WO2021239353A1 - Batterie und kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2021239353A1
WO2021239353A1 PCT/EP2021/060735 EP2021060735W WO2021239353A1 WO 2021239353 A1 WO2021239353 A1 WO 2021239353A1 EP 2021060735 W EP2021060735 W EP 2021060735W WO 2021239353 A1 WO2021239353 A1 WO 2021239353A1
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WO
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current collector
cooling
cooling device
ceramic material
battery
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PCT/EP2021/060735
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Robert Behr
Ralf Herrmann
Bernd Schietinger
Ulrich Schweizer
Anja Talke
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Daimler Ag
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery with a cell block and with at least one current collector element and a motor vehicle with such a battery.
  • the cooling connection in batteries in particular for the electrical supply of a drive motor in a motor vehicle, is established, for example, by means of a thermal paste between the current conductor elements and the cooler or by means of a cooling connection to the cell outer skin. Both variants are associated with losses in the heat transfer.
  • water-glycol heat exchangers for example, are located outside the battery, which also leads to losses.
  • a battery which has a cell block and at least one current collector element.
  • the battery also has a cooling device which is in direct contact with the at least one current collector element and which contains a ceramic material.
  • the ceramic material contains a nitride, in particular boron nitride and / or aluminum nitride. According to at least one embodiment, the ceramic material contains aluminum oxide and / or silicon carbide.
  • the ceramic material that is to say in particular the nitride, the aluminum oxide and / or the silicon carbide, can be present, for example, in pressed form or in sintered form or in the form of a composite material.
  • the ceramic material can have a coating, in particular a metallic coating, at least in sections.
  • the composite material contains the ceramic material and a polymer.
  • the cooling device can, for example, couple, in particular thermally couple, the at least one current conductor element to a heat sink outside the battery, in particular a heat sink of the motor vehicle.
  • the cooling performance is increased, in particular, in that the cooling is connected directly to the at least one current conductor element, where cooling can be carried out most effectively.
  • the cooling device contains at least one functional element which is in direct contact with at least one current collector element and which contains the ceramic material.
  • the entirety of the at least one functional element is in direct contact with at least one current collector element or all current collector elements.
  • the at least one functional element can be made up of exactly one functional element that is in direct contact with a current collector element, with several or with all current collector elements.
  • the at least one functional element can contain a number of spring elements which corresponds to the number of current conductor elements.
  • each spring element can be in direct contact with exactly one current collector element.
  • the term spring element is to be understood in the following as an element that cushions the neighboring parts from one another and / or realizes a mechanical and / or thermal tolerance compensation between the neighboring components.
  • the number of spring elements is greater than one, but smaller than the number of current conductor elements.
  • each current conductor element is in direct contact with at least one of the spring elements.
  • each functional element of the at least one functional element has a base body which contains the ceramic material.
  • the base body is coated, at least in sections, in a cohesive manner with at least one layer, in particular a contact layer.
  • the contact layer serves in particular for an improved thermal and / or electrical coupling of the functional element, and thus the cooling device, to the current conductor elements on the one hand and, if necessary, to the cooling circuit on the other hand.
  • the contact layer can in particular contain a metal or consist of metal.
  • the contact layer can contain aluminum and / or an aluminum alloy and / or copper and / or a copper alloy.
  • each functional element has a first side surface, which corresponds to the at least one current collector element or the plurality of Is facing current collector elements and which is coated with a first contact layer at least partially contiguous.
  • a second side surface of the functional element, which faces away from the plurality of current collector elements, has a second contact layer with which the second side is coated at least partially in a contiguous manner.
  • the first and the second contact layer can be configured the same or different from one another.
  • the first and the second contact layer can in particular contain a metal or consist of metal, for example aluminum and / or an aluminum alloy and / or copper and / or a copper alloy.
  • the functional element only has the first contact layer and not the second contact layer or vice versa.
  • the functional element can be designed in the shape of a cuboid and the first and second side surfaces correspond to opposite surfaces of the cuboid.
  • the ceramic material in particular the functional element, for example the base body, has a thermal conductivity of at least 20 W / mK, in particular at least 100 W / mK.
  • the ceramic material in particular the functional element, for example the base body, for example, has a specific electrical resistance of at least 10 9 ⁇ m, in particular at least 10 1 ° ⁇ m.
  • the cooling device has a metal plate for thermal coupling of the cooling device to the external cooling circuit.
  • the cooling device has a cooling element for each of the current collector elements which contains the ceramic material, in particular the nitride, the aluminum oxide and / or the silicon carbide, and is arranged between the respective current collector element and the metal plate.
  • the cooling elements correspond in particular to the functional elements.
  • the cooling device has the metal plate for thermal coupling of the cooling device to an external cooling circuit and the cooling device has a cooling plate which contains the ceramic material, in particular the nitride and / or the aluminum oxide and / or the silicon carbide, and between the plurality of current collector elements and the metal plate is arranged.
  • the cooling plate corresponds to the, in particular exactly one, functional element.
