DE102008034870A1

DE102008034870A1 - Batterie mit mehreren Batteriezellen und Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102008034870A1
Application number: DE200810034870
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Meintschel; Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-27
Also published as: DE102008034870B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batteriezellen (2) und einer mit den Batteriezellen (2) Wärme leitend verbundenen Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte (5) zum Temperieren der Batteriezellen (2). Dabei ist die Kühlvorrichtung mit den Batteriezellen (2) mittels eines Pulvers (4) Wärme leitend verbunden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu einer Herstellung einer derartigen Batterie (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batteriezellen und ein Verfahren zu einer Herstellung einer derartigen Batterie.
Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf.
Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine indirekte Kühlung durch einen Kühlmittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf ist am Zellblock der Batterie eine von Kühlmittel durchströmte Kühlplatte angeordnet, beispielsweise unterhalb der Batteriezellen.
In Zelllängsrichtung wird die Wärme beispielsweise durch Wärmeleitelemente, z. B. Wärmeleitstäbe oder -bleche, zu der Kühlplatte geleitet.
Zwischen den Batteriezellen und den Wärmeleitelementen und/oder der Kühlplatte verbleiben infolge von Fertigungstoleranzen Spalte, welche die Wärmeableitung reduzieren. Deshalb werden die Spalte gegenwärtig beispielsweise durch Kunststoffvergussmasse geschlossen. Verwendet wird dazu in der Regel elektrisch nicht leitende Kunststoffvergussmasse wie Epoxidharz, Polyurethan oder Silikon, da in der Regel auf einem Zellgehäuse jeder Batteriezelle ein Pol der Batteriezelle liegt.
Ein derartiger Verschluss der Spalte hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen hat die Kunststoffvergussmasse eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit. Ferner ist sie schwierig in die kleinen Spalte vergießbar und daher aufwändig zu verarbeiten. Außerdem weist sie nach ihrer Aushärtung eine andere Wärmeausdehnung als andere Bauteile der Batterie auf, wodurch Temperaturschwankungen eine Rissbildung in der Kunststoffvergussmasse und/oder eine teilweise Ablösung der Kunststoffvergussmasse von einem Bauteil verursachen können. Kunststoffvergussmasse ist zudem teuer und brandgefährlich. Schließlich ist ein Austauschen defekter Batteriezellen oder eine Zerlegung der Batterie zur Entsorgung nach dem Verguss des Zellblocks mit Kunststoffvergussmasse nicht bzw. nur mit einem hohen Aufwand möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batterie mit mehreren Batteriezellen anzugeben, die eine verbesserte und vereinfachte Kühlung der Batteriezellen aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Batteriezellen und eine mit den Batteriezellen Wärme leitend verbundene Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte zum Temperieren der Batteriezellen auf. Dabei ist die Kühlvorrichtung mit den Batteriezellen mittels eines Pulvers Wärme leitend verbunden.
Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung der Batterie gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Batterien vereinfacht und verbilligt wird, da keine teure Kunststoffvergussmasse und kein aufwändiges Vergießen derselben erforderlich ist. Ferner ist vorteilhaft, dass das Pulver temperaturbedingte Ausdehnungsschwankungen von Bauteilen der Batterie ausgleicht. Damit verhindert es insbesondere eine Unterbrechung oder Reduzierung einer Ableitung von Wärme durch derartige Wärmeausdehnungen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Ausbau einzelner Batteriezellen bei einem Defekt oder zur Entsorgung ermöglicht bzw. vereinfacht wird. Weiterhin wird die Sicherheit der Batterie dadurch erhöht, dass das Pulver aus den Batteriezellen austretende Elektrolytflüssigkeit binden kann.
Im Detail besteht das Pulver bevorzugt aus einem keramischen Material oder ist ein elektrisch nicht leitendes Mineralpulver. Als keramisches Material eignet sich dabei beispielsweise Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Bornitrid. Derartige Pulver sind Nichtleiter und haben daher den Vorteil, in Batterien mit Batteriezellen eingesetzt werden zu können, deren jeweiliges Zellgehäuse ein elektrischer Pol der Batteriezelle ist.
Für eine Batterie mit Batteriezellen, die ein von ihren elektrischen Polen elektrisch isoliertes Zellgehäuse aufweisen, kann auch ein elektrisch leitendes Pulver, beispielsweise ein Graphit- oder Metallpulver, eingesetzt werden.
Die Verwendung derartiger Pulver hat den Vorteil, dass sie eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise Kunststoffvergussmasse aufweisen. Außerdem sind sie im für den Batteriebetrieb relevanten Temperaturbereich nicht brennbar und erhöhen somit die Sicherheit der Batterie.
Die Kühlvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Anzahl von Wärmeleitelementen, die entlang einer Längsrichtung der Batteriezellen zwischen diesen angeordnet und an der Kühlplatte befestigt sind.
Dies hat den Vorteil, dass durch die Wärmeleitelemente Abwärme der Batteriezellen zu der Kühlplatte abführbar ist und dadurch die Batteriekühlung verbessert wird.
