WO2011089121A1 - Gekühlter energiespeicher - Google Patents

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WO2011089121A1
WO2011089121A1 PCT/EP2011/050627 EP2011050627W WO2011089121A1 WO 2011089121 A1 WO2011089121 A1 WO 2011089121A1 EP 2011050627 W EP2011050627 W EP 2011050627W WO 2011089121 A1 WO2011089121 A1 WO 2011089121A1
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cooling
energy storage
plate
cell
cooling device
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PCT/EP2011/050627
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Hans-Georg Schweiger
Frederic Prokopowicz
Björn Demitter
Stefan Tillmann
Wladimir Schulz
Hermann Hopf
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Continental Automotive Gmbh
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a cooled energy store with at least one plate-shaped energy storage cell and to a method for producing such a cooled energy store.
  • hybrid or electric vehicle refers to vehicles that are inherently driven in whole or in part by electrical energy.
  • Motor vehicles with hybrid drive also called hybrid vehicles, for example, have an internal combustion engine, one or more electric machines and one or more electrochemical energy storage ⁇ on.
  • Electric vehicles with fuel cells generally have a fuel cell for energy conversion, a tank for liquid or gaseous fuels, 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 / alternator it replaces the normal 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 prepared and transferred.
  • the control of the energy flow via a Elekt ⁇ ronik generally called hybrid controller. Among other things, it regulates whether and in what quantity the energy store should be taken or supplied with energy.
  • Energy storage is generally used to represent
  • the energy supply serves to charge the storage or the conversion of 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, nickel-cadmium, zinc-air, lithium-air, nickel-zinc or lithium-ion cells can be used as energy suppliers and storage facilities for vehicle applications.
  • the energy storage should be advantageous in a compact design feasible and inexpensive to produce with many energy cells and large dimensions.
  • a cooled energy store which has at least one plate-shaped energy storage cell.
  • a plate-shaped energy storage cell can in this case be formed by two parallel plate surfaces, with a plate edge circulating around the energy storage cell between the mutually parallel edges of the plate surfaces.
  • the energy storage cells are preferably electrical energy storage cells, so store electrical energy.
  • Such memory cells may i.a. Lead-acid batteries,
  • Nickel-metal hydride cells nickel-cadmium cells, zinc-air cells, lithium-air cells, nickel-zinc cells, lithium-ion cells, fuel cells and double-layer capacitors.
  • At least one cooling plate is now on at least one of the plate surfaces of the at least one energy storage cell to the plate surface the energy storage cell parallel plate surface arranged so that it is in thermal contact with the energy storage cell.
  • the energy storage cell is thus arranged with a parallel surface on the cooling plate.
  • the cooling plate completely covers the corresponding plate surface of the energy storage cell.
  • the cooling plate is now over a part of the plate edge of the energy storage cell, so that the protruding part of the cooling plate forms adefinne.
  • the cooling fin is thus a plate section free from the energy storage cell.
  • the cooled energy store also has at least one cooling device with which heat can be dissipated.
  • the at least one cooling device is in thermal contact with the at least one cooling fin of the at least one energy storage cell, so that heat can be diverted from the cooling fin by the cooling device.
  • the cooled energy store preferably has at least two or a plurality of plate-shaped energy storage cells. These can then be arranged side by side with parallel plate surfaces.
  • the cooling plates belonging to the energy storage cells are then likewise arranged parallel to one another.
  • the cooling fins of several or all of the cooling plates are in thermal contact with at least one common cooling device.
  • the energy storage cells and cooling plates are then arranged with their respective cooling fins side by side on the common cooling device.
  • a separate cooling plate is provided for each plate-shaped energy storage cell. But it can also be on a cooling plate be arranged a plurality of energy storage cells. Insbesonde ⁇ re can on either side of the cooling plate each one
  • Energy storage cell with parallel plate surface verbun ⁇ be the.
  • energy storage cells it is also possible for energy storage cells to be in contact with at least one cooling surface on each of their plate surfaces, so that the
  • the cooling device for each standing in thermal contact with them laminatefinne a Ausneh ⁇ tion, in which the correspondingdefinne sits or stuck.
  • the contact surface between the cooling fin and the cooling device is increased, so that an improved heat dissipation from the cooling fin is possible.
  • the cooling fin is to be electrically insulated from the cooling device, it is possible to insert the cooling fin in the corresponding recess in one, two or more electrically non-conductive spacers, so that the fin does not touch a wall of the recess in the cooling device.
  • electrically insulating, preferably high-voltage resistant insulating, layer is arranged so that the energy storage cell with respect to the arranged on herdeplat ⁇ te
  • insulating layer can be considered between energy cell and Cooling plate arranged film, such as HV insulation film, be configured or as a coating tion of the corresponding plate surface of the energy storage cell and / or the cooling plate.
  • Possible insulation materials include mica plates, insulating adhesives,
  • Plastic discs, insulating varnish, plastic coatings and / or insulating inorganic coatings are also possible to combine insulating films with insulating coatings.
  • the insulation mentioned can be used according to the invention at all points where electrical insulation is to be effected in the energy store according to the invention.
  • An electrical insulation can also take place in that a housing of the energy storage cell has insulating or stress-resistant material or consists thereof. It is also possible to achieve a voltage insulation by an encapsulation of the outside of the side in which the recesses are arranged, that is, for example, the receiving plate or that the recess aufwei ⁇ send wall of a cavity.
  • the depth of the recess and a penetration depth of the fin in the recess can be ⁇ ßert magnification.
  • the energy storage cells and / or the cooling plates preferably have rectangular plate surfaces. So you have four edges that form their edges.
  • the at least one cooling device is arranged on at least one edge, which is also the edge of the cooling fin, so that a thermal contact between the cooling plate and the cooling device is produced. It can be arranged on other edges of the cooling plate, on which also cooling fins can be formed by overhanging the energy storage cell, further cooling devices. With a rectangular plate form can at the four Edges up to four cooling devices may be arranged according to the first cooling device, wherein a common cooling device may be provided for a plurality of plates on each edge.
  • the cooling device communicates with the entspre ⁇ sponding edge of the cooling plate or cooling fin on the entire length of the edge in contact so that the thermi ⁇ specific contact area is as large as possible.
  • Cooling devices in the sense of the invention can in principle be all devices with which heat can be dissipated and which can be arranged as described in thermal contact with the cooling fins or the fins.
  • the cooling device has at least one cavity through which a cooling fluid can be conducted so that heat derived from the cooling fin can be diverted through the cooling fluid.
  • the cavity can be provided with an inflow and an outflow, through which the cooling fluid is supplied or discharged.
  • the cooling fluid is electrically insulating, so that it supports the insulation of the energy storage cells against each other.
  • the cooling fluid may be liquid or gaseous. Particularly preferred are insulating
  • Liquids such as transformer oils, silicone oils, Fluorkoh ⁇ bons and / or chlorofluorocarbon.
  • Gaseous fluids may be, for example, air, nitrogen, noble gases and / or sulfur hexafluoride (SFe). In order to increase the insulation resistance, the gases can be pre ⁇ dries.
  • a cooling device with cavity can advantageously be designed as a trough with at least one lid, wherein the cooling fins can advantageously be in thermal contact with the lid.
  • the tub is doing by the Lid closed by ⁇ together with the lid soldered, welded and / or screwed. For optimum positioning prior to assembly positioning pins can be provided for centering on the lid and / or pan.
  • the cavity can, in order to optimally shape a flow and cooling inside the cooler, in its interior
  • Cooling chambers for metered control of the coolant flow in particular by different sized füreriesöff ⁇ tions for the coolant having.
  • storage chambers for flow and emptying of the cooling chambers may be integrated, which are connected to each other via coolant passage openings.
  • Coolers of several cell blocks can be flowed in parallel through distribution chambers integrated in the cooler.
  • the interior of the cavities is designed such that the coolant performs as few Rich ⁇ tung exchange in the cooler.
  • the surface area between the cooling medium and the radiator is maximized.
  • the cooler can be constructed without undercuts and designed as a cast, stamped or Fräßteil. A impermeability ⁇ ness between the chambers can be ensured by sealing compound.
  • the components of the cooling device can, inter alia, by soldering, welding, gluing, clamping and / or Caribbeanschr ben, advantageously connected with a seal become.
  • materials in this case preferably good thermal conductivity materials, such as copper and / or aluminum are used.