  • the cooling device has a spring element for each of the current collector elements, for example with a stranded wire, spiral spring, leaf spring or several leaf springs, which is arranged between the cooling element of the respective current collector element and the metal plate.
  • the cooling device has the spring element for each of the current collector elements, which is arranged between the respective current collector element and the cooling plate.
  • the cooling device has a metal plate for thermal coupling of the cooling device to the external cooling circuit.
  • the cooling device has a cooling plate which contains the ceramic material, in particular the nitride and / or the aluminum oxide and / or the silicon carbide, and is arranged between the plurality of current collector elements and the metal plate.
  • the current collector elements are each designed to be self-resilient.
  • the cooling plate corresponds to the, in particular exactly one, functional element.
  • the cooling plate and the metal plate are connected to one another by one or more rivets, in particular weld rivets.
  • the cooling plate can be permanently fixed to the metal plate.
  • the cooling plate can be pressed onto the metal plate in particular by thermal shrinking.
  • connection of metal plate and cooling plate by means of weld rivets represents a particularly simple and robust process and can in particular be implemented by means of a resistance welding process.
  • a bead chamber can prevent splashes from occurring.
  • the cooling device has a heat sink for thermal coupling of the cooling device to an external cooling circuit, which contains the ceramic material, i.e. in particular the nitride and / or the aluminum oxide and / or the silicon carbide, and the cooling device has a fastening element for each of the current collector elements on, which also contains the ceramic material and connects the respective current collector element with the heat sink.
  • the ceramic material i.e. in particular the nitride and / or the aluminum oxide and / or the silicon carbide
  • the cooling device has a fastening element for each of the current collector elements on, which also contains the ceramic material and connects the respective current collector element with the heat sink.
  • the fastening element is designed as a tensioning element, as a clamping element or as a pressing element.
  • the fastening elements correspond to the at least one functional element.
  • the cooling device has the metal plate for thermal coupling of the cooling device to the external cooling circuit.
  • the cooling device has a fastening element for each of the current collector elements which contains the ceramic material, that is to say in particular the nitride and / or the aluminum oxide and / or the silicon carbide, and connects the respective current collector element to the metal plate.
  • the fastening element is designed as a tensioning element, as a clamping element or as a pressing element.
  • the at least one functional element corresponds to the fastening elements.
  • a battery arrangement for a motor vehicle which has a battery according to the improved concept and a cooling circuit.
  • the cooling device of the battery is thermally coupled to the cooling circuit.
  • a motor vehicle which has a battery according to the improved concept and a cooling circuit.
  • the cooling device of the battery is thermally coupled to the cooling circuit.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary embodiment of a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a battery according to the improved concept
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a battery according to the improved concept
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a joining method for producing a further exemplary embodiment of a battery according to the improved concept
  • Figure 5 is a schematic representation of another exemplary one
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a further exemplary one
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a functional element of a further exemplary embodiment of a battery according to the improved concept.
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a motor vehicle with a further exemplary embodiment of a battery according to the improved concept.
  • Fig. 1 an exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept is shown schematically.
  • the battery 1 has a cell block 2 and at least one current collector element 3, but in particular a multiplicity of current collector elements 3, which are used to conduct current or to conduct current from the cell block 2.
  • the battery 1 has a metal plate 4, for example an aluminum plate, by means of which the battery 1 can be coupled to a cooling circuit (not shown).
  • a cooling element 5 that contains a ceramic material is provided between the metal plate 4 and the current collector elements 3 for each of the current collector elements 3.
  • the ceramic material can contain boron nitride, for example, that is to say consist of sintered or pressed boron nitride or consist of a composite material with boron nitride.
  • the ceramic material can contain aluminum nitride and / or aluminum oxide and / or silicon carbide.
  • the notation silicon carbide or the notation silicon carbide can also be used.
  • silicon carbide is used in the following, modified forms such as silicon-infiltrated silicon carbide are also meant.
  • An associated spring element 8 can be arranged between each of the cooling elements 5 and the metal plate 4.
  • the spring element 8 can for example consist of metal and in particular contain copper.
  • the term spring element is to be understood as an element that cushions the neighboring parts with respect to one another and / or realizes a mechanical and / or thermal tolerance compensation between the neighboring components. In other words, the spring element could also be referred to as a tolerance compensation element.
  • the spring elements 8 can be designed, for example, as leaf spring systems. It is also conceivable that the spring elements 8 are designed as spiral springs, compression springs or as strands.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept.
  • the battery 1 from FIG. 2 has, instead of the cooling elements 5, a common cooling plate for several, in particular all, current collector elements 3.
  • the cooling plate 6 is arranged between the metal plate 4 and the optional spring elements 8.
  • the cooling plate 6 can consist of the same material as described with regard to the cooling elements 5.
  • FIG. 3 a further exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept is shown.
  • the arrangement of the cell block 2, the current collector elements 3, the spring elements 8, the metal plate 4 and the cooling plate 6 can correspond, for example, to the arrangement described with reference to FIGS. 2 and 1.
  • the metal plate 4 and the cooling plate 6 are connected to one another by a joining method, in particular by a riveting method, for example by weld rivets.
