WO2011092305A1 - Akkumulator mit vorrichtung zur temperierung der akkumulatorzellen - Google Patents

Akkumulator mit vorrichtung zur temperierung der akkumulatorzellen Download PDF

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WO2011092305A1
WO2011092305A1 PCT/EP2011/051254 EP2011051254W WO2011092305A1 WO 2011092305 A1 WO2011092305 A1 WO 2011092305A1 EP 2011051254 W EP2011051254 W EP 2011051254W WO 2011092305 A1 WO2011092305 A1 WO 2011092305A1
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cells
heating device
housing
accumulator
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PCT/EP2011/051254
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Stefan Roepke
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Magna E-Car Systems Gmbh & Co Og
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Definitions

  • the invention relates to an accumulator comprising a housing, a plurality of voltage-generating cells arranged in the housing, a cooling / heating device and heat conduction devices arranged between the cells, which are thermally coupled / connected to the said cooling / heating device.
  • Accumulators are usually constructed from a plurality of voltage-generating cells in order to provide a required voltage, a required current and / or a required capacity.
  • a required voltage a required current and / or a required capacity.
  • several hundred cells are often interconnected. When loading and unloading the cells are therefore correspondingly high
  • an accumulator can also be heated by supplying heat if it is to be operated at low outside temperatures.
  • DE 198 29 293 A1 discloses for this purpose a cooling device which is in communicating connection with an inner space of an airtight housing via a connecting line, in which a plurality of battery cells are hermetically sealed
  • the cooling device and the interior of the airtight housing are filled with high boiling point coolant.
  • the coolant absorbs heat developed by the plurality of battery cells in the airtight housing to evaporate.
  • the vaporized coolant moves upward toward the
  • Cooling device and is condensed in the cooling device. Then, the condensed refrigerant around the battery cells returns due to its own weight.
  • the battery lines are uniformly and effectively cooled so that they have no change or difference in temperature.
  • the battery case is closed directly by the cooling device.
  • the disadvantage here is that for efficient cooling of the cells intermediate spaces must be present between them, in which the coolant can circulate.
  • the resulting battery is therefore relatively bulky in relation to its capacity.
  • Cooling device are arranged.
  • extensions of the cell housing are often bent at right angles in order to have a sufficiently large area available for an acceptable heat transfer between the cells and a cooling device.
  • This composite consisting of the cells and the cooling device or the optional heat conducting plates is then installed in a housing. For example, such
  • the resulting accumulator is relatively bulky, since not only the voltage-generating cells themselves, but also a cooling device provided for this is arranged in the battery case.
  • the weight of the resulting accumulator is relatively bulky, since not only the voltage-generating cells themselves, but also a cooling device provided for this is arranged in the battery case.
  • the weight of the resulting accumulator is relatively bulky, since not only the voltage-generating cells themselves, but also a cooling device provided for this is arranged in the battery case.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved accumulator, in particular one which has a reduced volume or a reduced weight in relation to its capacity.
  • the invention is achieved by an accumulator of the type mentioned, in which at least a portion of the housing is designed as a cooling / heating device.
  • an accumulator that is both lighter and smaller arises as the heat conduction devices arranged between the cells provide a more compact structure Dimensions for a good heat dissipation or heat supply. At the same time is the
  • the cooling / heating not only serves to temper the cells, but also forms part of the battery case.
  • the cooling / heating device thus fulfills a double benefit.
  • condensation that may form in the cooling operation on the outside of the cooling / heating device easily drain on the outside of the case and does not have specially designed for this purpose
  • the accumulator according to the invention is therefore particularly suitable for mobile use, for example in the automotive industry, play in the small size and low weight a central role.
  • the application is not limited to automotive engineering. Rather, the accumulator can also be used in shipbuilding and in aircraft. Of course, the accumulator according to the invention can also be used in stationary operation.
  • a “housing of the rechargeable battery” is understood to mean a device which encloses at least the voltage-generating cells
  • the cells are enclosed on all sides, but, for example, a housing in the form of an open-topped box is also conceivable at least in sections, the outermost boundary of the accumulator.
  • a “thermal coupling” is understood to mean an arrangement of components, specifically an arrangement of heat-conducting devices and a cooling / heating device, which permits a heat transfer in a targeted or planned manner
  • a “thermal coupling” is not
  • the heat-conducting devices project vertically beyond the cells in the region of the fold.
  • the heat-conducting devices can also serve, in addition to their heat-conducting function, to align the cells in the housing with respect to one another. For this purpose, the protruding over the cells part of the heat conducting devices,
  • a heat conducting device is bonded to at least one cell.
  • prefabricated units can be formed, which are then inserted as needed in a housing or inserted and installed to an accumulator.
  • the mechanical stability of the accumulator is improved.
  • An accumulator according to the invention is also advantageous if it comprises a pressure plate which is provided for pressing the cells and the heat-conducting devices against each other. As a result, good heat transfer is achieved between the cells and the heat-conducting devices, even if the cells and the heat-conducting devices are not connected to each other (e.g., adhesively bonded or welded). In addition, it prevents that an existing connection dissolves or the cells and
  • Heat conduction devices in the housing reciprocate when high accelerations act on the accumulator.
  • a particularly advantageous variant of a rechargeable battery according to the invention is given if it comprises a cover plate which is intended to be placed on the cells and has a tapered, in particular wedge-shaped ribs on a side facing the cells.
  • a cover plate is placed on the formed of cells and heat conduction package, the one hand, the wedge-shaped ribs on the one hand Cells or rondleit drivingen positioned to each other, on the other hand optionally also a holder for an electronic circuit, for example a
  • the housing is closed at the top by these cover plates or at least substantially closed.