  • a region between the energy storage cell and the cooling device can be at least partially filled with a heat-conducting material, which is preferably electrically insulating.
  • a material may, for example, thermal paste,
  • Gapfilier and / or potting material This material is next to the heat transport path through the
  • the cooling device is so workedst ⁇ taltet that it has at least one cooling unit and at least one receiving plate, wherein the Ausneh ⁇ tion in which, as described above, the cooling fin sits, is designed as a groove in the receiving plate.
  • the cooling unit and the receiving plate are then preferably in thermal contact with each other and particularly preferably electrically insulated from one another, preferably high voltage insulated.
  • the cooling unit may comprise the above ⁇ be written cavity and its embodiments here.
  • the cooling unit is provided flat with a flat upper surface, so that a flat receiving plate with a parallel plane can be arranged on the cooling unit.
  • the electrical insulation between the receiving plate and the cooling unit can be produced by high-voltage insulation foil which is applied to the surface of the cooling unit.
  • the recording ⁇ plate is preferably made of a good thermal conductivity Material, such as copper and / or aluminum produced. Since the receiving plate against the uniformdeein ⁇ is isolated, can be dispensed with an insulation between the cooling fin and the receiving plate, but it may also be provided such isolation.
  • cooling fins with an insulating layer can be provided so that they are against the receiving plate elekt ⁇ driven isolated.
  • the cooling fins can be connected to the receiving plate in various ways ⁇ . For example, bonding, welding, clamping, riveting and other methods are possible which ensure good heat transfer. Direct metallic contact is possible at this point.
  • cooling fins are in electrical contact with the receiving plate, it is preferred if only a small number of cooling fins, preferably less than 10, more preferably less than 5, are mounted together on a receiving plate.
  • individual mounting plates can then be mounted voltage isolated from each other.
  • the individual receiving plates can be equipped with a common cooling unit or with individual cooling units.
  • the safety extra-low voltage is maintained, it is possible to dispense with basic insulation for the cells.
  • the cells can then be separated from each other with just one functional isolation.
  • Such a can besides the Materials also described above for insulation by an adhesive film for fixing the cooling fins on the receiving plate.
  • the cooler and / or the receiving plate can also be provided with an insulating coating. As insulating materials, the above-mentioned in question.
  • the receiving plate it is advantageous to surround the receiving plate with a lateral insulating frame, for example made of plastic.
  • the recording ⁇ plate, the insulation frame and the cooling unit are preferably carried out so that any existing insulation film can not be worn through during operation. This is achieved by designing these components without ridges and with rounded edges.
  • the recesses in which the cooling fins are sitting or stuck can be designed as a recess in a wall of the cooling device. If the cooling device is designed with a cavity as described above, then the indentations are advantageously present in a wall of the cavity in such a way that the indentations extend into the interior of the cavity. The indentations are therefore concave outside the cavity and convex inside the cavity.
  • cooling fin now sits or is inserted in the corresponding indentation, then the cooling fin is at least partially seated inside the cavity and is pushed through the wall of the cavity
  • the Einbuch ⁇ tions having wall of the cavity is electrically isolie ⁇ ing, particularly preferably high voltage insulating.
  • the thermal connection of the cooling fins to the cooling device in particular that side which has the recesses, can be improved with politiciansleitvergussmasse, Gapfilier, thermally conductive adhesive or the like.
  • This also solves the problem of tolerance of successive cell blocks with fins. A thermal connection is thus ensured even if the cooling fins do not sit exactly in or on the cooling device.
  • the thermally conductive bonding material also facilitates heat transfer from the cooling fin to the cooling device. It is also possible, without Toleranzaus ⁇ equal to attach the cooling fins fixed to the cooling device, it being possible, in particular, electrically insulated to attach the cells to the cooling fins, as described above.
  • the at least one recess can advantageously be designed as a slot in a wall of the cavity, wherein the cooling fin, which sits in the recess, is seated in the slot such that it at least z. is present in the interior of the cavity, so that it is umêtbar of the cooling fluid and optionally in direct contact with the cooling fluid.
  • Cooling fluid preferably electrically non-conductive, so that the cooling fins are not electrically connected by the cooling medium.
  • the side of the cavity having the recesses is preferably electrically insulating, that is to say comprises an electrically insulating material.
  • the cooling fins are not over this side or plate electrically connected to each other.
  • Those recesses having the side of the cooling device may be a plug-in, sit in which the cooling fins. But it is also possible to isolate the cooling fins relative to that plate, while the plate itself may be electrically conductive in this case.
  • the isolation measures described above are applicable here.
  • the cooling plates can also be electrically insulated from the energy storage cells here.
  • the cavity with inserted cooling fins is tight for the cooling fluid.
  • a seal between that recessed side or plate and the chiller (s) may be i.a. be executed by potting, Dichtmas- sen, adhesives or rubber seals.
  • cooling fins are directly in contact with the cooling medium and are surrounded by it, there is a very high heat exchange between the cooling medium and the
  • Cooling fin In order to improve the heat transfer even further, that part of the surface of the cooling fin, which protrudes into the radiator, can be increased. This can ⁇ example, by crimping, Fumblechen, wafers, combs and / or grid happen that may be formed in or on the cooling fin or by means of the cooling fin by welding,
  • the cooling media may be those described above.
  • the recesses or slots can be designed in theisservor ⁇ direction as those having side or plate, that they with the aid of a modular tool system, such as a
  • Extrusion device can be performed in any length.
  • the energy storage device according to the invention can be different Be made way. It may be particularly advantageous a top of the radiator, which is the side that the recesses, grooves or slots for the
  • the tool used for this purpose can be modular, so that any length of radiator can be produced at any time.
  • the said upper side of the cooler can be attached to the remaining body of the cooler, for example by means of gluing, welding, soldering and / or clamping.
  • the recess for the cooling fins can be filled with thermally conductive adhesive and then the cooler can be connected to the pre-assembled cell block.
  • the manufacturing method allows any scalability of the cooler and thus the Energyspei ⁇ chers. This results in significant gleicheinsparpo ⁇ tentials for new die-casting or stamping tools.
  • the cooled energy storage device has a number of advantages over the prior art. On the one hand, an optimal heat transfer is achieved between the energy cells and the cooler. If the cooling fin passes directly into the cooler without a curved or angled surface, the heat transfer resistance is further reduced.
  • Cooling fins which are arranged on a radiator, allows a particularly homogeneous cooling of the cooling cell within the cooling cell as well as under different cooling cells.
  • Embodiment of the energy storage device according to the invention shows a further embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN energy storage
  • FIG. 5 shows an upper side of a cooling device of the energy store according to the invention, which is modularly divisible
  • FIG. 6 shows a plan view of an energy store according to the invention, in which the cooling fins are seated in spacers in recesses in the cooling device;
  • Figure 7 shows a spacer, in which Noblefinnen in
  • Recesses can be arranged.
  • the energy store has a plurality of energy storage cells 1, which are plate-shaped with two plate surfaces 2a, 2b, wherein the plate surfaces 2a, 2b are perpendicular to the drawing ⁇ plane.
  • the energy storage cells 1 are now with a plate surface 2a on a cooling plate 3 with the
  • Cooling plate parallel plate surface 2a arranged so that the energy storage cell 1 is in thermal contact with the cooling plate 3 ⁇ .
  • each energy storage cell 1 is assigned a cooling plate 3.
  • the cooling plates 3 are arranged side by side with parallel plate planes and are part of the Plate edge of the energy storage cells 1 over, so that the protruding part formsdefinnen 4.
  • the cooling fins 4 are now arranged in thermal contact with a cooling device 5.
  • the cooling device 5 has a cooling unit 6 and a receiving plate 7.
  • the cooling unit 6 and the receiving plate 7 are in this case substantially plate-shaped and arranged with parallel plate surfaces on each other.
  • an insulating film 8 is housed, which the cooling unit relative to the
  • Mounting plate 7 high voltage resistant isolated.
  • the receiving plate 7 now has for eachdefinne 4 a recess 9, in which the correspondingdefinne 4 sits.
  • the recesses 9 are in this case as grooves out ⁇ leads, which extend parallel to each other on an upper side of the receiving plate 7.
  • the cooling fins 4 are in thermal contact with the receiving plate 7.
  • the cooling fins 4 and the energy storage cells 1 at least partially a thermally conductive material 17, such as jacketleit ⁇ paste, Gapfilier or potting material, be housed.