  • a joining connection 9 is shown as an example. In addition, however, similar joint connections can also be provided at other positions.
  • a metallic counter-element 11 is provided, which is connected with a rivet 10.
  • FIG. 4 shows an example of a sequence of a joining method for producing a joining connection 9 as shown in FIG. 3.
  • the metal plate 4 is provided with a corresponding opening for the rivet 10, the cooling plate 6 and the rivet 10.
  • the rivet 10 is connected to the metal plate 4 and / or the cooling plate 6 and / or the counter element 11.
  • the rivet 10 is plastically deformed in order to carry out the actual riveting.
  • the connection can be prestressed.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the battery 1 according to the improved concept.
  • the battery 1 of FIG. 5 differs from the battery 1 of FIG. 2 in that the current collector elements 3 are designed to be self-resilient, so that the spring elements 8 can be dispensed with.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept.
  • the battery 1 of FIG. 5 differs from the battery 1 of FIG. 1 in that no spring elements 8 are provided. Instead, the cooling elements 5 are provided with respective clamping elements, for example screws, to secure the installation on the current collector element 3 and to fix the metal plate 4.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the battery 1 according to the improved concept.
  • the battery 1 of FIG. 7 differs from the battery 1 of FIG. 6 in that the cooling element 5 is designed, for example, as a clamping element with the ceramic material, for example with boron nitride or the composite material, and as a clamp to secure the system on the Current collector element 3 and for fixing the metal plate 4 is used.
  • the cooling element 5 is designed, for example, as a clamping element with the ceramic material, for example with boron nitride or the composite material, and as a clamp to secure the system on the Current collector element 3 and for fixing the metal plate 4 is used.
  • cooling elements 5 can also be designed to be self-resilient.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept.
  • the battery 1 in FIG. 8 differs from the battery 1 in FIG. 6 in that the metal plate 4 is dispensed with. Instead, a heat sink 7 is provided, which consists of the ceramic material, for example boron nitride or the boron nitride composite material, and can be connected directly to the cooling circuit.
  • a heat sink 7 which consists of the ceramic material, for example boron nitride or the boron nitride composite material, and can be connected directly to the cooling circuit.
  • the cooling elements 5 serve as fastening elements, for example as integrated tensioning, clamping or pressing elements for connecting the respective current conductor element 3.
  • FIG. 8 a functional element 5, 6, that is to say in particular a cooling element 5 or a cooling plate 6, according to a further exemplary embodiment of a battery 1 according to the improved concept is shown schematically.
  • the functional element 5, 6 can be used, for example, in embodiments of the battery 1 as explained with regard to FIGS. 1 to 3 and FIGS. 5 to 8.
  • the functional element 5, 6 has a base body 13, which has the ceramic material or the ceramic material or consists of this.
  • the base body 13 can consist of boron nitride and / or aluminum nitride.
  • the base body 13 can contain aluminum oxide and / or silicon carbide.
  • the base body 13 is covered at least in sections with at least at least one contact layer 14a, 14b.
  • the contact layer 14a can face the respective current collector element 3, for example, and the contact layer 14b can face the heat sink 7 or the metal plate 4.
  • the arrangement of the contact layers 14a, 14b are selected in FIG. 9 merely by way of example. Depending on the geometric arrangement of the functional elements 5, 6, an arrangement of the layers 14a, 14b at different points on the base body 13 can be useful, for example in the embodiments of FIGS. 6 to 8.
  • the layers 14a, 14b can be metallic, for example. In particular, they can consist of an aluminum-based alloy or a copper-based alloy.
  • the layers 14a, 14b can consist of the same material or of different materials.
  • FIG. 10 a motor vehicle 12 according to an exemplary embodiment according to the improved concept, in particular with a battery 1 according to the improved concept, is shown schematically.
  • the improved concept enables effective cooling of the battery with low losses.
  • the improved concept enables, in particular, a significant increase in the cooling line with reliable high-voltage insulation, in particular due to the improved heat transfer.
  • the cooling connection takes place directly on the cell drain, where cooling can be carried out most effectively.
  • the use of the ceramic material enables particularly good electrical insulation with high thermal conductivity.
  • Aluminum oxide in particular has very good electrical insulation, very high mechanical strength, very high compressive strength, high hardness and good thermal conductivity.
  • Aluminum nitride has a significantly higher thermal conductivity and also a very high electrical insulation capacity.
  • Silicon carbide has a low density, but at the same time a high hardness, a high modulus of elasticity and a very high thermal conductivity.

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Abstract

Eine Batterie (1) weist einen Zellenblock (2) mit mindestens einem Stromableiterelement (3) auf. Die Batterie (1) weist eine Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) auf, die in direktem Kontakt mit mindestens einem Stromableiterelement (3) steht und einen keramischen Werkstoff enthält.

