WO2023232690A1 - Isolier- und kühlanordnung für eine batteriezelle - Google Patents

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WO2023232690A1
WO2023232690A1 PCT/EP2023/064214 EP2023064214W WO2023232690A1 WO 2023232690 A1 WO2023232690 A1 WO 2023232690A1 EP 2023064214 W EP2023064214 W EP 2023064214W WO 2023232690 A1 WO2023232690 A1 WO 2023232690A1
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battery cell
cooling plate
insulating
insulation
cooling
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Heinz-Peter Baumgarte
Wilhelm Burg
Frank Gajewski
Martin Glinka
Tony Jaumann
Dietmar Kunst
Cornelia Mager
Fabian Quast
Mathias Wesley Schenkel
Christoph Schneider
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Siemens Mobility GmbH
Plastic Omnium E-Power Gmbh
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    • H01M10/6557—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange arranged between the cells

Definitions

  • the invention relates to an insulating and cooling arrangement for a battery cell and a battery cell arrangement with an insulating and cooling arrangement, which is used in particular in traction batteries.
  • the term battery has also become established for accumulators and is also used as such in the present application. This applies in particular to applications in vehicles and aircraft, such as motor vehicles or rail vehicles.
  • traction batteries that must be cooled to ensure their performance and sufficient service life.
  • Various designs for the battery cells of such batteries are known, in particular prismatic, round and pouch cells.
  • Water-cooled cooling plates made of aluminum alloys are usually used for cooling when high performance requirements are required.
  • the desired voltage is achieved, which is in the kV range for traction batteries.
  • good insulation from the cooling system must be ensured, otherwise short circuits and destruction of the battery will occur.
  • a compact and lightweight design of the traction battery is necessary, while at the same time meeting high mechanical and environmental requirements over a long service life.
  • An insulating paint can also be applied to the cooling surfaces. It is difficult to ensure long-term good adhesion to the surface, and cracks, pores or detachments, as well as corners, edges and holes, pose a risk. Tolerance compensation is not possible.
  • the object of the invention is to provide a cooling arrangement for a battery cell that enables good cooling while at the same time providing reliable insulation. This task is solved by an insulating and cooling arrangement and by a battery cell arrangement with the respective features of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the respective dependent patent claims.
  • a first aspect of the invention relates to an insulation and cooling arrangement for at least one battery cell, which has at least one cooling plate with a first main side for thermal contact with the at least one battery cell and with a first and an opposite second end face and an insulating element for electrical insulation a first end face of the cooling plate, wherein a first side surface of the insulation element lies essentially in a plane with the first main side of the cooling plate.
  • the invention provides for an insulating element to be provided on a first end face of a cooling element, the side surface of which lies essentially in a plane with a side surface of the cooling plate.
  • This is the side surface of the cooling plate that is intended for thermal contact with a battery cell and is referred to as the first main side.
  • the insulation element virtually enlarges the first main side of the cooling plate beyond its first end face. Because the side surfaces lie essentially in one plane, there is a substantially flat base for an insulating layer, so that it does not have to be guided around an edge or corner. Possible creepage distances to the cooling plate are significantly increased and the insulation is thereby improved.
  • the term cooling plate includes different forms of cooling devices and not just plate-shaped structures in the narrower sense; in particular, the side surfaces do not have to be strictly flat.
  • the cooling plate is provided with a coolant, for example
  • a second aspect of the invention relates to a battery cell arrangement with at least one battery cell and an insulating and cooling arrangement according to the invention, wherein a first main side of the battery cell is in thermal contact with the first main side of the cooling plate (4) and the insulating layer is arranged between these first main sides, and wherein the insulating layer extends over the substantially entire first main side of the cooling plate and the substantially entire first side surface of the insulating element.
  • the invention therefore also includes a battery cell arrangement with one or more battery cells and the insulating and cooling arrangement.
  • a first main side of the battery cell is in thermal contact with the first main side of the insulating and cooling arrangement.
  • An insulating layer is arranged between the first main side of the cooling plate and the first main side of the battery cell, which has sufficient electrical insulation properties and at the same time sufficient thermal conductivity.
  • the insulating layer extends over essentially the entire first main side of the cooling plate and over at least part of the first side surface of the insulating element. Because the side surfaces of the cooling plate and insulation element are essentially in one plane, the insulating layer is applied to a flat surface, which is easy to manufacture and reduces the risk of weak points or damage. Furthermore, a certain tolerance compensation can take place.
  • the battery cell can have a usual design. In particular, it can be a prismatic cell, a pouch cell or a round cell.
  • a first end face of the battery cell lies essentially in a plane with the first end face of the cooling plate.
  • these parts are "the same height" and the insulation element protrudes beyond this.
  • the first end face of the cooling plate can be higher or lower than the end face of the battery cell, with the cooling being improved in the first case (larger cooling plate). With a smaller cooling plate, if the If the first end face of the cooling plate is lower than the end face of the battery cell, the space requirement can be reduced. It is possible, for example, for the side of the insulation element facing away from the cooling plate to lie in a plane with the first end face of the battery cell, so that the insulation element does not extend over the battery cell protrudes and a particularly compact arrangement is achieved.
  • the insulating layer preferably covers the entire first side surface of the insulating element, but it can also leave a part exposed if sufficient insulation is ensured in the area of the first end face of the cooling plate.