  • the cover plate takes on another function, namely that it presses the heat conducting devices against the housing, which mechanically stabilizes the accumulator on the one hand, but in consequence, despite dimensional tolerances of the components of the
  • Accumulator ensures good heat transfer to the cooling / heating device, as soon as it is placed on the housing.
  • thermoly and / or electrically insulating layer (for example made of plastic) is provided between the heat-conducting devices and the cooling / heating device.
  • the heat conducting devices are inserted in the region of the cooling / heating device in this.
  • the cooling / heating device for example, slots in which the heat conducting devices are inserted. In this way, a good heat transfer between the cooling / heating device and the heat conducting devices can be created, for example by sufficient depth of the slot, without the latter having to be bent in order to increase the contact surface to the cooling / heating device.
  • the cells are thermally coupled / connected to said cooling / heating device.
  • the heat transfer between the cooling / heating device and the cells can be further improved, since this is done not only indirectly via the heat conducting devices, but also directly.
  • the cooling / heating device forms a side part and / or a lid and / or a bottom of the housing, in particular a complete side part and / or a complete lid and / or a complete bottom.
  • the cooling / heating device forms a side part and / or a lid and / or a bottom of the housing, in particular a complete side part and / or a complete lid and / or a complete bottom.
  • Condensation are particularly pronounced in this variant of the invention and increase with the proportion of installed by the cooling / heating surface.
  • a "complete" side part, cover and / or bottom is to be understood as meaning a component (ie a cooling / heating device) which completely or at least substantially (a) forms the lateral, upper and / or lower boundary of the housing.
  • a component ie a cooling / heating device
  • other components for example a frame, may also overlap the cooling / heating device inside and / or outside.
  • FIG. 1 shows a unit formed from two accumulator cells and a heat conducting sheet
  • FIG. 3 shows an accumulator housing with several inserted accumulator cells
  • FIG 4 as Figure 3 only with additionally mounted pressure plate.
  • Figure 7 is a detail view of a cover plate
  • FIG. 8 shows a section through the accumulator according to FIG. 5;
  • position indications such as “top”, “bottom”, “lateral”, “horizontal”, “vertical” and the like refer to the illustrated position of the accumulator or to a normal position of use of the accumulator to adjust the location information accordingly.
  • Figures 1 and 2 show an arrangement comprising two cells 1 with cell terminals 2, as well as an interposed and provided as a heat conducting device
  • Fig. 1 shows the arrangement in an oblique view
  • Fig. 2 in plan view.
  • the heat conducting 3 is bent in this example on both sides by 90 °, so that it can be coupled on both sides well after installation in a housing to a cooling / heating. This is advantageous, but not mandatory. It is also possible that the
  • Fig. 1 is also good to see that the heat-conducting 3, the cells 1 also extends beyond the bottom. In this way it can be used for example in rails, which are provided in the housing of the accumulator (see also Fig. 3). Thus, the cells 1 and the heat conducting plates 3 are optimally positioned in the housing.
  • FIGS. 1 and 2 now shows a housing 4, in which a plurality of the units shown in FIGS. 1 and 2 are used, wherein the heat conducting plates 3 are used in laterally arranged rails. It is also easy to see that the cell connections 2 are all directed upwards so that they can be interconnected well, for example with the aid of a cell connection board (CCB). Furthermore, it is clearly visible that not only the top of the housing 3, but also the two
  • FIG. 4 now shows how the cells 1 and the heat conducting sheets 3 are pressed against one another.
  • a pressure plate 5 is inserted and screwed into the housing 4.
  • the batteries can be well adapted to the particular application by more times, sometimes less cells 1 are inserted into the housing 4.
  • the arrow in Fig. 4 symbolizes the direction of the pressure force by the pressure plate. 5
  • FIGS. 5 and 6 now show how the cells 1 can also be aligned with one another on their upper side (FIG. 5 in an overview oblique view, FIG. 6 in a detail oblique view).
  • a cover plate 6 is placed on the cell stack. This wedge-shaped ribs on the underside of the cover plate 6 ensure a correct
  • the cover plate 6 also has slots through which the cell terminals 2 protrude after placement of the cover plate 6 therethrough.
  • FIG. 7 shows a cover plate 6 in detail.
  • wedge-shaped ribs on the underside of the cover plate 6 can be seen.
  • pin-shaped projections on the top of the cover plate 6, on which later the cell connection board is placed in this configuration, the cover plate 6 mutatis mutandis will be seen as a support plate).
  • the pins can also protrude through recesses in the cell connection board, which fixes them simply by attaching spring washers on the cover plate 6 can be. In order for the cell connection board to be properly spaced from the cover plate 6, said pins may also be offset.
  • the thickness of prismatic cells 1 varies in the range of +/- 3%. If a cell stack with a large number of cells 1 is to be installed, the result is a tolerance range of several
  • the cover plates 6 and the cell connection board are mounted so that the center of the cell connection board comes to rest over the center of the cell stack.
  • positional deviations of the cell contacts 3 to their terminals on the cell connection board can be kept small.
  • FIG. 8 now shows a section through the accumulator at the level of a cell 1.
  • the cell 1 can be seen in front view and the heat-conducting sheet 3, specifically its bends, in section.
  • the cover plate 6 is already mounted in the illustration shown.
  • the cover plate 6 not only aligns the cells 1 with each other by means of wedge-shaped ribs, but also presses the heat-conducting sheet 3 against the housing 4.
  • the cover plate 6 thus assumes a multiple function: it directs the cells 1
  • an intermediate plate 7 is provided between the cherriesleitblechen 3 and the housing 4, which consists for example of elastic material and thus provides for a certain length compensation, or compensation of component tolerances.
  • Fig. 9 shows the accumulator in a further construction progress, in which the housing 4 is laterally closed by two side walls 8, which simultaneously form a cooling / heating device.
  • On the side wall 8 is a channel 9 for a heat transfer medium, which is guided in loops over the side wall 8.