Description

Batterie und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Zellenblock und mit mindestens einem Stromableiterelement sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
Die Kühlanbindung bei Batterien, insbesondere zur elektrischen Versorgung eines Antriebsmotors in einem Kraftfahrzeug, wird beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste zwischen den Stromableiterelementen und dem Kühler hergestellt oder mittels einer Kühlanbindung an der Zellaußenhaut. Beide Varianten gehen mit Verlusten beim Wärmeübergang einher.
Zudem liegen aus Sicherheitsgründen beispielsweise Wasser-Glykol-Wärmetauscher außerhalb der Batterie, was ebenfalls zu Verlusten führt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für eine Batterie mit geringeren Verlusten anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen und nebengeordneten Ansprüche.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Batterie angegeben, die einen Zellenblock sowie mindestens ein Stromableiterelement aufweist. Die Batterie weist außerdem eine Kühlvorrichtung auf, die in direktem Kontakt mit dem mindestens einen Stromableiterelement steht und die einen keramischen Werkstoff enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der keramische Werkstoff ein Nitrid, insbesondere Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid. Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der keramische Werkstoff Aluminiumoxid und/oder Siliziumcarbid.
Der keramische Werkstoff, also insbesondere das Nitrid, das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid, kann dabei beispielsweise in gepresster Form oder in gesinterter Form oder in Form eines Verbundwerkstoffs vorliegen.
Der keramische Werkstoff kann zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung, insbesondere einer metallischen Beschichtung vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Verbundwerkstoff den keramischen Werkstoff und ein Polymer.
Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise das mindestens eine Stromableiterelement an einen Kühlkörper außerhalb der Batterie, insbesondere einen Kühlkörper des Kraftfahrzeugs, koppeln, insbesondere thermisch koppeln.
Durch die Batterie nach dem verbesserten Konzept wird eine höhere Kühlleistung dadurch realisiert, dass die Kühlvorrichtung direkt an den Stromableiterelementen vorgesehen wird und den keramischen Werkstoff enthält. Dadurch wird eine höhere Kühlleistung mit geringeren Übergangsverlusten bei gleichzeitig sicherer elektrischer Isolierung realisiert.
Es besteht zudem keine Gefahr von Kühlwasseraustritt in der Batterie, was auch zu einem reduzierten Wartungsaufwand führt.
Die Kühlleistung wird insbesondere erhöht, indem die Kühlung direkt an das mindestens eine Stromableiterelement angebunden ist, wo am effektivsten gekühlt werden kann.
Im Vergleich zur Verwendung von Wärmeleitpasten ist ein geringerer Aufwand hinsichtlich der Abdichtung erforderlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batterie enthält die Kühlvorrichtung wenigstens ein Funktionselement, das in direktem Kontakt mit mindestens einem Stromableiterelement steht und das den keramischen Werkstoff enthält. Insbesondere steht die Gesamtheit des wenigstens einen Funktionselements in direktem Kontakt mit mindestens einem Stromableiterelement oderallen Stromableiterelementen.
Mit anderen Worten kann das wenigstens eine Funktionselement aus genau einem Funktionselement beistehen, das mit einem Stromableiterelement, mit mehreren oder mit allen Stromableiterelementen in direktem Kontakt steht.
Alternativ kann das wenigstens eine Funktionselement eine Anzahl von Federelementen enthalten, die der Anzahl der Stromableiterelemente entspricht.
In solchen Ausführungsformen kann jedes Federelement mit genau einem Stromableiterelement in direktem Kontakt stehen. Unter dem Begriff Federelement ist im Folgenden ein Element zu verstehen, das die benachbarten Teile zueinander abfedert und/oder einen mechanischen und/oder thermischen Toleranzausgleich zwischen den benachbarten Bauteilen realisiert.
In alternativen Ausführungsformen ist die Anzahl der Federelemente größer als eins, jedoch kleiner als die Anzahl der Stromableiterelemente. In solchen Ausführungsformen steht jedenfalls jedes Stromableiterelement mit wenigstens einem der Federelemente in direktem Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist jedes Funktionselement des wenigstens einen Funktionselements einen Grundkörper auf, der den keramischen Werkstoff enthält. Der Grundkörper ist zumindest abschnittsweise zusammenhängend mit wenigstens einer Schicht, insbesondere einer Kontaktschicht beschichtet.
Die Kontaktschicht dient dabei insbesondere einer verbesserten thermischen und/oder elektrischen Ankopplung des Funktionselements, und damit der Kühlvorrichtung, an die Stromableiterelemente einerseits und gegebenenfalls an den Kühlkreislauf andererseits.
Die Kontaktschicht kann dabei insbesondere ein Metall beinhalten oder aus Metall bestehen.
Insbesondere kann die Kontaktschicht Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder Kupfer und/oder eine Kupferlegierung beinhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat jedes Funktionselement eine erste Seitenfläche, die dem mindestens einen Stromableiterelement bzw. der Vielzahl von Stromableiterelementen zugewandt ist und die mit einer ersten Kontaktschicht wenigstens teilweise zusammenhängend beschichtet ist. Eine zweite Seitenfläche des Funktionselements, die der Vielzahl von Stromableiterelementen abgewandt ist, weist eine zweite Kontaktschicht auf, mit der die zweite Seite wenigstens teilweise zusammenhängend beschichtet ist.