  • the receiving plate 7 is surrounded with a lateral insulating frame 10, for example made of plastic.
  • a lateral insulating frame 10 for example made of plastic.
  • the energy storage cells 1 are normally electrical energy storage cells.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the cooled energy store according to the invention.
  • a plurality of plate-shaped electrical energy storage cells 1 with parallel plate surfaces are arranged side by side.
  • the energy storage cells 1 are arranged with a parallel plate surface on each of a cooling plate 3 so that they are in thermal contact with the cooling plate 3.
  • the cooling plate 3 In the example shown are at one
  • Cooling plate 3 each two electrical Energy Appzel ⁇ len 1 arranged on opposite sides of the cooling plate 3.
  • the cooling plate 3 is in the example shown down over the surfaces of the energy storage cells 1, so that below the
  • the cooling device 5 has a cavity 11 through which a coolant can flow, which enters the cavity through an inlet connection 12 and exits an outlet connection 13.
  • Those the recesses 9 having top ofdevor ⁇ direction 5 is here designed as a plate 14, in which the recesses 9 are formed as indentations 9, which protrude into the interior of the cavity 11.
  • Recesses are again elongated in the example shown and extend for the differentdeplat ⁇ th 3 parallel to each other.
  • the cooling plates 3 are now stuck with a respective cooling fin 4 in a recess 9. Because the recess 9 extends into the interior of the cavity 11, the cooling fins 4 protrude into the recess
  • the cooling device 5 is in the example shown of two Parts formed, namely a trough 15 and the top plate 14.
  • the trough 15 and the top plate 14 are fluid-tightly connected to each other, whereby different connection techniques can be used.
  • the energy storage cells 1 with respect to the corresponding cooling plates 3 are electrically high voltage insulated by an insulating film
  • Cooling fins 4 do not necessarily have to be electrically further isolated from each other.
  • FIG. 3 shows another example of the invention shown SEN cooled energy store, which is a further development of the energy storage device shown in FIG. 2 As far as the examples agree, reference is made to the description of Figure 2.
  • the energy storage shown in Figure 3 differs from that shown in Figure 2 in that between the power cells 1 and the recesses 9 having top plate 14 of the energy storage 5 leitvergussmasse
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the present invention.
  • the cooling device 5 designed as a cavity 11, which is flowed through by a bathleitme ⁇ medium, which is derived through an inlet opening 12, and an outlet opening 13.
  • the recesses 9 in that the recesses having top 14 of
  • Cooling device 5 configured as slots 9 in the top 14, through which the cooling fins 4 protrude into the interior 11 of the cooling device 5, so that they are surrounded by the cooling medium.
  • the slots 9 are again elongated and parallel to each other.
  • Cooling plate 3 a cooling fin 4 each two electric energy storage cells 1 each arranged over an insulating layer 16.
  • the upper side 14 of the cooling device 5 is designed in the example shown as an electrical insulator, so that the cooling fins 4 are electrically isolated from each other by the top 14 against each other.
  • the cooling medium present in the cavity 11 of the cooling device 5 is electrically insulating.
  • Figure 5 shows a plan view of an upper side 14 of the cooling device 5.
  • the surface 14 shown can be produced particularly favorably with a modular tool system, such as an extrusion press. It can be seen that the top 14 of three similar sections
  • Energy storage cell 1 is to be produced.
  • FIG. 6 shows a section of a plan view of one Energy storage according to the invention.
  • two energy storage cells 1 are each arranged on two sides of a respective cooling plate 3, as described above.
  • the cooling ⁇ plates 3 are seated as described above in recesses 9 in an upper surface 14 of the cooling apparatus 5.
  • the cooling fins 4 are in this case not in direct contact with a wall of the recess 9, but seated in two spacers 19a, 19b, made of an electrically insulating material are formed. This results in a free or filled with a medium area between the
  • the recess 9 is in this case designed slightly larger than the dimen ⁇ ments of the cooling fin. 4
  • FIG. 7 shows a spacer 19, as used in FIG. He has here an angle-shaped profile in which there is an opening 20, in which the cooling fin 4 can sit.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Energiespeicher mit zumindest einer plattenförmigen Energiespeicherzelle (1), zumindest einer Kühlplatte (3), welche auf einer Plattenfläche (2a) der zumindest einen Energiespeicherzelle (1) mit paralleler Plattenfläche so angeordnet ist, dass sie mit der Energiespeicherzelle (1) in thermischem Kontakt steht und welche zumindest über einen Teil eines Plattenrandes der Energiespeicherzelle (1) übersteht, so dass der überstehende Teil der Kühlplatte (3) eine Kühlfinne (4) bildet, sowie mit zumindest einer Kühlvorrichtung (5), mit welcher Wärme ableitbar ist, wobei die Kühlfinne (4) mit der Kühlvorrichtung (5) in thermischem Kontakt steht, so dass mit der Kühlvorrichtung (5) Wärme aus der Kühlfinne (4) ableitbar ist.

Description

Beschreibung
Gekühlter Energiespeicher Die Erfindung betrifft einen gekühlten Energiespeicher mit zumindest einer plattenförmigen Energiespeicherzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gekühlten Energiespeichers . Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine oder mehrere elektrische Maschinen und einen oder mehrere elektrochemische Energie¬ speicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen weisen allgemein eine Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einen Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einen elektrochemischen Energiespeicher und eine elektrischen Maschine für den Antrieb auf.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den norma- lerweise 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 bereitges- teilt und transferiert werden müssen. Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elekt¬ ronik, 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 Spei- chers bzw. der Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, d.h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benö- tigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Als Energielieferanten und Speicher für Fahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Nickel- Cadmium-, Zink-Luft-, Lithium-Luft-, Nickel-Zink- oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen.
Je nach Anwendung als Energiespeicher für Hybridfahrzeuge, Plug-in-Hybride oder als Elektrofahrzeug werden Spitzen- leistungen von 10 kW bis zu über 100 kW gefordert. Obwohl die Anforderungen an kontinuierliche Leistungen deutlich darunter liegen können, stellen insbesondere periodisch auftretende Spitzenleistungen hohe Anforderungen an die Kühlung, zumal die Bauräume für Energiespeicher in der Regel begrenzt sind.
Dabei ist es für die Lebensdauer der Zelle nicht nur von entscheidender Bedeutung, dass diese (absolut) gekühlt wird, sondern auch, was noch einen höheren Stellenwert besitzt, dass diese Kühlung gleichmäßig (relativ), d.h., mit möglichst geringem Temperaturgradienten über die Zelle und im Falle der Verschaltung von mehreren Zellen zu einem Zellenblock auch über diesen, d.h., über alle Zellen, erfolgt. Das Ziel ist dabei, möglichst eine Temperaturdif¬ ferenz von ΔΤ < 5K zu erreichen.
Eine wesentliche Rolle für das Kühlkonzept spielt der Kühler im Energiespeicher auch hinsichtlich der zahlreichen Verrohrungen und dem dazu notwendigen Platzbedarf. Dazu kommt das Risiko der Dichtungsstellen, die über die Lebensdauer kein Fluid in den Energiespeicher gelangen lassen dürfen.
Im Bereich des Kühlers stoßen zwei gegensätzliche Anforde¬ rungen aufeinander. Zum einen müssen die Zellen thermisch gut an den Kühler angebunden sein, damit eine gute Wärmeübertragung zwischen Zelle und Kühler erreicht wird. Zum anderen ist eine Spannungsisolation zwischen Kühler und den Zellen notwendig. Da alle Zellen eines Energiespei¬ chers mit dem Kühler verbunden sind, muss hier die Isola- tion mindestens auf die Nennspannung des Systems ausgelegt werden .
Da eine gute elektrische Isolation und gute thermische Leitfähigkeit prinzipbedingt gegenläufig sind, entsteht hier ein Zielkonflikt. Dieser führt meist zu einem Fla¬ schenhals beim Wärmetransport und damit zur einer unnötig hohen Batterietemperatur, wodurch zuletzt die Lebensdauer des Batteriesystems herabgesetzt wird. Nach dem Stand der Technik werden Energiezellen normalerweise dadurch gekühlt, dass in Fräsprofilen in den Energiezellen selbst Kupferschlangen eingepresst werden, die mit einem Kühlmittel durchflössen werden. Auch ist es möglich, Fräsprofile selbst mit Kühlmittel zu durchflie- ßen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gekühlten Energiespeicher anzugeben, der die Probleme des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine gute Wärmeabfuhr bei gleichzeitiger sicherer elektrischer
Isolierung ermöglicht. Der Energiespeicher sollte vorteilhaft in einer kompakten Bauform realisierbar sein und auch mit vielen Energiezellen und großen Abmessungen günstig herstellbar sein. Diese Aufgaben werden gelöst durch den gekühlten Energiespeicher nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Herstellung
eines solchen gekühlten Energiespeichers nach Anspruch 16. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens an.