  • the insulation element can be at least partially covered with an electrically insulating fastening element.
  • the fastening element can serve in particular to fasten the insulation element to the cooling plate and/or to adequately fix the battery cell.
  • the fastening element can at least partially cover the battery cell, thereby achieving fixation in the corresponding direction.
  • the fastening element can, for example, be connected to the insulation element due to its shape, in particular through toothing or meshing, or a screw connection can be provided.
  • the first end face of the cooling plate can be flat, but it can also have a bulge or a projection that projects into the insulation element. This improves the insulation effect.
  • a further insulating element can be present on a second end face of the cooling plate opposite the first end face, the first side surface of which also lies essentially in a plane with the first main side of the cooling plate. The advantageous effects also occur here, since the insulating layer is applied on a substantially smooth plane and it is not necessary to guide the insulating layer around corners or edges for good insulation. If there are minor deviations from a completely smooth plane, for example due to manufacturing tolerances, the insulating layer can provide the necessary compensation.
  • the further insulation element as for the insulation element. It is particularly favorable if the further insulation element also forms a holder or support for the battery cell or for the battery cell adjacent here. Depending on the arrangement of the battery cells, the battery cell adjacent to the further insulation element may be different than the battery cell adjacent to the insulation element.
  • the further insulation element can have a T-shaped or angular cross section and extend at least partially under the adjacent battery cell. Furthermore, the second end face of the cooling plate can have a bulge or a projection as described in connection with the first end face.
  • a module In general, several battery cells, referred to herein as a module, are arranged between two insulating and cooling arrangements and interconnected in a desired manner in order to generate the required voltage and current.
  • the geometric arrangement of the battery cells in the module depends on the type of battery cell.
  • several such modules are arranged next to each other, with an insulating and cooling arrangement being present between two modules and these quasi internal insulating and cooling arrangements also being on a second, the first, main page opposite second main side have an insulating layer.
  • the internal insulation and cooling arrangements are preferably constructed symmetrically.
  • a thermal conduction structure can be present between some or all of the battery cells of a module. This is preferably thermally and electrically conductive, and the electrical conductivity can be used in particular to interconnect the battery cells.
  • the battery cell arrangement is particularly preferably designed as a traction battery of a vehicle, in particular a rail vehicle.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a battery cell arrangement according to the invention with an insulating and cooling arrangement according to the invention
  • FIGS. 9 and 10 show a seventh embodiment A cross section is shown in each of the figures, but for reasons of clarity the internal structure of the individual components such as the cooling plate and battery cell is not shown.
  • the insulating and cooling arrangement 2 comprises a cooling plate 4 with a first main side 4a and a first end face 4b. On the first end face 4b is an insulation element 5 is arranged, which has a first side surface 5a.
  • the first side surface 5a and the first main side 4a lie in one plane, so that a continuous, smooth support surface is formed here for an insulating layer 6.
  • the insulating layer 6 extends over the entire first main surface 4a of the cooling plate and over the entire first side surface 5a of the insulation element.
  • the battery cell 3 is electrically insulated from the cooling plate on its first main side 3a by the insulating layer 6, but is thermally connected.
  • a glass fiber reinforced silicone material can be used, for example with a ceramic filler for better thermal conductivity with a thickness in the range of 0.1mm - 5mm can be used, or another material used in the prior art, such as Kapton or polyester.
  • a combination of such a glass fiber reinforced silicone material with a crosslinking, initially liquid silicone material is also possible.
  • a first end face 3b of the battery cell lies in a plane with the first end face 4b of the cooling plate.
  • the first end faces 3b, 4b can also lie in different levels.
  • a prismatic battery cell is provided.
  • Fig. 2 shows battery cell arrangements lying side by side with battery cells 3, 30, 31 and insulation and cooling arrangements with cooling plates 4, 40 and insulation elements 5, 50 in between.
  • the insulating layer 6 is applied or arranged on the first main side 4a, 40a of the cooling plates and on the opposite second main side 4c, 40c.
  • the insulating layer 6 can each have a greater length, with the length protruding beyond the first end face 3b, 30b, 31b of the battery cells 3, 30, 31 or beyond the respective insulation element 5, 50 being transferred to the adjacent battery cell or the insulation element can. Even if damage occurs in this area, the creepage distance will not be shortened as this will continue to be guaranteed by the insulation element.
  • the side 5b, 50b of the insulation element 5, 50 facing away from the cooling plate lies in a plane with the first end face 3b, 30b, 31b of the battery cells.
  • the same height results in a particularly space-saving structure. It makes sense to provide a further insulation element in the same way on the side opposite the first end face 4b of the cooling plate, i.e. the cooling plate 4 is correspondingly shorter and the further insulation element lies in a plane with the underside of the battery cell. This results in a very space-saving structure overall while at the same time providing very reliable electrical insulation.
  • Fig. 3 shows a third exemplary embodiment, in which the insulation element 5 is covered with an electrically insulating fastening element 7.
  • the fastening element 7 also extends over the insulating layer 6 and part of the adjacent battery cells 3, 31.
  • the battery cells are fixed in this way.
  • a fixation or support in the opposite direction is achieved by a further insulation element 8 on the second end face 4d of the cooling plate, which is opposite the first end face.