Die erste und die zweite Kontaktschicht können dabei gleich oder unterschiedlich voneinander ausgestaltet sein.
Die erste und die zweite Kontaktschicht können insbesondere ein Metall enthalten oder aus Metall bestehen, beispielsweise Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder Kupfer und/oder eine Kupferlegierung.
In verschiedenen Ausführungsformen besitzt das Funktionselement nur die erste Kontaktschicht und nicht die zweite Kontaktschicht oder umgekehrt.
Beispielsweise kann das Funktionselement quaderförmig ausgebildet sein und die erste und die zweite Seitenfläche entsprechen gegenüberliegenden Flächen des Quaders.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der keramische Werkstoff, insbesondere das Funktionselement, beispielsweise der Grundkörper, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK, insbesondere mindestens 100 W/mK, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der keramische Werkstoff, insbesondere das Funktionselement, beispielsweise der Grundkörper, beispielsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 109Qm, insbesondere mindestens 101°Qm, auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung eine Metallplatte zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung an den externen Kühlkreislauf auf. die Kühlvorrichtung weist für jedes der Stromableiterelemente ein Kühlelement auf, welches den keramischen Werkstoff, insbesondere das Nitrid, das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid, enthält und zwischen dem jeweiligen Stromableiterelement und der Metallplatte angeordnet ist.
In solchen Ausführungsformen entsprechen die Kühlelemente insbesondere den Funktionselementen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung die Metallplatte zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung an einen externen Kühlkreislauf auf und die Kühlvorrichtung weist eine Kühlplatte auf, welche den keramischen Werkstoff, insbesondere das Nitrid und/oder das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid enthält und zwischen der Vielzahl von Stromableiterelementen und der Metallplatte angeordnet ist.
In solchen Ausführungsformen entspricht die Kühlplatte dem, insbesondere dem genau einen, Funktionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung für jedes der Stromableiterelemente ein Federelement auf, beispielsweise mit einer Litze, Spiralfeder Blattfeder oder mehreren Blattfedern, das zwischen dem Kühlelement des jeweiligen Stromableiterelements und der Metallplatte angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung für jedes der Stromableiterelemente das Federelement auf, das zwischen dem jeweiligen Stromableiterelement und der Kühlplatte angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung eine Metallplatte zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung an den externen Kühlkreislauf auf. Die Kühlvorrichtung weist eine Kühlplatte auf, welche den keramischen Werkstoff, insbesondere das Nitrid und/oder das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid, enthält und zwischen der Vielzahl von Stromableiterelementen und der Metallplatte angeordnet ist. Die Stromableiterelemente sind jeweils selbstfedernd ausgestaltet.
In solchen Ausführungsformen entspricht die Kühlplatte dem, insbesondere dem genau einen, Funktionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kühlplatte und die Metallplatte durch einen oder mehrere Niete, insbesondere Schweißniete, miteinander verbunden.
Dadurch kann die Kühlplatte dauerhaft fixiert mit der Metallplatte sein.
Dadurch wird eine besonders flexible Gestaltung der Kühlplatte sowie der Metallplatte möglich. Die Kühlplatte kann insbesondere durch thermisches Schrumpfen an die Metallplatte angepresst werden.
Die Verbindung von Metallplatte und Kühlplatte durch Schweißnieten stellt einen besonders einfachen und robusten Prozess dar und kann insbesondere durch einen Widerstandsschweißprozess realisiert werden.
Dadurch wird eine sehr gute Prozesssteuerung und -regelung sowie eine sehr gute Prozessüberwachung bei geringen Kosten möglich.
Durch eine Wulstkammer kann das Auftreten von Spritzern vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung einen Kühlkörper zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung an einen externen Kühlkreislauf auf, der den keramischen Werkstoff enthält, also insbesondere das Nitrid und/oder das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid und die Kühlvorrichtung weist für jedes der Stromableiterelemente ein Befestigungselement auf, welches den keramischen Werkstoff ebenfalls enthält und das jeweilige Stromableiterelement mit dem Kühlkörper verbindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Befestigungselement als Spannelement, als Klemmelement oder als Anpresselement ausgestaltet.
In den entsprechenden Ausführungsformen entsprechen die Befestigungselemente dem wenigstens eines Funktionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung die Metallplatte zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung an dem externen Kühlkreislauf auf. die Kühlvorrichtung weist für jedes der Stromableiterelemente ein Befestigungselement auf, welches dem keramischen Werkstoff, also insbesondere das Nitrid und/oder das Aluminiumoxid und/oder das Siliziumcarbid, enthält und das jeweilige Stromableiterelement mit der Metallplatte verbindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Befestigungselement dabei als Spannelement, als Klemmelement oder als Anpresselement ausgestaltet. Auch in diesen Ausführungsformen entspricht das wenigstens eine Funktionselement den Befestigungselementen.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug angegeben, welche eine Batterie gemäß dem verbesserten Konzept sowie einen Kühlkreislauf aufweist. Die Kühlvorrichtung der Batterie ist thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Kraftfahrzeug angegeben, das eine Batterie gemäß dem verbesserten Konzept sowie einen Kühlkreislauf aufweist. Die Kühlvorrichtung der Batterie ist thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer
Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Fügeverfahrens zur Herstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept; Fig. 5 eine schematische Darstellung einerweiteren beispielhaften
Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Funktionselements einerweiteren beispielhaften Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept; und
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einerweiteren beispielhaften Ausführungsform einer Batterie nach dem verbesserten Konzept.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept schematisch dargestellt.