Erfindungsgemäß wird ein gekühlter Energiespeicher angegeben, der zumindest eine plattenförmige Energiespeicherzel- le aufweist. Eine plattenförmige Energiespeicherzelle kann hierbei durch zwei parallele Plattenflächen gebildet werden, wobei zwischen den parallel zueinander verlaufenden Rändern der Plattenflächen ein Plattenrand um die Energiespeicherzelle umläuft.
Die Energiespeicherzellen sind vorzugsweise elektrische Energiespeicherzellen, speichern also elektrische Energie. Derartige Speicherzellen können u.a. Bleibatterien,
Nickel-Metallhydrid-Zellen, Nickel-Cadmium-Zellen, Zink- Luft-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Nickel-Zink-Zellen, Lithium-Ionen-Zellen, Brennstoffzellen sowie Doppelschichtkondensatoren sein.
Im erfindungsgemäßen Energiespeicher ist nun auf zumindest einer der Plattenflächen der zumindest einen Energiespeicherzelle zumindest eine Kühlplatte mit zur Plattenfläche der Energiespeicherzelle paralleler Plattenfläche so angeordnet, dass sie mit der Energiespeicherzelle in thermischem Kontakt steht. Die Energiespeicherzelle ist also mit paralleler Fläche auf der Kühlplatte angeordnet. Vorzugsweise bedeckt die Kühlplatte die entsprechende Plattenfläche der Energiespeicherzelle vollständig.
Hierbei steht nun die Kühlplatte über einen Teil des Plattenrandes der Energiespeicherzelle über, so dass der überstehende Teil der Kühlplatte eine Kühlfinne bildet.
Die Kühlfinne ist also ein gegenüber der Energiespeicherzelle frei stehender Plattenabschnitt.
Erfindungsgemäß weist der gekühlte Energiespeicher außer- dem zumindest eine Kühlvorrichtung auf, mit welcher Wärme ableitbar ist. Die zumindest eine Kühlvorrichtung steht in thermischem Kontakt mit der zumindest einen Kühlfinne der zumindest einen Energiespeicherzelle, so dass durch die Kühlvorrichtung Wärme aus der Kühlfinne ableitbar ist.
Bevorzugterweise weist der gekühlte Energiespeicher zumindest zwei oder eine Mehrzahl von plattenförmigen Energiespeicherzellen auf. Diese können dann mit parallelen Plattenflächen nebeneinander angeordnet sein. Die zu den Energiespeicherzellen gehörenden Kühlplatten sind dann ebenfalls parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise stehen hierbei die Kühlfinnen mehrerer oder aller Kühlplatten mit zumindest einer gemeinsamen Kühlvorrichtung in thermischem Kontakt. Die Energiespeicherzellen und Kühl- platten sind dann also mit ihren jeweiligen Kühlfinnen nebeneinander an der gemeinsamen Kühlvorrichtung angeordnet .
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass zu jeder plattenför- migen Energiespeicherzelle eine gesonderte Kühlplatte vorgesehen ist. Es können aber auch an einer Kühlplatte mehrere Energiespeicherzellen angeordnet sein. Insbesonde¬ re können auf je einer Seite der Kühlplatte je eine
Energiespeicherzelle mit paralleler Plattenfläche verbun¬ den sein. Es ist außerdem auch möglich, dass Energiespei- cherzellen an beiden ihrer Plattenflächen mit je zumindest einer Kühlfläche in Kontakt stehen, so dass also die
Energiespeicherzelle zwischen zwei Kühlplatten angeordnet ist . Bevorzugterweise weist die Kühlvorrichtung für jede mit ihr in thermischem Kontakt stehende Kühlfinne eine Ausneh¬ mung auf, in welcher die entsprechende Kühlfinne sitzt oder steckt. Auf diese Weise wird die Kontaktfläche zwischen Kühlfinne und Kühlvorrichtung vergrößert, so dass eine verbesserte Wärmeableitung aus der Kühlfinne möglich ist. Sofern die Kühlfinne gegenüber der Kühlvorrichtung elektrisch isoliert sein soll, ist es möglich, die Kühlfinne in der entsprechenden Ausnehmung in einem, zwei oder mehreren elektrisch nicht leitenden Abstandshaltern einzusetzen, so dass die Finne eine Wand der Ausnehmung in der Kühlvorrichtung nicht berührt.
Um eine Isolierung der Energiespeicherzellen gegeneinander und gegenüber der Kühlvorrichtung zu bewirken, ist es möglich, dass zwischen der Energiespeicherzelle und der oder den mit ihr in Kontakt stehenden Kühlplatten zumindest eine
elektrisch isolierende, vorzugsweise hochspannungsfest- isolierende, Schicht so angeordnet ist, dass die Energie- Speicherzelle gegenüber der auf ihr angeordneten Kühlplat¬ te
elektrisch isoliert ist, wobei jedoch idealerweise die elektrische Isolierung den thermischen Kontakt zwischen Energiezelle und Kühlplatte nicht beeinträchtigt. Die elektrisch
isolierende Schicht kann als zwischen Energiezelle und Kühlplatte angeordnete Folie, beispielsweise HV- Isolationsfolie, ausgestaltet sein oder auch als Beschich- tung der entsprechenden Plattenfläche der Energiespeicherzelle und/oder der Kühlplatte. Mögliche Isolationsmateria- lien sind u.a. Glimmerplatten, isolierende Kleber,
KunststoffScheiben, isolierender Lack, Kunststoffbeschich- tungen und/oder isolierende anorganische Beschichtungen . Insbesondere ist es auch möglich, isolierende Folien mit isolierenden Beschichtungen zu kombinieren. Die genannten Isolierungen sind erfindungsgemäß an allen Stellen einsetzbar, wo in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher eine elektrische Isolierung bewirkt werden soll.
Eine elektrische Isolierung kann auch dadurch erfolgen, dass ein Gehäuse der Energiespeicherzelle isolierendes und spannungsfestes Material aufweist oder daraus besteht. Auch ist es möglich, eine Spannungs-Isolation durch eine Umspritzung der Außenseite jener Seite zu erreichen, in welchen die Ausnehmungen angeordnet sind, also beispiels- weise der Aufnahmeplatte oder jener die Ausnehmung aufwei¬ senden Wand eines Hohlraumes. Um hierbei eine gute thermi¬ sche Kopplung zu erhalten, kann die Tiefe der Ausnehmung und eine Eindringtiefe der Finne in die Ausnehmung vergrö¬ ßert werden.
Die Energiespeicherzellen und/oder die Kühlplatten weisen vorzugsweise rechteckige Plattenflächen auf. Sie haben dann also vier Kanten, die ihren Rand bilden. Bevorzugterweise ist die zumindest eine Kühlvorrichtung an zumindest einem Rand, der auch Rand der Kühlfinne ist, angeordnet, so dass ein thermischer Kontakt zwischen Kühlplatte und Kühlvorrichtung hergestellt wird. Es können an weiteren Kanten der Kühlplatte, an welchen ebenfalls Kühlfinnen durch Überstehen über die Energiespeicherzelle gebildet sein können, weitere Kühlvorrichtungen angeordnet sein. Bei einer rechteckigen Plattenform können an den vier Kanten bis zu vier Kühlvorrichtungen entsprechend der ersten Kühlvorrichtung angeordnet sein, wobei für mehrere Platten an je einem Rand eine gemeinsame Kühlvorrichtung vorgesehen sein kann.
Vorzugsweise steht die Kühlvorrichtung mit der entspre¬ chenden Kante der Kühlplatte bzw. Kühlfinne auf der gesamten Länge der Kante in Kontakt, so dass die thermi¬ sche Kontaktfläche möglichst groß ist.