  • This further insulation element 8 has a T-shaped cross section and extends partially under the adjacent battery cells, i.e. under a second end face 3c, 31c, which is opposite the first end face 3a. Its side surfaces lie in a plane with the first and second main sides 4a, 4c of the insulating and cooling arrangement.
  • the further insulation element 8 can have a rectangular cross section, i.e. it does not extend under the adjacent battery cells and does not serve for fixation or support. It then preferably ends with the second end face 3c, 31c, as already explained in the description of FIG. 2.
  • the fastening element 7 can be connected to the insulation element 5 and possibly the cooling plate, for example by a screw connection. Insulating element 5 and fastening element 7 can also be shaped so that they are connected to one another by interlocking.
  • the insulation is also improved in the lower region of the battery cell by the further insulation element 8, since possible creepage distances are significantly extended.
  • the lower insulation element can only be covered with an insulation material and its core can consist of another material, for example a thermally conductive material and preferably the material of the cooling plate.
  • Fig. 4 In this embodiment, the first end face 4b of the cooling element has a projection that projects into the insulation element 5. As a result, the cooling plate 4 can be enlarged with approximately undiminished insulation effect.
  • Fig. 5 shows the upper part of the insulation and cooling arrangement in the event that the first or second main side 4a, 4c of the cooling plate 4 and the corresponding side surface 5a of the Insulation element 5 does not lie completely in one plane.
  • the small step that occurs can be compensated for by the insulating layer 6 if an insulating layer 6 with sufficiently plastic properties is selected.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which a projection of the cooling plate 4 projects into the further insulation element 8 and the insulation element 5 terminates at the top with the first end face 3b, 31b of the battery cell.
  • FIG. 7 and 8 show an exemplary embodiment with battery cells 3, 32, 33, 34, with Fig. 8 showing a cross section in the plane shown in dashed lines in Fig. 7, i.e. at the level of the insulating element 5.
  • Battery cells 32, 33, 34 can be seen, which are designed as pouch cells.
  • a heat-conducting structure 9 is inserted after every three cells, for example, which extends on one side, the right side in FIG. 8, up to the insulation layer 6 and can be connected here so that it has a comb-shaped or repeating L- shaped structure.
  • the heat-conducting structure 9 can also extend in sections alternately on one side and on the other side up to the insulation layer, ie the repeating L-shaped structures are each stacked mirrored to the underlying one.
  • cover plates 10 At the front and rear ends of the module there are cover plates 10 as a closure. If these cover plates 10 are made of an electrically conductive material, they must be electrically insulated in addition to the battery cell 32 or the heat-conducting structure 9 adjacent to the respective cover plate 10.
  • plates or blocks made of an electrically insulating material can be provided, which according to the example 8 are arranged above the upper battery cell 32 or below the lower tine of the heat-conducting structure 9.
  • the plates or blocks have a respective thickness corresponding to the required extension of the creepage distance.
  • FIG. 9 and 10 show an exemplary embodiment with round cells, with FIG. 10 showing a cross section in the plane shown in dashed lines in FIG Poles are suitably connected by means of the electrically conductive heat-conducting structure; in the example, fourteen cells are connected in series, as can be seen in Fig. 10.
  • the heat-conducting structure 9 also serves for the thermal connection to the insulating layer 6 on both sides of the module.
  • the cooling plates 4 border on the insulation element 5 and the further insulation element 8.
  • the first side surfaces 5a, 8a of the insulation elements 5, 8 and the first main side 4a of the cooling plate lie in one plane, so that the insulating layer 6 is not guided around edges or corners must.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Isolier- und Kühlanordnung für mindestens eine Batteriezelle, welche zumindest eine Kühlplatte mit einer ersten Hauptseite für einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle und mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite und ein Isolationselement für eine elektrische Isolation an einer ersten Stirnseite der Kühlplatte aufweist, wobei eine erste Seitenfläche des Isolationselements im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Hauptseite der Kühlplatte liegt.

Description

Beschreibung
Isolier- und Kühlanordnung für eine Batteriezelle
Die Erfindung betrifft eine Isolier- und Kühlanordnung für eine Batteriezelle und eine Batteriezellenanordnung mit einer Isolier- und Kühlanordnung, die insbesondere bei Traktionsbatterien zum Einsatz kommt.
In vielen technischen Gebieten hat sich der Begriff Batterie auch für Akkumulatoren durchgesetzt und wird in der vorliegenden Anmeldung auch so verwendet. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen in Fahr- und Flugzeugen, beispielsweise KFZ oder Schienenfahrzeugen.
In diesen kommen Traktionsbatterien zum Einsatz, die zur Sicherstellung ihrer Leistungsfähigkeit und ausreichenden Lebensdauer gekühlt werden müssen. Es sind verschiedene Bauweisen für die Batteriezellen derartiger Batterien bekannt, insbesondere prismatische, runde und Pouch-Zellen. Zur Kühlung werden bei hohen Leistungsanforderungen meist wassergekühlte Kühlplatten eingesetzt, die aus Aluminiumlegierungen bestehen. Durch Reihenschaltung der Batteriezellen wird die gewünschte Spannung erzielt, die bei Traktionsbatterien im kV-Bereich liegt. Eine entsprechend gute Isolation gegen das Kühlsystem muss sichergestellt werden, da es sonst zu Kurzschlüssen und Zerstörung der Batterie kommt. Außerdem ist ein kompakter und leichter Aufbau der Traktionsbatterie notwendig, wobei gleichzeitig hohe mechanische und umweltbezogene Anforderungen über eine lange Lebensdauer zu erfüllen sind.