Die Batterie 1 weist einen Zellenblock 2 auf, sowie mindestens ein Stromableiterelement 3, jedoch insbesondere eine Vielzahl von Stromableiterelementen 3, die zur Stromführung oder Stromableitung aus dem Zellenblock 2 dienen.
Die Batterie 1 weist eine Metallplatte 4 auf, beispielsweise eine Aluminiumplatte, mittels der die Batterie 1 an einen Kühlkreislauf (nicht gezeigt) gekoppelt werden kann. Zwischen der Metallplatte 4 und den Stromableiterelementen 3 ist für jedes der Stromableiterelemente 3 ein Kühlelement 5 vorgesehen, dass einen keramischen Werkstoff enthält.
Der keramische Werkstoff kann beispielsweise Bornitrid enthalten, also beispielsweise aus gesintertem oder gepresstem Bornitrid bestehen oder aus einem Verbundwerkstoff mit Bornitrid bestehen. Alternativ oder zusätzlich zu dem Bornitrid kann der keramische Werkstoff Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumcarbid enthalten.
Alternativ zur Schreibweise Siliziumcarbid kann auch die Schreibweise Siliziumkarbid oder die Schreibweise Siliciumcarbid verwendet werden. Wenn im Folgenden der Begriff Siliziumcarbid verwendet wird, sind dabei auch abgewandelte Formen wie beispielsweise siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid gemeint.
Zwischen jedem der Kühlelemente 5 und der Metallplatte 4 kann ein dazugehöriges Federelement 8 angeordnet sein. Das Federelement 8 kann beispielsweise aus Metall bestehen und insbesondere Kupfer enthalten. Unter dem Begriff Federelement ist ein Element zu verstehen, das die benachbarten Teile zueinander abfedert und/oder einen mechanischen und/oder thermischen Toleranzausgleich zwischen den benachbarten Bauteilen realisiert. Mit anderen Worten könnte das Federelement auch als Toleranzausgleichelement bezeichnet werden. Die Federelemente 8 können beispielsweise als Blattfedersysteme ausgestaltet sein. Genauso ist vorstellbar, dass die Federelemente 8 als Spiralfedern, Druckfedern oder als Litzen ausgebildet sind.
In Fig. 2 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept gezeigt.
Im Vergleich zu der Batterie 1 aus Fig. 1 weist die Batterie 1 aus Fig. 2 anstelle der Kühlelemente 5 eine gemeinsame Kühlplatte für mehrere, insbesondere alle Stromableiterelemente 3 auf. Die Kühlplatte 6 ist zwischen der Metallplatte 4 und den optionalen Federelementen 8 angeordnet. Die Kühlplatte 6 kann dabei aus demselben Material bestehen wie bezüglich der Kühlelemente 5 beschrieben.
In Abbildung a) der Fig. 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
Die Anordnung des Zellblocks 2, der Stromableiterelemente 3, der Federelemente 8, der Metallplatte 4 sowie der Kühlplatte 6 kann beispielsweise der bezüglich Fig. 2 und Fig. 1 beschriebenen Anordnung entsprechen.
In der Ausführungsform der Fig. 3 sind die Metallplatte 4 und die Kühlplatte 6 durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden, insbesondere durch ein Nietverfahren, beispielsweise durch Schweißnieten. Exemplarisch ist eine Fügeverbindung 9 dargestellt. Darüber hinaus können jedoch auch an weiteren Positionen analoge Fügeverbindungen vorgesehen sein.
In Abbildungen b) und c) der Fig. 3 sind verschiedene Varianten der Fügeverbindung 9 dargestellt.
Gemäß Abbildung b) ist ein metallisches Gegenelement 11 vorgesehen, das mit einem Niet 10 verbunden wird.
In Abbildung c) ist eine Variante gezeigt, bei der ein Schweißniet 10 mit angestauchtem Kopf verwendet wird.
In Fig. 4 ist beispielhaft ein Ablauf eines Fügeverfahrens zum Herstellen einer Fügeverbindung 9 wie in Fig. 3 gezeigt dargestellt.
In Abbildung a) werden die Metallplatte 4 mit einer entsprechenden Öffnung für den Niet 10, die Kühlplatte 6 sowie der Niet 10 bereitgestellt.
In Abbildung b) wird der Niet 10 mit der Metallplatte 4 und/oder der Kühlplatte 6 und/oder dem Gegenelement 11 verbunden.