Kühlvorrichtungen im Sinne der Erfindung können grundsätzlich alle Vorrichtungen sein, mit welchen Wärme ableitbar ist und welche wie beschrieben in thermischem Kontakt mit der oder den Kühlfinnen anordenbar sind. Bevorzugterweise weist die Kühlvorrichtung jedoch zumindest einen Hohlraum auf, durch welchen ein Kühlfluid so leitbar ist, dass aus der Kühlfinne abgeleitete Wärme durch das Kühlfluid ableitbar ist. Hierzu kann der Hohlraum mit einem Zufluss und einem Abfluss versehen sein, durch welche das Kühl- fluid zu- bzw. abgeleitet wird.
Bevorzugterweise ist das Kühlfluid elektrisch isolierend, so dass es die Isolierung der Energiespeicherzellen gegeneinander unterstützt. Das Kühlfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Besonders bevorzugt sind isolierende
Flüssigkeiten, wie Transformatoröle, Silikonöle, Fluorkoh¬ lenwasserstoffe und/oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Gasförmige Fluide können beispielsweise Luft, Stickstoff, Edelgase und/oder Schwefelhexafluorid (SFe) sein. Um die Isolationsfestigkeit zu erhöhen, können die Gase vorge¬ trocknet werden.
Eine Kühlvorrichtung mit Hohlraum kann vorteilhaft als Wanne mit zumindest einem Deckel ausgestaltet sein, wobei die Kühlfinnen vorteilhaft mit dem Deckel in thermischem Kontakt stehen können. Die Wanne wird hierbei durch den Deckel verschlossen, indem sie mit dem Deckel zusammenge¬ lötet, geschweißt und/oder verschraubt wird. Für eine optimale Positionierung vor dem Zusammenbau können Positionierungspins zur Zentrierung an Deckel und/oder Wanne vorgesehen sein.
Der Hohlraum kann, um eine Strömung und Kühlung im Inneren des Kühlers optimal zu gestalten, in seinem Inneren
Kühlkammern zur dosierten Steuerung des Kühlmittelflusses, insbesondere durch unterschiedlich große Durchtrittsöff¬ nungen für das Kühlmittel, aufweisen. In dem Kühler können außerdem Vorratskammern für eine Anströmung und Entleerung der Kühlkammern integriert sein, die über Kühlmitteldurch- trittsöffnungen miteinander verbunden sind.
Die Konzeptionierung der Kühlvorrichtung als von Kühlfluid durchflossenem Hohlraum ermöglicht es, durch Zu- und
Ableitungen in den Hohlraum einzelne Energiespeicher wie oben beschrieben zu Blöcken zusammenzuschalten und Kühlmittel über mehrere Blöcke zu verteilen.
Kühler von mehreren Zellenblöcken können durch im Kühler integrierte Verteilerkammern parallel angeströmt werden. Vorteilhafterweise wird das Innere der Hohlräume so ausgestaltet, dass das Kühlmittel möglichst wenige Rich¬ tungswechsel im Kühler durchführt. Idealerweise wird die Oberfläche zwischen Kühlmedium und Kühler maximiert.
Der Kühler kann ohne Hinterschnitte aufgebaut sein und als Guss-, Stanz- oder Fräßteil ausgeführt sein. Eine Dichtig¬ keit zwischen den Kammern kann durch Dichtmasse gewährleistet werden.
Die Komponenten der Kühlvorrichtung können u.a. durch Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen und/oder Zusammenschr ben, vorteilhafterweise mit einer Dichtung, verbunden werden. Als Werkstoffe werden hierbei bevorzugt gut wärmeleitfähige Materialien, wie Kupfer und/oder Aluminium verwendet . Zur Verbesserung der Wärmeableitung aus der Energiespeicherzelle in die Kühlvorrichtung kann ein Bereich zwischen der Energiespeicherzelle und der Kühlvorrichtung mit einem wärmeleitenden Material zumindest teilweise gefüllt sein, welches vorzugsweise elektrisch isolierend ist. Ein solches Material kann beispielsweise Wärmeleitpaste,
Gapfilier und/oder Vergussmaterial sein. Durch dieses Material wird neben dem Wärmetransportpfad durch die
Kühlfinne ein weiterer Wärmetransportpfad von der Energie¬ speicherzelle zum Kühler bereitgestellt, wodurch der
Wärmewiderstand zwischen der Zelle und der Kühlvorrichtung verringert wird.
Es ist bevorzugt, wenn die Kühlvorrichtung derart ausges¬ taltet ist, dass sie zumindest eine Kühleinheit sowie zumindest eine Aufnahmeplatte aufweist, wobei die Ausneh¬ mung, in welcher wie oben beschrieben die Kühlfinne sitzt, als Rinne in der Aufnahmeplatte ausgestaltet ist. Die Kühleinheit und die Aufnahmeplatte sind dann bevorzugt in thermischem Kontakt miteinander und besonders bevorzugt elektrisch gegeneinander isoliert, vorzugsweise hochspan- nungs-isoliert . Die Kühleinheit kann hier den oben be¬ schriebenen Hohlraum und dessen Ausgestaltungen aufweisen.
Vorzugsweise ist die Kühleinheit flach mit einer flachen bzw. ebenen Oberseite ausgestattet, so dass eine ebene Aufnahmeplatte mit paralleler Ebene auf der Kühleinheit angeordnet sein kann. Die elektrische Isolation zwischen der Aufnahmeplatte und der Kühleinheit kann durch Hoch- spannungs-Isolationsfolie hergestellt werden, die auf der Oberfläche der Kühleinheit aufgebracht ist. Die Aufnahme¬ platte wird vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium, hergestellt. Da die Aufnahmeplatte gegenüber der Kühlein¬ heit isoliert ist, kann auf eine Isolierung zwischen der Kühlfinne und der Aufnahmeplatte verzichtet werden, es kann jedoch auch eine solche Isolierung vorgesehen werden. Weitere Möglichkeiten, die Aufnahmeplatte gegenüber der Kühleinheit elektrisch zu isolieren, werden durch Glimmerplatten, isolierende Kleber, KunststoffScheiben, isolierende Lacke, Kunststoffbeschichtungen und/oder isolierende anorganische Beschichtungen gegeben. Durch diese können auch die Kühlfinnen mit einer Isolationsschicht versehen werden, so dass sie gegenüber der Aufnahmeplatte elekt¬ risch isoliert sind. Die Kühlfinnen können mit der Aufnahmeplatte auf verschie¬ denste Weise verbunden werden. So kommen z.B. Kleben, Schweißen, Klemmen, Nieten und andere Verfahren in Frage, die eine gute Wärmeübertragung gewährleisten. Ein direkter metallischer Kontakt ist an dieser Stelle möglich.
Sofern die Kühlfinnen mit der Aufnahmeplatte in elektrischem Kontakt stehen, ist es bevorzugt, wenn nur eine geringe Zahl von Kühlfinnen, bevorzugt weniger als 10, besonders bevorzugt weniger als 5, gemeinsam auf einer Aufnahmeplatte montiert sind.
In diesem Fall können einzelne Aufnahmeplatten dann spannungs-isoliert voneinander montiert werden. Die einzelnen Aufnahmeplatten können mit einer gemeinsamen Kühleinheit oder mit einzelnen Kühleinheiten ausgestattet sein .
Wird die Schutzkleinspannung eingehalten, so kann für die Zellen auf eine Basisisolierung verzichtet werden. Die Zellen können dann mit nur noch einer Funktionsisolierung voneinander getrennt werden. Eine solche kann neben den oben zur Isolierung beschriebenen Materialien auch durch eine Klebefolie zur Befestigung der Kühlfinnen auf der Aufnahmeplatte erfolgen. Alternativ können auch der Kühler und/oder die Aufnahmeplatte mit einer isolierenden Be- schichtung versehen werden. Als Isolierungsmaterialien kommen die oben genannten in Frage.
Um ausreichende Luft- und Kriechstellen am Rand der
Kühlvorrichtung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Aufnahmeplatte mit einem seitlichen Isolationsrahmen, beispielsweise aus Kunststoff, zu umgeben. Die Aufnahme¬ platte, der Isolationsrahmen und die Kühleinheit werden vorzugsweise so ausgeführt, dass eine eventuell vorhandene Isolationsfolie im Betrieb nicht durchgescheuert werden kann. Dies wird durch eine Ausführung dieser Bauteile ohne Grate und mit abgerundeten Kanten erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Ausnehmungen, in welchen die Kühlfinnen sitzen oder stecken, als Einbuchtung in einer Wand der Kühlvorrichtung ausgestaltet sein. Ist die Kühlvorrichtung wie oben beschrieben mit einem Hohlraum ausgestaltet, so liegen hierbei die Einbuchtungen vorteilhafterweise in einer Wand des Hohlraums so vor, dass die Einbuchtungen sich in das Innere des Hohlraums erstrecken. Die Einbuchtungen sind also außerhalb des Hohlraums konkav und innerhalb des Hohlraums konvex.