Eine zuverlässige Isolation der Batteriezellen gegen die Kühlplatten wird bei einem möglichst kompakten Aufbau auch dadurch erschwert, dass bei Auftreten von Kriechströmen über Luft- und Kriechstrecken die betroffenen Komponenten des Systems schwer zugänglich sind. Ferner stehen Isoliereigenschaften von Materialien aus physikalischer Sicht meist im Kontrast zu mechanischer Flexibilität und guter Wärmeleitung, wobei letztere notwendig ist, um die Wärme der Batteriezellen auf die Kühlplatten zu übertragen.
Es ist bekannt, eine dünne isolierende Folie, beispielsweise Kapton oder Polyester, auf die Batteriezellen zu kleben. Diese sind jedoch mechanisch sehr empfindlich, und durch die geringe Dicke besteht die Gefahr von Teilentladungen. An Ecken und Kanten ist die Isolation oft unzureichend. Ähnliches gilt für silikonbasierte Folien mit oder ohne Glasfaserverstärkung. Zwar ist je nach Härte des verwendeten Materials ein Toleranzausgleich (d.h. ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei den Komponenten der Batterie) möglich, aber auch dieses Material ist schwierig über Ecken und Kanten aufzubringen, und die Ränder der Isolierung sind kritisch bezüglich Luft- und Kriechstrecken.
Es kann auch eine isolierende Lackierung auf den Kühlflächen aufgebracht werden. Dabei ist es schwierig, eine dauerhaft gute Haftung auf der Oberfläche sicherzustellen, und Risse, Poren oder Ablösungen stellen ebenso wie Ecken, Kanten und Bohrungen ein Risiko dar. Eine Toleranzausgleich ist nicht möglich.
Schließlich ist auch bekannt, im Bereich der Batterie nur eine Niedervoltisolierung zu realisieren und eine Hochvoltisolierung an andere Stellen zu verlegen, beispielsweise zwischen tragenden Bauteilen und dem Gehäuse des Fahrzeugs. Dies ist jedoch mit einer aufwändigen Konstruktion verbunden, da sowohl die Kühlflüssigkeit als auch die Verbindungspunkte (tragendes Bauteil zu Gehäuse des Fahrzeuges) dauerhaft und unter allen Bedingungen hochisolierend sein muss. Eine hinreichende Isolierung kann dadurch häufig nicht realisiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlanordnung für eine Batteriezelle anzugeben, die eine gute Kühlung bei gleichzeitig zuverlässiger Isolierung ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Isolier- und Kühlanordnung sowie durch eine Batteriezellenanordnung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Isolier- und Kühlanordnung für mindestens eine Batteriezelle, welche zumindest eine Kühlplatte mit einer ersten Hauptseite für einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle und mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite und ein Isolationselement für eine elektrische Isolation an einer ersten Stirnseite der Kühlplatte aufweist, wobei eine erste Seitenfläche des Isolationselements im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Hauptseite der Kühlplatte liegt.
Die Erfindung sieht vor, an einer ersten Stirnseite eines Kühlelements ein Isolationselement vorzusehen, dessen Seitenfläche im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Seitenfläche der Kühlplatte liegt. Es handelt sich dabei um die Seitenfläche der Kühlplatte, die für einen thermischen Kontakt mit einer Batteriezelle vorgesehen ist, und die als erste Hauptseite bezeichnet wird. Das Isolationselement vergrößert quasi die erste Hauptseite der Kühlplatte über dessen erste Stirnseite hinaus. Dadurch, dass die Seitenflächen im Wesentlichen in einer Ebene liegen, ist ein im Wesentlichen ebener Untergrund für eine Isolierschicht vorhanden, so dass diese nicht um eine Kante oder Ecke herumgeführt werden muss. Mögliche Kriechstrecken zur Kühlplatte werden deutlich vergrößert und auch dadurch die Isolation verbessert. Der Begriff Kühlplatte umfasst dabei unterschiedliche Formen von Kühlvorrichtungen und nicht nur plattenförmige Strukturen im engeren Sinn, insbesondere müssen die Seitenflächen nicht streng plan sein. Vorzugsweise wird die Kühlplatte von einem Kühlmittel, beispielsweise
Wasser, durchströmt. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit mindestens einer Batteriezelle und einer erfindungsgemäßen Isolier- und Kühlanordnung, wobei eine erste Hauptseite der Batteriezelle in thermischem Kontakt mit der ersten Hauptseite der Kühlplatte (4) steht und eine die Isolierschicht zwischen diesen ersten Hauptseiten angeordnet ist, und wobei die Isolierschicht sich über die im Wesentlichen gesamte erste Hauptseite der Kühlplatte und die im Wesentlichen gesamte erste Seitenfläche des Isolationselements erstreckt.