  • the coolant connection of the cooling / heating device is located outside of the housing 4 by this type of mounting, so that there is no passage point of a coolant line through the housing 4, which would have to be sealed. Due to the dual function of the cooling / heating device as
  • Housing cover falls away a housing wall, resulting in a material and space savings.
  • condensate water that may be formed in the cooling operation on the outside of the cooling / heating device must not be removed from the housing 4, but can easily run on the outside of the housing.
  • Fig. 10 shows how Fig. 8 shows a section through the accumulator, but with mounted side wall 8. Good to see is also the channel 9.
  • the thermal coupling between theticianleitblechen 3 and the side wall 8, which is a cooling - / Heating device forms / includes produced by body contact between the two components.
  • a thermal compound between the heat conducting 3 and the side wall 8 can be applied.
  • an insulating plate is provided between the heat conducting plates 3 and the side wall 8, which is electrically insulated. In this way it can be prevented that a dangerous electrical voltage is applied to the side wall 8.
  • the insulating plate may additionally or alternatively also be thermally insulating. The thermal insulation ensures that within theticianleitbleche 3 and within the cooling / heating device 8 no strong
  • FIGS. 1 to 10 are partly simplified representations. In reality, an accumulator according to the invention may also deviate from the illustration, in particular comprise additional components not shown here. Finally, it is noted that the representations are not necessarily to scale and that proportions of real components may also differ from the proportions of the illustrated components. Also, the heat conducting plates 3 shown in the figures can be equivalently replaced by other heat conducting devices, for example, against heat conduction networks,

Abstract

Es wird ein Akkumulator mit einem Gehäuse (4), mehreren in dem Gehäuse (4) angeordneten, spannungserzeugenden Zellen (1), einer Kühl-/Heizeinrichtung (8) und zwischen den Zellen (1) angeordneten Wärmeleiteinrichtungen (3), welche mit der genannten Kühl-/Heizeinrichtung (8) thermisch gekoppelt/verbunden sind, angegeben. Zusätzlich ist zumindest ein Abschnitt des Gehäuses (4) als Kühl-/Heizeinrichtung (8) ausgebildet.

Description

Akkumulator mit Vorrichtung zur Temperierung der Akkumulatorzellen
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Akkumulator, umfassend ein Gehäuse, mehrere in dem Gehäuse angeordnete, spannungserzeugende Zellen, eine Kühl-/Heizeinrichtung und zwischen den Zellen angeordnete Wärmeleiteinrichtungen, welche mit der genannten Kühl-/Heizeinrichtung thermisch gekoppelt/verbunden sind.
STAND DER TECHNIK
Akkumulatoren werden in aller Regel aus mehreren spannungserzeugenden Zellen aufgebaut, um eine geforderte Spannung, einen geforderten Strom und/oder eine geforderte Kapazität liefern zu können. Insbesondere bei vergleichsweise leistungsfähigen Akkumulatoren, wie sie oft für Elektrokraftfahrzeuge eingesetzt werden, sind häufig einige hundert Zellen miteinander verschaltet. Beim Laden und Entladen der Zellen fallen daher entsprechend hohe
Wärmemengen an, die aus dem Akkumulator abgeführt müssen, um eine Überhitzung des Akkumulators zu verhindern. Desgleichen kann ein Akkumulator durch Zufuhr von Wärme auch angewärmt werden, wenn dieser bei niedrigen Außentemperaturen betrieben werden soll.
Beispielsweise offenbart die DE 198 29 293 AI dazu eine Kühleinrichtung, welche über eine Verbindungsleitung mit einem Innenraum eines luftdichten Gehäuses in kommunizierender Verbindung steht, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen hermetisch abgedichtet
aufgenommen ist. Die Kühleinrichtung und der Innenraum des luftdichten Gehäuses sind mit Kühlmittel mit einem hohen Siedepunkt gefüllt. Das Kühlmittel absorbiert Wärme, die von der Vielzahl von Batteriezellen in dem luftdichten Gehäuse entwickelt wird, sodass es verdampft. Das verdampfte Kühlmittel bewegt sich nach oben in Richtung zu der
Kühleinrichtung und wird in der Kühleinrichtung kondensiert. Dann kehrt das kondensierte Kühlmittel rund um die Batteriezellen herum infolge seines Eigengewichts zurück.
Entsprechend werden die Batteriezeilen gleichmäßig und wirksam gekühlt, damit sie keine Veränderung bzw. Unterschiedlichkeit der Temperatur aufweisen. In einer Variante bildet wird das Batteriegehäuse direkt durch die Kühleinrichtung verschlossen. Nachteilig ist dabei, dass für eine effiziente Kühlung der Zellen Zwischenräume zwischen denselben vorhanden sein müssen, in denen das Kühlmittel zirkulieren kann. Die entstehende Batterie ist daher in Relation zu ihrer Kapazität relativ voluminös.
Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Lösungen, bei denen spannungserzeugende Zellen, welche als Flachzellen ausgebildet sind, im Wesentlichen rechtwinkelig zu einer
Kühleinrichtung angeordnet sind. Dabei sind häufig Fortsätze des Zellgehäuses rechtwinkelig abgekantet, um eine hinreichend große Fläche für einen akzeptablen Wärmeübergang zwischen den Zellen und einer Kühleinrichtung zur Verfügung zu haben. Alternativ können zwischen den Zellen auch Wärmeleitbleche angeordnet sein, welche im Randbereich abgekantet sind, und auf diese Weise für einen hinreichenden Wärmeübergang sorgen. Dieser aus den Zellen und der Kühleinrichtung beziehungsweise den optionalen Wärmeleitblechen bestehende Verbund wird dann in ein Gehäuse eingebaut. Beispielsweise sind solche
Anordnungen in der DE 10 2007 063 179 AI, der DE 10 2008 016 936 AI, der
DE 10 2008 034 862 AI, der DE 102008034867 AI sowie der WO 2006/135008 AI offenbart.