Sitzt oder steckt nun die Kühlfinne in der entsprechenden Einbuchtung, so sitzt die Kühlfinne zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums und wird durch die Wand des
Hohlraums im Bereich der Einbuchtung vom Inneren des
Hohlraums und einem dort gegebenenfalls vorhandenen
Kühlfluid getrennt. Bevorzugterweise ist jene die Einbuch¬ tungen aufweisende Wand des Hohlraumes elektrisch isolie¬ rend, besonders bevorzugt hochspannungs-isolierend . Um die thermische Anbindung der Kühlfinnen an die Kühlvorrichtung, insbesondere jene Seite, welche die Ausnehmungen aufweist, zu verbessern, kann mit Wärmeleitvergussmasse, Gapfilier, wärmeleitfähigem Kleber o.a. verbessert werden. Hierdurch wird auch die Toleranzproblematik aneinander gereihter Zellblöcke mit Finnen gelöst. Eine thermische Anbindung ist also auch gewährleistet, wenn die Kühlfinnen nicht exakt in oder an der Kühlvorrichtung sitzen. Das wärmeleitfähige Verbindungsmaterial erleichtert auch den Wärmetransport von der Kühlfinne zur Kühlvorrichtung. Es ist auch möglich, die Kühlfinnen fest ohne Toleranzaus¬ gleich an der Kühlvorrichtung anzubringen, wobei es insbesondere möglich ist, die Zellen elektrisch isoliert auf den Kühlfinnen anzubringen, wie oben beschrieben.
Um eine hohe Modularität zu gewährleisten, ist es vorteil¬ haft, jene die Ausnehmungen aufweisende Seite der Kühlvor¬ richtung so zu gestalten, dass sie mit Hilfe eines modula- ren Werkzeugsystems, wie beispielsweise einer Strangpress¬ vorrichtung, in beliebiger Länge herstellbar ist.
Sofern die Kühlvorrichtung mit einem Hohlraum wie oben beschrieben ausgebildet ist, kann vorteilhafterweise die zumindest eine Ausnehmung als Schlitz in einer Wand des Hohlraums ausgestaltet sein, wobei die Kühlfinne, welche in der Ausnehmung sitzt, so in dem Schlitz sitzt, dass sie zumindest z.T. im Inneren des Hohlraums vorliegt, so dass sie von dem Kühlfluid umspülbar ist und gegebenenfalls mit dem Kühlfluid in direktem Kontakt ist. Hierbei ist das
Kühlfluid vorzugsweise elektrisch nicht leitend, so dass die Kühlfinnen durch das Kühlmedium nicht elektrisch miteinander verbunden werden. Jene die Ausnehmungen aufweisende Seite des Hohlraumes ist vorzugsweise elekt- risch isolierend, weist also ein elektrisch isolierendes Material auf. Hierdurch werden die Kühlfinnen nicht über diese Seite bzw. Platte elektrisch miteinander verbunden. Jene die Ausnehmungen aufweisende Seite der Kühlvorrichtung kann eine Steckplatte sein, in welcher die Kühlfinnen sitzen. Es ist aber auch möglich, die Kühlfinnen gegenüber jener Platte zu isolieren, während die Platte selbst in diesem Fall elektrisch leitend sein kann. Auch die vorstehend beschriebenen Isolationsmaßnahmen sind hier anwendbar. Insbesondere können auch hier die Kühlplatten gegenüber den Energiespeicherzellen elektrisch isoliert sein.
Vorzugsweise ist der Hohlraum mit eingesetzten Kühlfinnen dicht für das Kühlfluid. Eine Abdichtung zwischen jener die Ausnehmungen aufweisenden Seite oder Platte und der bzw. den Kühlfinnen kann u.a. mittels Verguss, Dichtmas- sen, Klebstoffen oder Gummidichtungen ausgeführt sein.
Da die Kühlfinnen direkt mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen und von diesem umspült werden, erfolgt ein sehr hoher Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und der
Kühlfinne. Um den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern, kann jener Teil der Oberfläche der Kühlfinne, der in den Kühler hineinragt, vergrößert werden. Dies kann beispiels¬ weise durch Sicken, Fächchen, Plättchen, Kämme und/oder Gitter geschehen, die in oder an der Kühlfinne ausgebildet sein können oder mittels der Kühlfinne durch Schweißen,
Klemmen, Nieten und/oder Kleben befestigt sein können. Die Kühlmedien können die oben beschriebenen sein.
Auch in dieser Ausführungsform kann jene die Ausnehmungen bzw. Schlitze aufweisende Seite oder Platte der Kühlvor¬ richtung so ausgestaltet sein, dass sie mit Hilfe eines modularen Werkzeugsystems, wie beispielsweise einer
Strangpressvorrichtung, in beliebiger Länge ausgeführt werden kann.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Es kann besonders vorteilhaft eine Oberseite des Kühlers, welches jene Seite ist, die die Ausnehmungen, Steckrillen bzw. Schlitze für die
Kühlfinnen aufweist, als Guss-, Stanz- und/oder Fräßteil mit integrierten Aussparungen für Zu- und Abläufe hergestellt werden, insbesondere wenn keine Hinterschnitte vorhanden sind. Das hierzu verwendete Werkzeug kann modular ausgeführt sein, so dass jederzeit eine beliebige Kühlerlänge hergestellt werden kann. Die besagte Oberseite des Kühlers kann an dem restlichen Körper des Kühlers z.B. mittels Kleben, Schweißen, Löten und/oder Klemmen befestigt werden. Die Ausnehmung für die Kühlfinnen kann mit wärmeleitfähigem Kleber ausgegossen werden und anschließend der Kühler mit dem vor-montierten Zellenblock verbun- den werden. Das Herstellungsverfahren erlaubt eine beliebige Skalierbarkeit des Kühlers und damit des Energiespei¬ chers. Hierdurch ergeben sich erhebliche Kosteneinsparpo¬ tentiale für neue Druckguss- bzw. Stanzwerkzeuge. Der erfindungsgemäße gekühlte Energiespeicher weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf. Zum einen wird zwischen den Energiezellen und dem Kühler ein optimaler Wärmeübergang erreicht. Sofern die Kühlfinne direkt in den Kühler ohne eine gebogene oder abgewinkelte Fläche übergeht, ist der Wärmeübergangswiderstand nochmals reduziert .
Durch die Entkopplung der Funktionen des Haltens bzw. der Befestigung des Kühlers und des Kühlens der Zellen wird eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit und mechanische
Stabilität an den Kühlfinnen gewährleistet, da die Verbin¬ dung zwischen dem Kühler und den Kühlfinnen keine Kräfte aufnehmen muss. Bei geeigneter Ausgestaltung der Kühlvorrichtung mit über Verteilerkammern und/oder Vorratskammern parallel angest- römte Kühlrippen ergibt sich im Inneren des Kühlers ein minimaler Druckverlust, da keine Änderung der Strömungs¬ richtung des Kühlmediums erfolgen muss. Auf die Weise lässt sich die Vorrichtung auch bei tiefen Temperaturen mit zähflüssigem Kühlmedium mit einer ausreichenden
Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums durch die
Kühlvorrichtung betreiben, so dass eine homogene Kühlung des Speichers erfolgt. Darüber hinaus kann die Pumpe für das Kühlmedium weniger aufwändig ausgestaltet werden und ist damit kostengünstiger.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Kühlung mittels
Kühlfinnen, die an einen Kühler angeordnet sind, eine besonders homogene Kühlung der Kühlzelle innerhalb der Kühlzelle wie auch unter verschiedenen Kühlzellen ermöglicht .