Die Erfindung umfasst somit ebenfalls eine Batteriezellenanordnung mit einer oder mehreren Batteriezellen und der Isolier” und Kühlanordnung. Dabei steht eine erste Hauptseite der Batteriezelle in thermischem Kontakt mit der ersten Hauptseite der Isolier” und Kühlanordnung. Zwischen der ersten Hauptseite der Kühlplatte und der ersten Hauptseite der Batteriezelle ist eine Isolierschicht angeordnet, die ausreichende elektrische Isolationseigenschaften bei gleichzeitig ausreichender thermischer Leitfähigkeit aufweist. Die Isolierschicht erstreckt sich über die im Wesentlichen gesamte erste Hauptseite der Kühlplatte und über zumindest einen Teil der ersten Seitenfläche des Isolationselements. Durch die im Wesentlichen in einer Ebene liegenden Seitenflächen von Kühlplatte und Isolationselement wird die Isolierschicht auf einer ebenen Fläche aufgebracht, was fertigungstechnisch einfach ist und das Risiko von Schwachstellen oder Beschädigungen verringert. Ferner kann ein gewisser Toleranzausgleich erfolgen.
Die Batteriezelle kann einen üblichen Bautyp aufweisen. Insbesondere kann es sich um eine prismatische Zelle, eine Pouchzelle oder eine Rundzelle handeln.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine erste Stirnseite der Batteriezelle im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Stirnseite der Kühlplatte. Mit anderen Worten, diese Teile sind „gleich hoch", und das Isolationselement ragt darüber hinaus. Alternativ kann die erste Stirnseite der Kühlplatte höher oder niedriger als die Stirnseite der Batteriezelle liegen, wobei im ersten Falle (größere Kühlplatte) die Kühlung verbessert wird. Bei einer kleineren Kühlplatte, wenn die erste Stirnseite der Kühlplatte niedriger liegt als die Stirnseite der Batteriezelle, kann der Platzbedarf reduziert werden. Es ist beispielsweise möglich, dass die der Kühlplatte abgewandte Seite des Isolationselements in einer Ebene mit der ersten Stirnseite der Batteriezelle liegt, so dass das Isolationselement nicht über die Batteriezelle hinausragt und eine besonders kompakte Anordnung erzielt wird.
Die Isolierschicht bedeckt vorzugsweise die gesamte erste Seitenfläche des Isolierelements, sie kann aber auch einen Teil freilassen, wenn eine ausreichende Isolation im Bereich der ersten Stirnseite der Kühlplatte gewährleistet ist.
Das Isolationselement kann mit einem elektrisch isolierenden Befestigungselement zumindest teilweise abgedeckt sein. Das Befestigungselement kann insbesondere der Befestigung des Isolationselements an der Kühlplatte und/oder einer ausreichenden Fixierung der Batteriezelle dienen. Das Befestigungselement kann die Batteriezelle zumindest teilweise überdecken, wodurch eine Fixierung in der entsprechenden Richtung erreicht wird. Das Befestigungselement kann beispielsweise aufgrund seiner Formgebung mit dem Isolationselement verbunden sein, insbesondere durch eine Verzahnung bzw. Ineinandergreifen, oder es kann eine Schraubverbindung vorgesehen sein.
Die erste Stirnseite der Kühlplatte kann eben sein, sie kann aber auch eine Auswölbung oder einen Vorsprung aufweisen, der in das Isolationselement hineinragt. Dadurch wird die Isolationswirkung verbessert. Es kann ein weiteres Isolationselement an einer zweiten, der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite der Kühlplatte vorhanden sein, wobei dessen erste Seitenfläche ebenfalls im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Hauptseite der Kühlplatte liegt. Es treten hier also ebenso die vorteilhaften Wirkungen ein, da die Isolierschicht auf einer im Wesentlichen glatten Ebene aufgebracht wird und es für eine gute Isolation nicht notwendig ist, die Isolierschicht um Ecken oder Kanten herumzuführen. Bei geringfügigen Abweichungen von einer vollkommen glatten Ebene beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen kann die Isolierschicht den notwendigen Ausgleich bewirken.
Für das weitere Isolationselement sind grundsätzlich dieselben Varianten möglich wie für das Isolationselement. Besonders günstig ist es, wenn das weitere Isolationselement auch eine Halterung oder Unterstützung für die Batteriezelle bzw. für die hier angrenzende Batteriezelle bildet. Je nach Anordnung der Batteriezellen kann es sich bei der an das weitere Isolationselement angrenzenden Batteriezelle um eine andere handeln als die an das Isolationselement angrenzende Batteriezelle. Das weitere Isolationselement kann einen T- förmigen oder winkelförmigen Querschnitt aufweisen und sich zumindest teilweise unter die angrenzende Batteriezelle erstrecken. Ferner kann die zweite Stirnseite der Kühlplatte eine Auswölbung oder einen Vorsprung aufweisen wie in Zusammenhang mit der ersten Stirnseite beschrieben.
Im Allgemeinen sind mehrere Batteriezellen, hier als Modul bezeichnet, zwischen zwei Isolier- und Kühlanordnungen angeordnet und in gewünschter Weise miteinander verschaltet, um die erforderliche Spannung und Strom zu erzeugen. Die geometrische Anordnung der Batteriezellen im Modul ist vom Bautyp der Batteriezellen abhängig. Vorzugsweise sind mehrere solcher Module nebeneinander angeordnet, wobei jeweils zwischen zwei Modulen eine Isolier- und Kühlanordnung vorhanden ist und diese quasi innenliegenden Isolier- und Kühlanordnungen auch auf einer zweiten, der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite eine Isolierschicht aufweisen. Vorzugsweise sind die innenliegenden Isolier” und Kühlanordnungen symmetrisch aufgebaut.