Auch hier ist nachteilig, dass der entstehende Akkumulator relativ voluminös ist, da ja in dem Batteriegehäuse nicht nur die spannungserzeugenden Zellen selbst, sondern auch eine für diese vorgesehene Kühleinrichtung angeordnet ist. Zudem wird das Gewicht des
Akkumulators durch die zusätzlich im Gehäuse angeordnete Kühleinrichtung erhöht.
Schließlich muss Kondenswasser, das sich am Kühler bildet, durch eine gesonderte
Vorrichtung aus dem Gehäuse abgeführt werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Akkumulator anzugeben, insbesondere einen, der ein in Relation zu seiner Kapazität reduziertes Volumen beziehungsweise ein reduziertes Gewicht aufweist.
Die Erfindung wird durch einen Akkumulator der eingangs genannten Art gelöst, bei dem zumindest ein Abschnitt des Gehäuses als Kühl-/Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß entsteht so ein gleichermaßen leichter wie kleiner Akkumulator, denn die zwischen den Zellen angeordneten Wärmeleiteinrichtungen sorgen trotz kompakter Abmessungen für eine gute Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr. Gleichzeitig ist der
erfindungsgemäße Akkumulator aber auch leicht, denn die Kühl-/Heizeinrichtung dient nicht nur zum Temperieren der Zellen, sondern bildet auch einen Teil des Batteriegehäuses. Die Kühl-/Heizeinrichtung erfüllt also einen Doppelnutzen. Darüber hinaus kann Kondenswasser, das sich im Kühlbetrieb eventuell an der Außenseite der Kühl-/Heizeinrichtung bildet, einfach an der Gehäuseaußenseite ablaufen und muss nicht durch extra dafür vorgesehene
Einrichtungen aus dem Gehäuse abgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Akkumulator ist daher besonders für den mobilen Einsatz, zum Beispiel im Automobilbau, geeignet, bei dem geringe Baugröße und geringes Gewicht eine zentrale Rolle spielen. Die Anwendung ist natürlich nicht auf den Automobilbau beschränkt. Vielmehr kann der Akkumulator auch im Schiffsbau und auch im Flugzeugbau eingesetzt werden. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Akkumulator aber auch im stationären Betrieb eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem„Gehäuse des Akkumulators" eine Einrichtung verstanden, welche zumindest die spannungserzeugenden Zellen umschließt. Vorteilhaft werden die Zellen allseitig umschlossen, denkbar ist aber beispielsweise auch ein Gehäuse in Form einer nach oben hin offenen Box. Das Gehäuse bildet somit zumindest abschnittsweise die äußerste Begrenzung des Akkumulators.
Zudem wird im Rahmen der Erfindung unter einer„thermischen Kopplung" eine Anordnung von Bauteilen, hier konkret eine Anordnung von Wärmeleiteinrichtungen und einer Kühl- /Heizeinrichtung, verstanden, welche einen Wärmeübergang in gezielter beziehungsweise geplanter Weise ermöglicht. Insbesondere können die beteiligten Bauteile dazu einander berühren. Erfindungsgemäß ist unter einer„thermischen Kopplung" aber nicht
notwendigerweise eine möglichst gute Wärmeübertragung, das heißt ein möglichst geringer Wärmewiderstand, zwischen den beteiligten Bauteilen zu verstehen. Denkbar ist auch, dass gezielt thermische Widerstände in den Wärmepfad eingefügt werden, um verschiedene Temperaturniveaus zwischen den Bauteilen, beziehungsweise mehr oder minder konstante Temperaturniveaus innerhalb der genannten Bauteile (mit geringerem thermischen
Widerstand) zu realisieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nun aus den Unteransprüchen, sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren. Günstig ist es, wenn die Wärmeleiteinrichtungen im Bereich der Kühl-/Heizeinrichtung abgekantet sind. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang zwischen den
Wärmeleiteinrichtungen und der Kühl-/Heizeinrichtung aufgrund der vergrößerten
Kontaktfläche verbessert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleiteinrichtungen die Zellen im Bereich der Abkantung vertikal überragen. Bei dieser Variante können die Wärmeleiteinrichtungen zusätzlich zu ihrer Wärmeleitfunktion auch dazu dienen, die Zellen im Gehäuse gegeneinander auszurichten. Dazu wird der über die Zellen hervorstehende Teil der Wärmeleiteinrichtungen,
beispielsweise in Führungsschienen im Akkumulatorgehäuse eingesetzt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Wärmeleiteinrichtungen die Zellen im Bereich der
Abkantung horizontal überragen. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zur Kühl- /Heizeinrichtung relativ groß gestaltet werden, wenn eine Wärmeleiteinrichtung
beispielsweise nur bei jeder zweiten Zelle vorgesehen wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Wärmeleiteinrichtung mit zumindest einer Zelle verklebt ist. Auf diese Weise können vorgefertigte Einheiten gebildet werden, die dann bedarfsweise in ein Gehäuse eingesteckt beziehungsweise eingelegt und zu einem Akkumulator verbaut werden. Darüber hinaus wird auch die mechanische Stabilität des Akkumulators verbessert.
Vorteilhaft ist auch ein erfindungsgemäßer Akkumulator, wenn dieser eine Druckplatte umfasst, welche zum Aneinanderdrücken der Zellen und der Wärmeleiteinrichtungen vorgesehen ist. Dadurch wird zwischen den Zellen und den Wärmeleiteinrichtungen ein guter Wärmeübergang erreicht, selbst dann, wenn die Zellen und die Wärmeleiteinrichtungen nicht miteinander verbunden (z.B. verklebt oder verschweißt) sind. Darüber hinaus wird verhindert, dass sich eine vorhandene Verbindung löst beziehungsweise die Zellen und
Wärmeleiteinrichtungen im Gehäuse hin- und herfallen, wenn hohe Beschleunigungen auf den Akkumulator einwirken.