Es können erfindungsgemäß auch andere Mechanismen für die Kühlvorrichtung in Frage kommen. So sind auch Luftkühler oder eine Klimaanlagenkühlung denkbar.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale können auch einzeln unabhängig vom konkreten Ausführungsbeispiel in beliebiger Kombination erfindungsgemäß realisiert sein
Es zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Energiespeichers; eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Energiespeichers; eine Weiterbildung der in Figur 2 gezeigten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energie Speichers ; Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsge¬ mäßen Energiespeichers,
Figur 5 eine Oberseite einer Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Energiespeichers, die modular hers- teilbar ist,
Figur 6 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Energiespeicher, in welchem die Kühlfinnen in Abstandshaltern in Ausnehmungen in der Kühlvorrich- tung sitzen; und
Figur 7 einen Abstandshalter, in welchem Kühlfinnen in
Ausnehmungen angeordnet werden können.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungs¬ gemäßen gekühlten Energiespeichers. Der Energiespeicher weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 1 auf, welche plattenförmig sind mit zwei Plattenflächen 2a, 2b, wobei die Plattenflächen 2a, 2b senkrecht zur Zeichnungs¬ ebene stehen. Die Energiespeicherzellen 1 sind nun mit einer Plattenfläche 2a an einer Kühlplatte 3 mit zur
Kühlplatte paralleler Plattenfläche 2a so angeordnet, dass die Energiespeicherzelle 1 mit der Kühlplatte 3 in thermi¬ schem Kontakt steht. Es ist hierbei jeder Energiespeicherzelle 1 eine Kühlplatte 3 zugeordnet. Es können aber auch mehrere Energiespeicherzellen 1 an einer Kühlplatte 3 angeordnet sein oder mehrere Kühlplatten 3 an einer
Energiespeicherzelle 1. Die Kühlplatten 3 sind mit parallelen Plattenebenen nebeneinander angeordnet und stehen über einen Teil des Plattenrandes der Energiespeicherzellen 1 über, so dass der überstehende Teil Kühlfinnen 4 bildet.
Die Kühlfinnen 4 sind nun in thermischem Kontakt mit einer Kühlvorrichtung 5 angeordnet. Dabei weist die Kühlvorrichtung 5 eine Kühleinheit 6 sowie eine Aufnahmeplatte 7 auf. Die Kühleinheit 6 und die Aufnahmeplatte 7 sind hierbei im Wesentlichen plattenförmig und mit parallelen Plattenflächen aufeinander angeordnet. Zwischen der Kühleinheit 6 und der Aufnahmeplatte 7 ist eine Isolationsfolie 8 untergebracht, welche die Kühleinheit gegenüber der
Aufnahmeplatte 7 hochspannungsfest isoliert.
Die Aufnahmeplatte 7 weist nun für jede Kühlfinne 4 eine Ausnehmung 9 auf, in welcher die entsprechende Kühlfinne 4 sitzt. Die Ausnehmungen 9 sind hierbei als Rinnen ausge¬ führt, die auf einer Oberseite der Aufnahmeplatte 7 parallel zueinander verlaufen. In den Ausnehmungen 9 stehen die Kühlfinnen 4 mit der Aufnahmeplatte 7 in thermischem Kontakt.
Um den thermischen Widerstand zwischen den Energiespeicherzellen 1 und der Kühleinheit 6 weiter zu reduzieren, kann zwischen der Aufnahmeplatte 7, den Kühlfinnen 4 und den Energiespeicherzellen 1 zumindest bereichsweise ein wärmeleitfähiger Stoff 17, wie beispielsweise Wärmeleit¬ paste, Gapfilier oder Vergussmaterial, untergebracht sein.
Um ausreichende Luft- und Kriechstrecken am Rand des
Kühlers 5 sicherzustellen, ist die Aufnahmeplatte 7 mit einem seitlichen Isolationsrahmen 10, beispielsweise aus Kunststoff, umgeben. Zur weiteren Erhöhung der elektrischen Isolation kann auch zwischen den Energiespeicherzellen 2 und den entsprechenden Kühlplatten 3 jeweils eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein, welche die Energiespeicherzelle 1 gegenüber der Kühlplatte elektrisch isoliert. Die Energiespeicherzellen 1 sind im Normalfall elektrische Energiespeicherzellen 1.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungs- gemäßen gekühlten Energiespeichers. Es sind hier wiederum um eine Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Energiespeicherzellen 1 mit parallelen Plattenflächen nebeneinander angeordnet. Wiederum sind die Energiespeicherzellen 1 mit paralleler Plattenfläche an je einer Kühlplatte 3 so angeordnet, dass sie mit der Kühlplatte 3 in thermischem Kontakt stehen. Im gezeigten Beispiel sind an einer
Kühlplatte 3 jeweils zwei elektrische Energiespeicherzel¬ len 1 auf gegenüber liegenden Seiten der Kühlplatte 3 angeordnet. Die Kühlplatte 3 steht im gezeigten Beispiel nach unten über die Flächen der Energiespeicherzellen 1 über, so dass sich unterhalb der
Energiespeicherzellen 1 Kühlfinnen 4 ausbilden.
Die Kühlvorrichtung 5 weist im gezeigten Beispiel einen Hohlraum 11 auf, welcher von einem Kühlmittel durchströmbar ist, welches in den Hohlraum durch einen Eingangsstutzen 12 eintritt und einen Ausgangsstutzen 13 austritt. Jene die Ausnehmungen 9 aufweisende Oberseite der Kühlvor¬ richtung 5 ist hier als Platte 14 ausgestaltet, in welcher die Ausnehmungen 9 als Einbuchtungen 9 ausgebildet sind, die in das Innere des Hohlraums 11 hineinragen. Die
Ausnehmungen sind im gezeigten Beispiel wiederum länglich ausgebildet und verlaufen für die verschiedenen Kühlplat¬ ten 3 parallel zueinander. Die Kühlplatten 3 stecken nun mit je einer Kühlfinne 4 in einer Ausnehmung 9. Dadurch, dass die Ausnehmung 9 bis in das Innere des Hohlraums 11 hineinreicht, ragen auch die Kühlfinnen 4 bis in das
Innere des Hohlraums 11 hinein und werden vom Hohlraum 11 durch die Wand 14 im Bereich der Ausnehmung 9 getrennt.
Die Kühlvorrichtung 5 ist im gezeigten Beispiel aus zwei Teilen gebildet, nämlich einer Wanne 15 und der Oberplatte 14. Die Wanne 15 und die Oberplatte 14 sind fluiddicht miteinander verbunden, wobei verschiedene Verbindungstechniken zur Anwendung kommen können.
Im gezeigten Beispiel sind die Energiespeicherzellen 1 gegenüber den entsprechenden Kühlplatten 3 elektrisch hochspannungsisoliert durch jeweils eine Isolationsfolie
16 oder Isolationsschicht 16, welche beidseitig der
Kühlplatte 3 zwischen der Kühlplatte 3 und der entspre¬ chenden Energiespeicherzelle 1 über die vollständige
Kontaktfläche angeordnet ist. Auf diese Weise müssen die Kühlfinnen 4 nicht notwendigerweise weiter elektrisch gegeneinander isoliert werden.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemä¬ ßen gekühlten Energiespeichers, der eine Weiterbildung des in Figur 2 gezeigten Energiespeichers ist. Soweit die Beispiele übereinstimmen, wird auf die Beschreibung zu Figur 2 verwiesen.
Der in Figur 3 gezeigte Energiespeicher unterscheidet sich von jenem in Figur 2 gezeigten dadurch, dass zwischen die Energiezellen 1 und die die Ausnehmungen 9 aufweisende Oberplatte 14 des Energiespeichers 5 Wärmeleitvergussmasse
17 eingebracht ist. Die Wärmeleitvergussmasse ist hierbei jeweils zwischen der Energiespeicherzelle 1 und der Platte 14 angeordnet, um den thermischen Kontakt zwischen der Energiespeicherzelle 1 und der Platte 14 zu vergrößern. Im gezeigten Beispiel umgibt die Wärmeleitvergussmasse 17 außerdem die Kühlfinnen 4 im Inneren der Einbuchtung 9, so dass auch ein guter Kontakt zwischen der Kühlfinne 4 und dem Inneren des Hohlraums 5 erzielt wird. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist wiederum die Kühlvorrichtung 5 als Hohlraum 11 ausgestaltet, der von einem Wärmeleitme¬ dium durchfließbar ist, welches durch eine Eingangsöffnung 12 zu, und eine Ausgangsöffnung 13 abgeleitet wird. Im hier gezeigten Beispiel sind nun die Ausnehmungen 9 in jener die Ausnehmungen aufweisenden Oberseite 14 der
Kühlvorrichtung 5 als Schlitze 9 in der Oberseite 14 ausgestaltet, durch welche hindurch die Kühlfinnen 4 in das Innere 11 der Kühlvorrichtung 5 hineinragen, so dass sie von dem Kühlmedium umflossen werden. Die Schlitze 9 sind hierbei wieder länglich und zueinander parallel ausgeführt .