Zwischen einigen oder allen Batteriezellen eines Moduls kann eine Wärmeleitstruktur vorhanden sein. Diese ist vorzugsweise thermisch und elektrisch leitend, wobei die elektrische Leitfähigkeit insbesondere einer Verschaltung der Batteriezellen dienen kann.
Besonders bevorzugt ist die Batteriezellenanordnung als eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, ausgestaltet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig.1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Isolier” und Kühlanordnung,
Fig. 2 eine Anordnung mit mehreren Batteriezellenanordnungen einer zweiten Ausführungsform,
Fig.3 eine dritte Ausführungsform,
Fig.4 eine vierte Ausführungsform,
Fig.5 einen Teil des Isolier- und Kühlelements der vierten Ausführungsform mit einem Toleranzausgleich,
Fig.6 eine fünfte Ausführungsform,
Fig.7 und 8 eine sechste Ausführungsform, und
Fig.9 und 10 eine siebte Ausführungsform wobei in den Figuren jeweils ein Querschnitt dargestellt ist, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit die innere Struktur der einzelnen Komponenten wie Kühlplatte und Batteriezelle nicht dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Batteriezellenanordnung 1 mit einer Isolier" und Kühlanordnung 2 und einer Batteriezelle 3. Die Isolier- und Kühlanordnung 2 umfasst eine Kühlplatte 4 mit einer ersten Hauptseite 4a und einer ersten Stirnseite 4b. An der ersten Stirnseite 4b ist ein Isolationselement 5 angeordnet, das eine erste Seitenfläche 5a aufweist. Die erste Seitenfläche 5a und die erste Hauptseite 4a liegen in einer Ebene, so dass hier eine durchgehende glatte Auflagefläche für eine Isolierschicht 6 gebildet ist. Die Isolierschicht 6 erstreckt sich über die gesamte erste Hauptfläche 4a der Kühlplatte und über die gesamte erste Seitenfläche 5a des Isolationselements. Die Batteriezelle 3 ist an ihrer ersten Hauptseite 3a durch die Isolierschicht 6 von der Kühlplatte elektrisch isoliert, aber thermisch verbunden. Für die Isolierschicht kann beispielsweise ein glasfaserverstärktes Silikonmaterial z.B. mit keramischem Füllstoff für bessere thermische Leitfähigkeit mit einer Dicke im Bereich von 0,1mm - 5mm verwendet werden, oder ein anderes im Stand der Technik verwendetes Material, wie beispielsweise Kapton oder Polyester. Auch eine Kombination eines solchen glasfaserverstärkten Silikonmaterials mit einem vernetzenden zunächst flüssigen Silikonmaterial ist möglich.
In diesem Ausführungsbeispiel liegt eine erste Stirnseite 3b der Batteriezelle in einer Ebene mit der ersten Stirnseite 4b der Kühlplatte. Die ersten Stirnseite 3b, 4b können aber auch in verschiedenen Ebenen liegen.
Üblicherweise liegen mehrere Batteriezellen hintereinander, d.h. vor oder hinter der Zeichenebene, und sind in geeigneter Weise zu einem Modul verschaltet. Die Isolier- und Kühlanordnung erstreckt sich dann entsprechend über die Länge des Moduls vor und hinter die Zeichenebene. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine prismatische Batteriezelle vorgesehen.
Fig. 2 zeigt nebeneinander liegende Batteriezellenanordnungen mit Batteriezellen 3, 30, 31 und dazwischenliegenden Isolier” und Kühlanordnungen mit Kühlplatten 4, 40 und Isolationselementen 5, 50. Dabei ist auf der ersten Hauptseite 4a, 40a der Kühlplatten und auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptseite 4c, 40c die Isolierschicht 6 aufgebracht bzw. angeordnet. Die Isolierschicht 6 kann dabei jeweils eine größere Länge aufweisen, wobei die über die jeweils erste Stirnseite 3b, 30b, 31b der Batteriezellen 3, 30, 31 bzw. über das jeweilige Isolationselement 5, 50 hinausragende Länge auf die benachbarte Batteriezelle oder das Isolationselement umgelegt werden kann. Auch wenn in diesem Bereich eine Beschädigung auftreten sollte, so wird die Kriechstrecke hierdurch nicht verkürzt, da diese weiterhin durch das Isolationselement gewährleistet wird. Bei dieser Ausführungsform liegt die der Kühlplatte abgewandte Seite 5b, 50b des Isolationselements 5, 50 in einer Ebene mit der ersten Stirnseite 3b, 30b, 31b der Batteriezellen. Durch die gleiche Höhe ergibt sich ein besonders platzsparender Aufbau. Es ist sinnvoll, an der der ersten Stirnseite 4b der Kühlplatte gegenüberliegenden Seite in gleicher Weise ein weiteres Isolationselement vorzusehen, d.h. die Kühlplatte 4 ist entsprechend kürzer und das weitere Isolationselement liegt in einer Ebene mit der Unterseite der Batteriezelle. Damit wird insgesamt ein sehr platzsparender Aufbau bei gleichzeitig sehr zuverlässiger elektrischer Isolation erzielt.