Eine besonders vorteilhafte Variante eines erfindungsgemäßen Akkumulators ist gegeben, wenn dieser eine Deckplatte umfasst, welche zum Aufsetzen auf die Zellen vorgesehen ist und an einer den Zellen zugewandten Seite sich verjüngende, insbesondere keilförmige Rippen aufweist. Bei dieser Variante wird auf das aus Zellen und Wärmeleiteinrichtungen gebildete Paket eine Deckplatte aufgesetzt, die durch die keilförmigen Rippen einerseits die Zellen beziehungsweise Wärmeleiteinrichtungen zueinander positioniert, andererseits optional auch eine Halterung für eine elektronische Schaltung, zum Beispiel eine
Zellverbindungsplatine (Cell Connector Board), umfasst. Zudem wird auch das Gehäuse nach oben hin durch diese Deckplatten verschlossen oder zumindest im Wesentlichen verschlossen.
Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn sich die Deckplatte an einer den
Wärmeleiteinrichtungen zugewandten Seite verjüngt, insbesondere keilförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise übernimmt die Deckplatte noch eine weitere Funktion, nämlich dass sie die Wärmeleiteinrichtungen gegen das Gehäuse drückt, was den Akkumulator einerseits mechanisch stabilisiert, aber in Folge auch trotz Maßtoleranzen der Bestandteile des
Akkumulators für einen guten Wärmeübergang zur Kühl-/Heizeinrichtung sorgt, sobald diese auf das Gehäuse aufgesetzt wird.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass insbesondere die beiden letztgenannten Ausführungsvarianten, also die Varianten der Deckplatte, die Basis für eine unabhängige Erfindung bilden kann.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen den Wärmeleiteinrichtungen und der Kühl- /Heizeinrichtung eine thermisch und/oder elektrisch isolierende Schicht (beispielsweise aus Kunststoff) vorgesehen ist. Bei dieser Variante der Erfindung liegen also die
Wärmeleiteinrichtungen nicht direkt auf der Kühl-/Heizeinrichtung auf, sondern es ist eine Zwischenschicht vorgesehen, welche die genannten Teile elektrisch und/oder thermisch gegeneinander isoliert. Die elektrische Isolation sorgt dafür, dass an der Kühl- /Heizeinrichtung keine gefährliche elektrische Spannung entstehen kann. Eine gesonderte elektrische Isolation der Kühl-/Heizeinrichtung kann daher entfallen. Die thermische Isolation sorgt dafür, dass innerhalb der Wärmeleiteinrichtungen und innerhalb der Kühl- /Heizeinrichtung keine starken Temperaturgefälle entstehen. Ein eventuell vorhandener Temperaturunterschied fällt im Wesentlichen an der Isolierschicht ab, ähnlich wie die elektrische Spannung in einem thermischen Ersatzschaltbild an dem vergleichsweise hohen Widerstand der thermischen Isolation abfällt. Abschließend wird nochmals klargestellt, dass eine elektrische Isolation - selbst bei Verwendung einer thermischen Isolation - nicht zwingend ist. Vielmehr können die genannten Teile auch elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleiteinrichtungen im Bereich der Kühl-/Heizeinrichtung in diese eingeschoben sind. Bei dieser Variante der Erfindung weist die Kühl-/Heizeinrichtung beispielsweise Schlitze auf, in welche die Wärmeleiteinrichtungen eingeschoben werden. Auf diese Weise kann - etwa durch hinreichende Tiefe des Schlitzes - ein guter Wärmeübergang zwischen der Kühl-/Heizeinrichtung und den Wärmeleiteinrichtungen geschaffen werden, ohne dass letztere dazu abgekantet werden müssten, um die Kontaktfläche zur Kühl- /Heizeinrichtung hin zu vergrößern.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Zellen mit der genannten Kühl-/Heizeinrichtung thermisch gekoppelt/verbunden sind. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang zwischen der Kühl- /Heizeinrichtung und den Zellen weiter verbessert werden, da dieser nicht nur indirekt über die Wärmeleiteinrichtungen, sondern auch direkt erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Wärmeleiteinrichtungen wenigstens
abschnittsweise Wände der Zellen bilden. Auf diese Weise ist es möglich Material und Gewicht einzusparen, da eine Wärmeleiteinrichtung nicht nur für die reine Wärmeleitung, sondern auch als Zellwand vorgesehen ist und solcherart einen Doppelnutzen erfüllt.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die Kühl-/Heizeinrichtung und die
Wärmeleiteinrichtungen einstückig ausgeführt sind. Bei dieser Variante kann die Montage des erfindungsgemäßen Akkumulators besonders leicht erfolgen, da nur relativ wenige Bauteile zu verbinden sind.
Günstig ist es, wenn als Wärmeleiteinrichtungen Wärmeleitbleche, Wärmeleitnetze,
Wärmeleitgitter oder flexible Wärmeleitplatten vorgesehen sind. Diese sind gut verfügbare Elemente, sodass der erfindungsgemäße Akkumulator vergleichsweise einfach in die Realität umgesetzt werden kann.