Wie in den vorangegangenen Beispielen sind an jeder
Kühlplatte 3 einer Kühlfinne 4 je zwei elektrische Ener- giespeicherzellen 1 über je eine Isolationsschicht 16 angeordnet. Die Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5 ist im gezeigten Beispiel als elektrischer Isolator ausgeführt, so dass die Kühlfinnen 4 auch durch die Oberseite 14 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Vorzugsweise ist auch das im Hohlraum 11 der Kühlvorrichtung 5 vorliegende Kühlmedium elektrisch isolierend.
Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5. Zu erkennen sind hier eine Vielzahl von graden länglichen Ausnehmungen 9, die äquidistant und parallel zueinander nebeneinander angeordnet sind. Die gezeigte Oberfläche 14 lässt sich besonders günstig mit einem modularen Werkzeugsystem herstellen, wie beispielsweise einer Strangpressvorrichtung. Es ist zu erkennen, dass die Oberseite 14 aus drei gleichartigen Abschnitten
18a, 18b, 18c besteht, die mittels des modularen Werkzeug¬ systems auf einfache Weise um weitere Abschnitte erweitert werden können, wenn ein Energiespeicher mit weiteren
Energiespeicherzellen 1 hergestellt werden soll.
Figur 6 zeigt einen Abschnitt einer Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Energiespeicher. Hierbei sind jeweils zwei Energiespeicherzellen 1 auf zwei Seiten je einer Kühlplatte 3 angeordnet, wie oben beschrieben. Die Kühl¬ platten 3 sitzen wie oben beschrieben in Ausnehmungen 9 in einer Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5. Die Kühlfinnen 4 sind hierbei jedoch nicht in direktem Kontakt mit einer Wandung der Ausnehmung 9, sondern sitzen in zwei Abstandshaltern 19a, 19b, die aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sind. Hierdurch besteht ein freier oder mit einem Medium gefüllter Bereich zwischen der
Kühlfinne 4 und der Wandung der Ausnehmung 9. Die Ausnehmung 9 ist hierbei etwas größer gestaltet als die Abmes¬ sungen der Kühlfinne 4.
Figur 7 zeigt einen Abstandshalter 19, wie er in Figur 6 verwendet wird. Er weist hierbei ein winkelförmiges Profil auf, in welchem eine Öffnung 20 vorliegt, in welchen die Kühlfinne 4 sitzen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Gekühlter Energiespeicher mit zumindest einer platten- förmigen Energiespeicherzelle (1), zumindest einer Kühl- platte (3) , welche auf einer Plattenfläche (2a) der zumindest einen Energiespeicherzelle (1) mit paralleler Plattenfläche so angeordnet ist, dass sie mit der Energie¬ speicherzelle (1) in thermischem Kontakt steht und welche zumindest über einen Teil eines Plattenrandes der Energie- Speicherzelle (1) übersteht, so dass der überstehende Teil der Kühlplatte (3) eine Kühlfinne (4) bildet, sowie mit zumindest einer Kühlvorrichtung (5) , mit welcher Wärme ableitbar ist, wobei die Kühlfinne (4) mit der Kühlvor¬ richtung (5) in thermischem Kontakt steht, so dass mit der Kühlvorrichtung (5) Wärme aus der Kühlfinne (4) ableitbar ist .
2. Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) für jede mit ihr in Kontakt stehende Kühlfinne (4) eine
Ausnehmung (9) aufweist, in welcher die entsprechende Kühlfinne (4) zumindest teilweise sitzt oder steckt.
3. Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfinne (4) in der Ausnehmung (9) in einem, zwei oder mehr elektrisch nicht leitenden Abstandshaltern (19) sitzt, so dass sie eine Wand der Ausnehmung (9) nicht berührt.
4. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den zumindest einen Kühlplatten (3) jeweils zwei Energiespeicherzellen (1) auf die überlegenen Plattenflächen der Kühlplatte (3) in thermischem Kontakt mit der Kühlplatte (3) angeordnet sind .
5. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zumindest einen
Energiespeicherzelle (1) und der auf ihr angeordneten Kühlplatte (3) zumindest eine elektrisch isolierende, vorzugsweise hochspannungs-isolierende, Schicht (16) und/oder vorzugsweise als Beschichtung der Energiespei¬ cherzelle (1) und/oder der Kühlplatte (3), so angeordnet ist, dass die Energiespeicherzelle (1) gegenüber der
Kühlplatte (3) elektrisch isoliert ist.
6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von plattenförmi- gen Energiespeicherzellen (1), die mit parallelen Plattenebenen nebeneinander angeordnet sind und deren Kühlfinnen (4) mit zumindest einer für die Mehrzahl von Energiespei¬ cherzellen (1) gemeinsamen Kühlvorrichtung (5) in thermischem Kontakt stehen.
7. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten (3) rechteckige Plattenflächen aufweisen und dass die Kühlplatten (3) mit zumindest einer oder zwei oder mehr Kanten der rechteckigen Plattenfläche auf deren gesamter Länge in thermischem Kontakt mit einer der zumindest einen Kühlvorrichtungen (5) steht und/oder auf deren gesamter Länge in der Ausnehmung (9) der Kühlvorrichtung (5) angeordnet ist.
8. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) zumindest einen Hohlraum (11) aufweist, durch welchen ein Kühlfluid so leitbar ist, dass aus der Kühlfinne (4) abgeleitete Wärme durch das Kühlfluid ableitbar ist.
9. Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes Kühl¬ fluid.
10. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich zwischen der Energiespeicherzelle (1) und der Kühlvorrichtung (5) zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material (17), vorzugsweise mit Wärmeleit¬ paste, Gapfilier oder Vergussmaterial ausgefüllt ist.
11. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) eine Kühleinheit (6) sowie eine Aufnahmeplatte (7) auf- weist, wobei die Aufnahmeplatte (7) zumindest eine Rinne (9) als Ausnehmung (9) aufweist, in der jeweils eine
Kühlfinne (4) sitzt oder steckt und wobei die Kühleinheit (6) und die Aufnahmeplatte (7) in thermischem Kontakt zueinander stehen und
elektrisch gegeneinander isoliert sind, vorzugsweise hochspannungs-isoliert sind.
12. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) zumindest einen Hohlraum (11) aufweist, durch welchen ein Kühlfluid leitbar ist und dass die zumindest eine Ausneh¬ mung (9) eine Einbuchtung (9) einer Wand (14) des Hohlraums (11) ist, die so tief ausgestaltet ist, dass die entsprechende Kühlfinne (4) zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums (11) sitzt und durch die Wand (14) von dem Kühlfluid getrennt wird, wobei vorzugsweise jene die
Einbuchtungen (9) aufweisende Wand (14) elektrisch, vorzugsweise hochspannungs-isolierend ist.
13. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) zumindest einen Hohlraum (11) aufweist, durch welchen ein Kühlfluid leitbar ist und dass die Ausnehmung (9) ein Schlitz (9) in einer Seitenwand (14) des Hohlraums (11) ist, wobei die Kühlfinne (4) so in dem Schlitz (9) sitzt, dass sie zumindest zum Teil im Inneren des Hohlraums (11) vorliegt und von dem Kühlfluid, in Kontakt mit diesem, umspülbar ist.
14. Energiespeicher nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jene die Ausnehmung (9) aufweisende Seitenwand (14) elektrisch isolierend ist.
15. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle (1)
eine Bleibatterie, eine Nickel-Metallhydrid-Zelle, eine Nickel-Cadmium-Zelle, eine Zink-Luft-Zelle, eine Lithium- Luft-Zelle, eine Nickel-Zink-Zelle, eine Lithium-Ionen- Zelle, eine Brennstoffzelle oder ein Doppelschichtkondensator aufweist oder ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Energiespei- chers nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) einen Hohlraum aufweist, dessen eine Seitenwand (14) eine
Mehrzahl von Ausnehmungen (9) aufweist, wobei diese die Ausnehmungen (9) aufweisende Seitenwand (14) mit einem modularen Werkzeugsystem, vorzugsweise einer Strangpressvorrichtung, hergestellt wird.
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