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem das Isolationselement 5 mit einem elektrisch isolierenden Befestigungselement 7 abgedeckt ist. Das Befestigungselement 7 erstreckt sich auch über die Isolierschicht 6 und einen Teil der angrenzenden Batteriezellen 3, 31. Die Batteriezellen werden auf diese Weise fixiert. Eine Fixierung bzw. Abstützung in der entgegengesetzten Richtung wird durch ein weiteres Isolationselement 8 an der zweiten Stirnseite 4d der Kühlplatte, die der ersten Stirnseite gegenüberliegt, erreicht. Dieses weitere Isolationselement 8 hat einen T- förmigen Querschnitt und erstreckt sich teilweise unter die angrenzenden Batteriezellen, also unter eine zweite Stirnseite 3c, 31c, die der ersten Stirnseite 3a gegenüberliegt. Seine Seitenflächen liegen in einer Ebene mit der ersten bzw. zweiten Hauptseite 4a, 4c der Isolier- und Kühlanordnung. In einer Variante kann das weitere Isolationselement 8 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, sich also nicht unter die angrenzenden Batteriezellen erstrecken und nicht der Fixierung bzw. Abstützung dienen. Vorzugsweise schließt es dann mit der zweiten Stirnseite 3c, 31c ab, wie bereits bei der Beschreibung zu Fig. 2 erläutert. Das Befestigungselement 7 kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung mit dem Isolationselement 5 und ggf. der Kühlplatte verbunden werden. Isolationselement 5 und Befestigungselement 7 können auch so geformt sein, dass sie durch ein Ineinandergreifen miteinander verbunden werden. Bei der dritten Ausführungsform ist die Isolation durch das weitere Isolationselement 8 auch im unteren Bereich der Batteriezelle verbessert, da mögliche Kriechstrecken deutlich verlängert sind. Dabei kann das untere Isolationselement lediglich mit einem Isolationsmaterial ummantelt sein und sein Kern aus einem anderen Material, beispielsweise einem thermisch leitenden Material und vorzugsweise aus dem Material der Kühlplatte, bestehen.
Fig. 4 : In dieser Ausführungsform weist die erste Stirnseite 4b des Kühlelements einen Vorsprung auf, der in das Isolationselement 5 hineinragt. Dadurch kann bei annähernd unverminderter Isolationswirkung die Kühlplatte 4 vergrößert werden.
Fig. 5 zeigt den oberen Teil der Isolier- und Kühlanordnung für den Fall, dass die erste oder zweite Hauptseite 4a, 4c der Kühlplatte 4 und die entsprechende Seitenfläche 5a des Isolationselements 5 nicht vollständig in einer Ebene liegen. Die auftretende geringe Stufe kann durch die Isolierschicht 6 ausgeglichen werden, wenn eine Isolierschicht 6 mit ausreichend plastischen Eigenschaften gewählt wird.
Fig.6 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Vorsprung der Kühlplatte 4 in das weitere Isolationselement 8 hineinragt und das Isolationselement 5 oben mit der ersten Stirnseite 3b, 31b der Batteriezelle abschließt. Durch diese Maßnahmen wird eine sehr gute Isolations- und Kühlwirkung bei gleichzeitig kompakter Bauweise erreicht. Es ist auch möglich, dass die Kühlplatte noch weiter in das weitere Isolationselement hineinragt und sich auch unter die Batteriezelle erstreckt, wobei das weitere Isolationselement die Kühlplatte hier teilweise ummantelt. Dies kann für die Stabilität vorteilhaft sein, da die Kühlplatte 4 üblicherweise aus einem elektrisch leitfähigen Metall besteht. Eine solche Ummantelung ist vorzugsweise an den Stellen vorgesehen, an denen eine Verlängerung der Kriechstrecke erforderlich ist. Dies kann beispielsweise an den Grenzflächen zwischen dem Isolationselement 8, der Isolierschicht 6 sowie der Batteriezelle 3, 31 der Fall sein,
Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit Batteriezellen 3, 32, 33, 34, wobei Fig. 8 einen Querschnitt in der in Fig.7 gestrichelt dargestellten Ebene zeigt, also auf Höhe des Isolationselements 5. In Fig. 8 sind die hintereinander liegenden Batteriezellen 32, 33, 34 erkennbar, die als Pouch-Zellen ausgeführt sind. Zur besseren Wärmeabführung ist nach jeweils beispielsweise drei Zellen eine Wärmeleitstruktur 9 eingefügt, die sich auf einer Seite, der rechten Seite in Fig. 8, bis zur Isolationsschicht 6 erstreckt und hier verbunden sein kann, so dass sie eine kammförmige bzw. sich wiederholende L-förmige Struktur aufweist. Die Wärmeleitstruktur 9 kann sich auch abschnittsweise abwechselnd auf einer Seite und auf der anderen Seite bis zur Isolationsschicht erstrecken, d.h. die sich wiederholenden L-förmigen Strukturen sind jeweils gespiegelt zur unterliegenden gestapelt. Am vorderen und am hinteren Ende des Moduls sind Abdeckplatten 10 als Abschluss vorhanden. Sofern diese Abdeckplatten 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sind, sind diese ergänzend gegenüber den an die jeweilige Abdeckplatte 10 angrenzende Batteriezelle 32 bzw. der Wärmeleitstruktur 9 elektrisch zu isolieren, Hierfür können Platten oder Blöcke aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen, welche nach dem Beispiel der Fig. 8 oberhalb der oberen Batteriezelle 32 bzw. unterhalb des unteren Zinkens der Wärmeleitstruktur 9 angeordnet sind. Die Platten bzw. Blöcke weisen dabei eine jeweilige Dicke entsprechend der erforderlichen Verlängerung der Kriechstrecke auf.