Günstig ist es schließlich wenn die Kühl-/Heizeinrichtung einen Seitenteil und/oder einen Deckel und/oder einen Boden des Gehäuses bildet, insbesondere einen kompletten Seitenteil und/oder einen kompletten Deckel und/oder einen kompletten Boden. Vorteilhaft sind dann keine zusätzlichen oder nur vergleichsweise kleine zusätzliche Bauteile zur seitlichen, oberen und/oder unteren Begrenzung des Gehäuses nötig. Die bereits genannten Vorteile der
Gewichtseinsparung, der guten Kühl-/Heizwirkung und dem guten Ableiten von
Kondenswasser sind bei dieser Variante der Erfindung besonders deutlich ausgeprägt und steigen mit dem Anteil der durch die Kühl-/Heizeinrichtung verbauten Fläche. Unter einem „kompletten" Seitenteil, Deckel und/oder Boden ist in diesem Zusammenhang ein Bauteil (d.h. eine Kühl-/Heizeinrichtung) zu verstehen, welche die seitliche, obere und/oder untere Begrenzung des Gehäuses zur Gänze oder wenigstens zu einem wesentlichen Teil (z.B. 90% der betreffenden Fläche) bildet. Selbstverständlich können andere Bauteile, zum Beispiel ein Rahmen, die Kühl-/Heizeinrichtung innen und/oder außen auch überlappen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 eine aus zwei Akkumulatorzellen und einem Wärmeleitblech gebildete Einheit in
Schrägansicht;
Figur 2 wie Fig. 1 nur in Draufsicht;
Figur 3 ein Akkumulatorgehäuse mit mehreren eingesetzten Akkumulatorzellen und
Wärmeleitblechen in Schrägansicht;
Figur 4 wie Fig. 3 nur mit zusätzlich montierter Druckplatte;
Figur 5 wie Fig. 4 nur mit zusätzlich montierter Deckplatte;
Figur 6 wie Fig. 5 nur in Detailansicht;
Figur 7 eine Detailansicht einer Deckplatte;
Figur 8 einen Schnitt durch den Akkumulator gemäß Fig. 5;
Figur 9 wie Fig. 5 nur mit montierter Kühl-/Heizeinrichtung und
Figur 10 wie Fig. 8 nur mit zusätzlich montierter Kühl-/Heizeinrichtung. DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eingangs wird festgehalten, dass in den Figuren gleiche und ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen und funktions ähnliche Elemente und Merkmale - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - mit gleichen Bezugszeichen aber unterschiedlichen Indizes bezeichnet sind.
Weiterhin wird festgehalten, dass sich Lageangeben wie„oben",„unten",„seitlich", „horizontal",„vertikal" und dergleichen auf die dargestellte Lage des Akkumulators beziehungsweise auf eine normale Gebrauchslage desselben beziehen. Bei Änderung der Lage des Akkumulators sind die Lageangaben gedanklich entsprechend anzupassen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Anordnung, umfassend zwei Zellen 1 mit Zellanschlüssen 2, sowie ein dazwischen angeordnetes und als Wärmeleiteinrichtung vorgesehenes
Wärmeleitblech 3. Fig. 1 zeigt die Anordnung in Schrägansicht, Fig. 2 in Draufsicht. Das Wärmeleitblech 3 ist in diesem Beispiel an beiden Seiten um 90° abgekantet, sodass es nach dem Einbau in ein Gehäuse beidseits gut an eine Kühl-/Heizeinrichtung angekoppelt werden kann. Dies ist zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend. Möglich ist auch, dass das
Wärmeleitblech 3 auch nur an einer Seite, beispielsweise nur links oder rechts, oder auch an drei Seiten abgekantet ist, d.h. mit einer zusätzlichen Abkantung an der Unterseite versehen ist. Im gezeigten Beispiel ragt die Abkantung etwas über die vordere Zelle 1 hinaus, sodass möglichst viel Fläche zur Ankopplung an eine Kühl-/Heizeinrichtung zur Verfügung steht. Beim Stapeln von mehreren dieser Einheiten stören die überstehenden Enden des
Wärmeleitbleches 3 nicht, da das Wärmeleitblech 3 nur die hintere Zelle 1 einer vorne angrenzenden Einheit einschließt. Beim Stapeln der gezeigten Einheiten kommt ein
Wärmeleitblech 3 also nach jeder zweiten Zelle 1 zu liegen. Denkbar ist aber auch, dass nach jeder Zelle 1 ein Wärmeleitblech 3 vorgesehen ist, die Abkantung die Zelle 1 dann aber nicht überragt.
Das Wärmeleitblech 3 kann mit den Zellen 1 verklebt oder sonst wie verbunden sein. Denkbar ist auch, dass die Zellen 1 und die Wärmeleitbleche 3 nur lose gestapelt werden und dann im Gehäuse von einer speziellen Vorrichtung (siehe auch Fig. 4) aneinander gepresst werden. Für einen optimalen Wärmeübergang zwischen Zelle 1 und Wärmeleitblech 3 kann auch
Wärmeleitpaste auf die Zelle 1 und/oder das Wärmeleitblech 3 aufgetragen werden. In der Fig. 1 ist auch gut zu sehen, dass das Wärmeleitblech 3 die Zellen 1 auch nach unten hin überragt. Auf diese Weise kann es beispielsweise in Schienen, welche in dem Gehäuse des Akkumulators vorgesehen sind, eingesetzt werden (siehe auch Fig. 3). Somit werden die Zellen 1 und die Wärmeleitbleche 3 im Gehäuse optimal positioniert.
Die Fig. 3 zeigt nun ein Gehäuse 4, in das mehrere der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einheiten eingesetzt sind, wobei die Wärmeleitbleche 3 in seitlich angeordneten Schienen eingesetzt werden. Gut zu sehen ist auch, dass die Zellanschlüsse 2 alle nach oben hin ausgerichtet sind, sodass sie gut miteinander verschaltet werden können, beispielsweise mit Hilfe einer Zellverbindungsplatine (engl.: Cell-Connector-Board, kurz CCB). Weiterhin ist gut erkennbar, dass nicht nur die Oberseite des Gehäuses 3, sondern auch die beiden
Seitenwände des Gehäuses 3 Öffnungen über die ganze Länge des Gehäuses 3 aufweisen. Diese seitlichen Öffnungen, werden später durch eine Kühl-/Heizeinrichtung
verschlossen (siehe auch Fig. 9).