In Abbildung c) wird der Niet 10 plastisch verformt, um das eigentliche Nieten durchzuführen. In Abbildung d) kann die Verbindung vorgespannt werden.
Die bezüglich Fig. 3 und Fig. 4 erläuterte Fügetechnik kann auch analog auf andere Ausgestaltungsformen der Batterie 1 übertragen werden.
In Fig. 5 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsform der Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
Die Batterie 1 der Fig. 5 unterscheidet sich von der Batterie 1 der Fig. 2 dadurch, dass die Stromableiterelemente 3 selbstfedernd ausgestaltet sind, sodass auf die Federele mente 8 verzichtet werden kann.
In Fig. 6 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt. Die Batterie 1 der Fig. 5 unterscheidet sich von der Batterie 1 der Fig. 1 dadurch, dass keine Federelemente 8 vorgesehen sind. Stattdessen sind die Kühlelemente 5 mit jeweiligen Klemmelementen, beispielsweise Schrauben, zur Sicherung der Anlage an dem Stromableiterelement 3 und zur Fixierung der Metallplatte 4 vorgesehen.
In Fig. 7 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
Die Batterie 1 der Fig. 7 unterscheidet sich von der Batterie 1 der Fig. 6 dadurch, dass das Kühlelement 5 beispielsweise als Klemmelement mit dem keramischen Werkstoff, also beispielsweise mit Bornitrid oder dem Verbundmaterial, ausgestaltet ist und als Klammer zur Sicherung der Anlage an dem Stromableiterelement 3 und zur Fixierung der Metallplatte 4 dient.
Optional können entsprechende Klemmkräfte mittels Federelementen 8 erzeugt werden. Alternativ können die Kühlelemente 5 auch selbstfedernd ausgestaltet sein.
In Fig. 8 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
Die Batterie 1 der Fig. 8 unterscheidet sich von der Batterie 1 der Fig. 6 dadurch, dass auf die Metallplatte 4 verzichtet wird. Stattdessen wird ein Kühlkörper 7 vorgesehen, der aus dem keramischen Werkstoff, beispielsweise Bornitrid oder dem Bornitrid- Verbundmaterial, besteht und direkt an den Kühlkreislauf angeschlossen werden kann.
Die Kühlelemente 5 dienen dabei als Befestigungselemente, beispielsweise als integrierte Spann-, Klemm- oder Anpresselemente zur Anbindung des jeweiligen Stromableiterele-ments 3.
In Fig. 8 ist ein Funktionselement 5,6, also insbesondere ein Kühlelement 5 oder eine Kühlplatte 6, gemäß einerweiteren beispielhaften Ausgestaltungsform einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept schematisch dargestellt.
Das Funktionselement 5, 6 kann beispielsweise in Ausführungsformen der Batterie 1, wie sie bezüglich Fig. 1 bis Fig. 3 sowie Fig. 5 bis Fig. 8 erläutert wurden, eingesetzt werden. Das Funktionselement 5, 6 weist dabei einen Grundkörper 13 auf, der das keramische Material beziehungsweise den keramischen Werkstoff aufweist oder aus diesem besteht. Beispielsweise kann der Grundkörper 13 aus Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid bestehen. Alternativ kann der Grundkörper 13 Aluminiumoxid und/oder Siliziumcarbid enthalten.
Der Grundkörper 13 ist zumindest abschnittsweise mit mindestens wenigstens einer Kontaktschicht 14a, 14b belegt. Die Kontaktschicht 14a kann dabei beispielsweise dem jeweiligen Stromableiterelement 3 zugewandt sein und die Kontaktschicht 14b dem Kühlkörper 7 oder der Metallplatte 4.
Die Anordnung der Kontaktschichten 14a, 14b sind in Fig. 9 lediglich beispielhaft gewählt. Je nach geometrischer Anordnung der Funktionselemente 5, 6 kann eine Anordnung der Schichten 14a, 14b an unterschiedlichen Stellen des Grundkörpers 13 sinnvoll sein, beispielsweise in den Ausführungsformen der Fig. 6 bis Fig. 8.
Die Schichten 14a, 14b können beispielsweise metallisch sein. Insbesondere können sie aus einer Aluminiumbasislegierung oder einer Kupferbasislegierung bestehen.
Die Schichten 14a, 14b können dabei aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
In Fig. 10 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 12 gemäß einer beispielhaften Ausführung gemäß dem verbesserten Konzept, insbesondere mit einer Batterie 1 nach dem verbesserten Konzept, dargestellt.
Wie beschrieben wird durch das verbesserte Konzept eine effektive Kühlung der Batterie mit geringen Verlusten ermöglicht.
Das verbesserte Konzept ermöglicht insbesondere eine deutliche Erhöhung der Kühlleitung bei sicherer Hochspannungsisolation, insbesondere durch den verbesserten Wärmeübergang. Die Kühlanbindung findet direkt am Zellableiter statt, wo am effektivsten gekühlt werden kann.
Es entsteht keine Gefährdung durch austretendes Kühlwasser, wodurch sich ein reduzierter Aufwand hinsichtlich erforderlicher Abdichtungen ergibt. Die Ausführungen und Abmaße der Batterie nach dem verbesserten Konzept können an die jeweiligen Bauteile und Bauräume angepasst werden.
