sind und die Wärmeleitplatte thermisch an eine Temperiervorrichtung gekoppelt ist, die bei niedrigen Temperaturen die Energiespeicherzellen (1) heizt.
RECTIFIED SHEET(RULE 91) ISA/EP
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