Fig. 9 und 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit Rundzellen, wobei Fig. 10 einen Querschnitt in der in Fig.9 gestrichelt dargestellten Ebene zeigt, also parallel und dicht benachbart zur Isolierschicht 6. Die Batteriezellen 32, 33, 34 sind horizontal angeordnet und an ihren Polen mittels der elektrisch leitenden Wärmeleitstruktur geeignet verbunden, im Beispiel sind vierzehn Zellen in Reihe geschaltet, wie in Fig. 10 erkennbar. Die Wärmeleitstruktur 9 dient ferner der thermischen Anbindung an die Isolierschicht 6 auf beiden Seiten des Moduls. Die Kühlplatten 4 grenzen an das Isolationselement 5 und das weitere Isolationselement 8. Die ersten Seitenflächen 5a, 8a der Isolationselemente 5, 8 und die erste Hauptseite 4a der Kühlplatte liegen dabei in einer Ebene, so dass die Isolierschicht 6 nicht um Kanten oder Ecken herumgeführt werden muss.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale und Aspekte der Erfindung können selbstverständlich miteinander in unterschiedlicher Weise kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden. Bezugszeichenliste
1 Batteriezellenanordnung
2 Isolier- und Kühlanordnung
3, 30, 31, 32, 33, 34 Batteriezelle
3a erste Hauptseite der Batteriezelle
3b erste Stirnseite der Batteriezelle
3c zweite Stirnseite der Batteriezelle
4, 40 Kühlplatte
4a, 40a erste Hauptseite der Kühlplatte
4b erste Stirnseite der Kühlplatte
4c, 40c zweite Hauptseite der Kühlplatte
4d zweite Stirnseite der Kühlplatte
5 Isolationselement
5a erste Seitenfläche des Isolationselements
5b abgewandte Seitenfläche des Isolationselements
6 Isolierschicht
7 Befestigungselement
8 weiteres Isolationselement.
8a erste Seitenfläche des weiteren Isolationselements
9 Wärmeleitstruktur
10 Abdeckplatte

Claims

Patentansprüche
1. Isolier- und Kühlanordnung (2) für mindestens eine Batteriezelle (3), aufweisend zumindest
- eine Kühlplatte (4) mit einer ersten Hauptseite (4a) für einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle und mit einer ersten (4b) und einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (4d), und
- ein Isolationselement (5) für eine elektrische Isolation an einer ersten Stirnseite (4b) der Kühlplatte (4),
- wobei eine erste Seitenfläche (5a) des Isolationselements (5) im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Hauptseite (4a, 40a) der Kühlplatte liegt.
2. Isolier- und Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Isolierschicht (6) für eine elektrische Isolation aufweist, die auf der ersten Hauptseite (4a) der Kühlplatte (4) und zumindest einem Teil der ersten Seitenfläche (5a) des Isolationselements (5) aufgebracht ist.
3. Batteriezellenanordnung (1) mit mindestens einer Batteriezelle (3) und einer Isolier- und Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
- wobei eine erste Hauptseite (3a) der Batteriezelle (3) in thermischem Kontakt mit der ersten Hauptseite (4a) der Kühlplatte (4) steht und die Isolierschicht (6) zwischen diesen ersten Hauptseiten (3a, 4a) angeordnet ist, und
- wobei die Isolierschicht (6) sich über die im Wesentlichen gesamte erste Hauptseite (4a) der Kühlplatte (4) und die im Wesentlichen gesamte erste Seitenfläche (5a) des Isolationselements (5) erstreckt.
4. Batteriezellenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stirnseite (3b) der Batteriezelle (3) im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Stirnseite (4b) der Kühlplatte (4) oder mit der der Kühlplatte (4) abgewandten Seite (5b) des Isolationselements (5) liegt.
5. Batteriezellenanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (5) mit einem elektrisch isolierenden Befestigungselement (7) zumindest teilweise abgedeckt ist, wobei das isolierende Befestigungselement (7) die Batteriezelle (3) fixiert.
6. Batteriezellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnseite (4b) der Kühlplatte (4) eine Auswölbung oder einen Vorsprung aufweist, der in das Isolationselement (5) hineinragt.
7. Batteriezellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Isolationselement (8) an der zweiten Stirnseite (4d) der Kühlplatte (4) angeordnet ist, wobei eine Seitenfläche (8a) des weiteren Isolationselements (8) im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Hauptseite (4a, 40a) der Kühlplatte (4) liegt.
8. Batteriezellenanordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Isolationselement (8) einen T- oder winkelförmigen Querschnitt aufweist und sich zumindest teilweise unter die der ersten Stirnseite (3b) gegenüberliegende zweite Stirnseite (3c) der Batteriezelle (3) erstreckt.
9. Batteriezellenanordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Isolationselement (8) aus einem thermisch leitenden Material besteht und mit einem Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation zumindest teilweise ummantelt ist.
10. Batteriezellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitstruktur (9) zwischen zwei Batteriezellen (3, 30, 31, 32, 33, 34) und/oder zwischen der Batteriezelle (3, 30, 31, 32, 33, 34) und der Isolierschicht (6) angeordnet ist.
11. Batteriezellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine
Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, ausgestaltet ist.
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