Fig. 4 zeigt nun, wie die Zellen 1 und die Wärmeleitbleche 3 aneinandergedrückt werden. Zu diesem Zweck wird eine Druckplatte 5 in das Gehäuse 4 eingesetzt und verschraubt. Auf diese Weise können die Akkumulatoren gut an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden, indem mal mehr, mal weniger Zellen 1 in das Gehäuse 4 eingesetzt werden. Der Pfeil in der Fig. 4 symbolisiert die Richtung der Druckkraft, die durch die Druckplatte 5
aufgebracht wird.
Die Figuren 5 und 6 zeigen nun, wie die Zellen 1 auch an deren Oberseite gegeneinander ausgerichtet werden können (Figur 5 in einer Übersichts-Schrägansicht, die Figur 6 in einer Detail-Schrägansicht). Zu diesem Zweck wird eine Deckplatte 6 auf den Zellstapel aufgesetzt. Dabei sorgen keilförmige Rippen an der Unterseite der Deckplatte 6 für eine korrekte
Ausrichtung der Zellen 1. Die Deckplatte 6 weist zudem Schlitze auf, durch welche die Zellanschlüsse 2 nach dem Aufsetzten der Deckplatte 6 hindurch ragen.
Die Figur 7 zeigt eine Deckplatte 6 nun im Detail. Darin sind keilförmige Rippen an der Unterseite der Deckplatte 6 zu erkennen. Gut zu sehen sind auch stiftförmige Fortsätze auf der Oberseite der Deckplatte 6, auf die später die Zellverbindungsplatine aufgesetzt wird (in dieser Konfiguration kann die Deckplatte 6 sinngemäß auch als Tragplatte gesehen werde). Die Stifte können auch durch Ausnehmungen in der Zellverbindungsplatine hindurch ragen, wodurch diese einfach durch Aufstecken von Federscheiben auf der Deckplatte 6 fixiert werden kann. Damit die Zellverbindungsplatine von der Deckplatte 6 richtig beabstandet ist, können die genannten Stifte auch abgesetzt sein.
Die Dicke prismatischer Zellen 1 variiert im Bereich von +/- 3 %. Soll ein Zellstapel mit einer Vielzahl von Zellen 1 verbaut werden, ergibt sich ein Toleranzbereich von mehreren
Millimetern, der bei der Befestigung der Zellen 1, der elektrischen Verbindung etc. zu berücksichtigen ist. Vorteilhaft werden die Deckplatten 6 sowie die Zellverbindungsplatine so montiert, dass die Mitte der Zell Verbindungsplatine über der Mitte des Zellpakets zu liegen kommt. Somit können Lageabweichungen der Zellkontakte 3 zu ihren Anschlüssen auf der Zellverbindungsplatine gering gehalten werden.
Unter Umständen - insbesondere wenn eine große Anzahl an Zellen 1 zu einem Akkumulator verbaut werden - kann es schwierig sein, alle Anschlüsse 2 in einem Vorgang durch eine einzige Deckplatte 6 hindurch zu führen. Aus diesem Grund kann es von Vorteil sein, mehrere Deckplatten 6 pro Akkumulator vorzusehen, sodass jeweils nur die Anschlüsse 2 eines Teils der in einem Akkumulator verbauten Zellen 1 (z.B. 5 bis 15 Stück) gleichzeitig durch eine Deckplatte 6 hindurch geführt werden müssen.
Die Figur 8 zeigt nun einen Schnitt durch den Akkumulator auf Höhe einer Zelle 1. Dabei ist die Zelle 1 in Vorderansicht und das Wärmeleitblech 3, konkret dessen Abkantungen, im Schnitt erkennbar. Die Deckplatte 6 ist in der gezeigten Darstellung bereits montiert. In der Fig. 8 ist zu sehen, dass die Deckplatte 6 nicht nur die Zellen 1 mit Hilfe keilförmiger Rippen gegeneinander ausrichtet, sondern auch das Wärmeleitblech 3 gegen das Gehäuse 4 drückt. Die Deckplatte 6 übernimmt somit eine Mehrfachfunktion: sie richtet die Zellen 1
gegeneinander aus, drückt das Wärmeleitblech 3 gegen das Gehäuse 4, schließt das Gehäuse 4 nach oben hin ab und bietet mit ihre oben angeordneten Stiften schließlich eine Halterung für eine Zellverbindungsplatine (nicht dargestellt). Im vorliegenden Beispiel ist zwischen den Wärmeleitblechen 3 und dem Gehäuse 4 eine Zwischenplatte 7 vorgesehen, welche beispielsweise aus elastischem Material besteht und so für einen gewissen Längenausgleich, beziehungsweise Ausgleich von Bauteiltoleranzen sorgt.
Fig. 9 zeigt den Akkumulator in einem weiteren Baufortschritt, in dem das Gehäuse 4 seitlich durch zwei Seitenwände 8, welche gleichzeitig eine Kühl-/Heizeinrichtung bilden, verschlossen ist. Auf der Seitenwand 8 befindet sich ein Kanal 9 für einen Wärmeträger, der in Schleifen über die Seitenwand 8 geführt wird. Durch diesen Kanal 9 kann ein flüssiger oder gasförmiger Wärmeträger fließen oder - wenn die Kühl-/Heizeinrichtung als Kältemittelverdampfer ausgeführt ist - auch darin verdampfen. Der Kühlmittelanschluss des Kühl-/Heizeinrichtung befindet sich durch diese Montageart außerhalb des Gehäuses 4, sodass sich keine Durchtritts stelle einer Kühlmittelleitung durch das Gehäuse 4 ergibt, die abgedichtet werden müsste. Durch die Doppelfunktion der Kühl-/Heizeinrichtung als
Gehäusedeckel fällt eine Gehäusewand weg, wodurch sich eine Material- und Platzersparnis ergibt. Darüber hinaus muss Kondens was ser, das sich im Kühlbetrieb eventuell an der Außenseite der Kühl-/Heizeinrichtung bildet, nicht aus dem Gehäuse 4 abgeführt werden, sondern kann einfach an der Gehäuseaußenseite ablaufen.