Durch die Verwendung des keramischen Werkstoffes kann eine besonders gute elektrische Isolation bei hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht werden.
Insbesondere Aluminiumoxid weist eine sehr gute elektrische Isolation, eine sehr hohe mechanische Festigkeit, eine sehr hohe Druckfestigkeit, eine hohe Härte sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
Aluminiumnitrid weist eine noch deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit und ein ebenfalls sehr hohes elektrisches Isolationsvermögen auf.
Siliziumcarbid hat eine geringe Dichte, dabei jedoch eine hohe Härte, einen hohen Elastizitätsmodul und eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.
Bezugszeichenliste
Batterie
Zellenblock
Stromableiterelement
Metall platte
Kühlelement
Kühlplatte
Kühlkörper
Federelement
Fügeverbindung
Niet
Gegenelement
Kraftfahrzeug
Grundkörper
Kontaktschicht

Claims

Patentansprüche
1. Batterie mit einem Zellenblock (2) und mit mindestens einem Stromableiterelement
(3), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) eine Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) aufweist, die in direktem Kontakt mit dem mindestens einen Stromableiterelement (3) steht und wobei mindestens ein Element der Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) einen keramischen Werkstoff enthält.
2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) wenigstens ein Funktionselement (5, 6) enthält, das in direktem Kontakt mit dem mindestens einen Stromableiterelement (3) steht und den keramischen Werkstoff enthält; und/oder jedes Funktionselement (5, 6) des wenigstens einen Funktionselements (5, 6) einen Grundkörper (13) aufweist, der den keramischen Werkstoff enthält; und/oder der Grundkörper (13) zumindest abschnittsweise zusammenhängend mit einer Kontaktschicht (14a, 14b) beschichtet ist
3. Batterie nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff ein Nitrid, insbesondere Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid, enthält; und/oder der keramische Werkstoff Aluminiumoxid und/oder Siliziumcarbid enthält; und/oder der keramische Werkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/mK, insbesondere mindestens 100 W/mK, aufweist; und/oder der keramische Werkstoff einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 109 Qm, insbesondere mindestens 101° Qm, aufweist.
4. Batterie nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) eine Metallplatte (4) zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) an einen externen Kühlkreislauf und/oder an wärmeableitende Strukturen aufweist; und die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8)
- für jedes der Stromableiterelemente (3) ein Kühlelement (5) aufweist, welches den keramischen Werkstoff enthält und zwischen dem jeweiligen Stromableiterelement (3) und der Metallplatte (4) angeordnet ist; und/oder
- eine Kühlplatte (6) aufweist, welche den keramischen Werkstoff enthält und zwischen der Vielzahl von Stromableiterelementen (3) und der Metallplatte (4) angeordnet ist.
5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) für jedes der Stromableiterelemente (3) ein Federelement (8) aufweist, das zwischen dem Kühlelement (5) des jeweiligen Stromableiterelements (3) und der Metallplatte (4) und/oder zwischen dem jeweiligen Stromableiterelement (3) und der Kühlplatte (6) angeordnet ist.
6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) eine Metallplatte (4) zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) an einen externen Kühlkreislauf und/oder an wärmeableitende Strukturen aufweist; die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) eine Kühlplatte (6) aufweist, welche den keramischen Werkstoff enthält und zwischen der Vielzahl von Stromableiterelementen (3) und der Metallplatte (4) angeordnet ist; und die Stromableiterelemente (3) jeweils selbstfedernd ausgestaltet sind.
7. Batterie nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (6) und die Metallplatte (4) durch einen oder mehrere Niete (10), insbesondere Schweißniete, miteinander verbunden sind.
8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) einen Kühlkörper (7) zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) an einen externen Kühlkreislauf und/oder an wärmeableitende Strukturen aufweist, der den keramischen Werkstoff enthält; und die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) für jedes der Stromableiterelemente (3) ein Befestigungselement (5) aufweist, welches den keramischen Werkstoff enthält und das jeweilige Stromableiterelement (3) mit dem Kühlkörper (7) verbindet, wobei das Befestigungselement (5) insbesondere als Spannelement, als Klemmelement oder als Anpresselement ausgestaltet ist.
9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) eine Metallplatte (4) zur thermischen Kopplung der Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) an einen externen Kühlkreislauf und/oder an wärmeableitende Strukturen aufweist; die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) für jedes der Stromableiterelemente (3) ein Befestigungselement (5) aufweist, welches den keramischen Werkstoff enthält und das jeweilige Stromableiterelement (3) mit der Metallplatte (4) verbindet, wobei das Befestigungselement (5) insbesondere als Spannelement, als Klemmelement oder als Anpresselement ausgestaltet ist.
10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Kühlkreislauf, wobei die Kühlvorrichtung (4, 5, 6, 7, 8) thermisch mit dem Kühlkreislauf und/oder an wärmeableitende Strukturen gekoppelt ist.
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