Fig. 10 zeigt schließlich wie Fig. 8 einen Schnitt durch den Akkumulator, allerdings mit montierter Seitenwand 8. Gut zu sehen ist dabei auch der Kanal 9. Im gezeigten Beispiel wird die thermische Kopplung zwischen den Wärmeleitblechen 3 und der Seitenwand 8, welche eine Kühl-/Heizeinrichtung bildet/beinhaltet durch Körperkontakt zwischen den beiden Bauteilen hergestellt. Für einen besseren Wärmeübergang kann auch eine Wärmeleitpaste zwischen den Wärmeleitblechen 3 und der Seitenwand 8 aufgetragen werden. Denkbar ist auch, dass zwischen den Wärmeleitblechen 3 und der Seitenwand 8 eine Isolierplatte vorgesehen ist, welche elektrisch isoliert. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass an der Seitenwand 8 eine gefährliche elektrische Spannung anliegt. Eine gesonderte elektrische Isolation der Seitenwand 8 kann daher entfallen. Die Isolierplatte kann zusätzlich oder alternativ auch thermisch isolierend sein. Die thermische Isolation sorgt dafür, dass innerhalb der Wärmeleitbleche 3 und innerhalb der Kühl-/Heizeinrichtung 8 keine starken
Temperaturgefälle entstehen. Ein eventuell vorhandener Temperaturunterschied fällt im Wesentlichen an der Isolierschicht ab, ähnlich wie die elektrische Spannung in einem thermischen Ersatzschaltbild an dem vergleichsweise hohen Widerstand der thermischen Isolation abfällt.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Kühl-/Heizeinrichtung 8 nicht nur wie in den Figuren 9 und 10 dargestellt einen Seitenteil einen des Gehäuses 4 bilden kann, sondern auch einen Deckel oder einen Boden des Gehäuses 4. Selbstverständlich können auch mehrere Seitenteile als Kühl-/Heizeinrichtung 8 ausgeführt sein. Zudem ist auch eine Kombination von Seitenteil und/oder Boden und/oder Deckel als Kühl-/Heizeinrichtung 8 möglich, um die Kühl-/Heizwirkung zu verstärken. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den Figuren 1 bis 10 teilweise um vereinfachte Darstellungen handelt. In der Realität kann ein erfindungsgemäßer Akkumulator auch von der Darstellung abweichen, insbesondere zusätzliche hier nicht dargestellte Bauteile umfassen. Schließlich wird angemerkt, dass die Darstellungen nicht notwendigerweise maßstäblich sind und Proportionen von realen Bauteilen auch von den Proportionen der dargestellten Bauteile abweichen können. Auch können die in den Figuren dargestellten Wärmeleitbleche 3 gleichwertig gegen andere Wärmeleiteinrichtungen ausgetauscht werden, beispielsweise gegen Wärmeleitnetze, Wärmeleitgitter oder flexible Wärmeleitplatten.

Claims

Patentansprüche :
1. Akkumulator, umfas send
ein Gehäuse (4),
mehrere in dem Gehäuse (4) angeordnete, spannungserzeugende Zellen (1), eine Kühl-/Heizeinrichtung (8) und
zwischen den Zellen (1) angeordnete Wärmeleiteinrichtungen (3), welche mit der genannten Kühl-/Heizeinrichtung (8) thermisch gekoppelt/verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Abschnitt des Gehäuses (4) als Kühl-/Heizeinrichtung (8) ausgebildet ist.
2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeleiteinrichtungen (3) im Bereich der Kühl-/Heizeinrichtung (8) abgekantet sind.
3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeleiteinrichtungen (3) die Zellen (1) im Bereich der Abkantung vertikal überragen.
4. Akkumulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeleiteinrichtungen (3) die Zellen (1) im Bereich der Abkantung horizontal überragen.
5. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleiteinrichtung (3) mit zumindest einer Zelle (1) verklebt ist.
6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Druckplatte (5), welche zum Aneinanderrücken der Zellen (1) und der
Wärmeleiteinrichtungen (3) vorgesehen ist.
7. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Deckplatte (6), welche zum Aufsetzen auf die Zellen (1) vorgesehen ist und an einer den Zellen (1) zugewandten Seite sich verjüngende Rippen aufweist.
8. Akkumulator Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Deckplatte (6) an einer den Wärmeleiteinrichtungen (3) zugewandten Seite verjüngt.
9. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmeleiteinrichtungen (3) und der Kühl-/Heizeinrichtung (8) eine thermisch und/oder elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist.
10. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleiteinrichtungen (3) im Bereich der Kühl-/Heizeinrichtung (8) in diese eingeschoben sind.
11. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) mit der genannten Kühl-/Heizeinrichtung (8) thermisch gekoppelt/verbunden sind.
12. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleiteinrichtungen (3) wenigstens abschnittsweise Wände der Zellen (1) bilden.
13. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-/Heizeinrichtung (8) und die Wärmeleiteinrichtungen (3) einstückig ausgeführt sind.
14. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeleiteinrichtungen Wärmeleitbleche (3), Wärmeleitnetze, Wärmeleitgitter oder flexible Wärmeleitplatten vorgesehen sind.
15. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-/Heizeinrichtung (8) einen Seitenteil des Gehäuses (4) bildet.
16. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-/Heizeinrichtung (8) einen Deckel des Gehäuses (4) bildet.
17. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-/Heizeinrichtung (8) einen Boden des Gehäuses (4) bildet.
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