Die Kühlplatte weist bevorzugt Berstöffnungen zur Aufnahme von aus einer Batteriezelle ausgetretener Elektrolytflüssigkeit auf. Dabei sind die Berstöffnungen gegen Eindringen von Pulver mit einer Berstfolie verschlossen, welche sich bei einem geringen Überdruck ablöst oder aufreißt. Die Berstöffnungen haben den Vorteil, dass über sie bei einem Defekt aus einer Batteriezelle austretende Elektrolytflüssigkeit zu der Kühlplatte abführbar ist. Der Verschluss der Berstöffnungen durch die Berstfolie verhindert, dass Pulver während eines Normalbetriebes der Batterie in die Kühlplatte eindringt.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen, das Pulver und die Kühlplatte in einem Kühlgehäuse angeordnet. Dabei bildet die Kühlplatte bevorzugt einen Boden des Kühlgehäuses. Durch das Kühlgehäuse wird in vorteilhafter Weise ein Raumbereich, in dem das Pulver eingefüllt werden muss, und dadurch die benötigte Pulvermenge begrenzt. Durch die Verwendung der Kühlplatte als Boden des Kühlgehäuses wird Material für einen separaten Boden des Kühlgehäuses eingespart und der Auf- und Zusammenbau der Batterie vereinfacht.
Über dem Pulver ist vorzugsweise eine für das Pulver undurchlässige Abdeckung angeordnet, welche Öffnungen aufweist, durch die Polkontakte der Batteriezellen hindurch geführt sind. Dabei ist die Abdeckung bevorzugt eine Abdeckungsplatte oder Abdeckungsfolie oder Vergussschicht. Die Abdeckung hat den Vorteil, dass ein Austreten von Pulver aus der Batterie verhindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterie sieht vor, dass das Pulver nach einem Einfüllen desselben in ein die Batteriezellen umgebendes Kühlgehäuse durch Rütteln und/oder Pressen in dem Kühlgehäuse verdichtet wird und mit einer für das Pulver undurchlässigen Abdeckung versehen wird.
Dabei wird in vorteilhafter Weise durch das Rütteln und/oder Pressen das Pulver in dem Kühlgehäuse verteilt und durch das Verdichten die Wärmeleitfähigkeit des Pulvers erhöht.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Batterie,
2 perspektivisch eine Explosionsdarstellung einer Batterie, und
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Batterie 1 in einer perspektivischen Darstellung, 2 zeigt die Batterie 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung und 3 zeigt die Batterie 1 schematisch in einer Schnittdarstellung.
Die Batterie 1 weist mehrere seriell miteinander verschaltete Batteriezellen 2 auf. Jede Batteriezelle 2 weist zwei Polkontakte 10 auf, welche an einem oberen Ende der Batteriezelle 2 angeordnet sind. Dabei liegt an einem der beiden Polkontakte 10 einer Batteriezelle 2 ein elektrisches Potential der Batteriezelle 2 an und an dem anderen Polkontakt 10 das andere elektrische Potential.
Zur Verschaltung der Batteriezellen 2 sind je zwei Batteriezellen 2 mittels eines Zellverbinders 11 miteinander elektrisch verbunden. Dabei verbindet der Zellverbinder 11 einen Polkontakt 10 einer der beiden Batteriezellen 2 mit einem Polkontakt 10 entgegen gesetzter oder gleicher Polung der anderen Batteriezelle 2, wodurch die Batteriezellen 2 in Serie oder parallel geschaltet sind.
Ferner weist die Batterie 1 eine Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen 2 auf. Die Kühlvorrichtung umfasst eine Kühlplatte 5 und Wärmeleitelemente 6.
Die Batteriezellen 2 und die Kühlvorrichtung sind von einem Kühlgehäuse 7 umgeben, dessen Boden von der Kühlplatte 5 gebildet wird. Aus dem Kühlgehäuse 7 sind zwei Kühlmittelanschlüsse 3 der Kühlplatte 5 heraus geführt, mittels welcher ein Kühlmittel der Kühlplatte 5 zuführbar bzw. aus der Kühlplatte 5 abführbar ist.
Die Wärmeleitelemente 6 sind an der Kühlplatte 5 befestigt und entlang der Batteriezellen 2 zwischen diesen angeordnet. Sie sind stabförmig ausgebildet und an ihrem oberen und unteren Ende jeweils mit einem elektrisch isolierenden Isolationsstück 12 ummantelt. Das Isolationsstück 12 an dem unteren Ende eines Wärmeleitelementes 6 ist mit einer Krempe versehen, die auf der Kühlplatte 5 aufliegt. Auf dieser Krempe liegen benachbarte Batteriezellen 2 auf. Dadurch wird der Boden einer Einzelzelle 2 von der Kühlplatte 5 durch die dazwischen angeordneten Krempen von Isolationsstücken 12 elektrisch isoliert. Dabei sind Isolationsstücke 12 nur in dem Fall vorgesehen, dass die Zellgehäuse der Batteriezellen 2 jeweils einen elektrischen Pol einer Batteriezelle 2 bilden.
Die Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 2 einerseits und den Wärmeleitelementen 6, der Kühlplatte 5 und den Innenwänden des Kühlgehäuses 7 andererseits sind bis zu einer Kühlgehäuseoberkante 13 mit einem Wärme leitenden Pulver 4 ausgefüllt.
In dem Falle, dass die Zellgehäuse der Batteriezellen 2 elektrische Pole der Batteriezellen 2 bilden, besteht das Pulver bevorzugt aus einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Bornitrid, oder ist ein elektrisch nicht leitendes Mineralpulver. Anderenfalls kann auch ein elektrisch leitendes Pulver, beispielsweise ein Graphit- oder Metallpulver, eingesetzt werden.
Über dem Pulver 4 ist auf der Kühlgehäuseoberkante 13 als Abdeckung 8 des Pulvers 4 eine zu dem Kühlgehäuse 7 korrespondierende Abdeckplatte 8 angeordnet. Diese weist Öffnungen 9 auf, durch welche die Polkontakte 10 der Batteriezellen 2 hindurch geführt sind.
Eine bevorzugte Ausführung der Batterie 1 sieht ferner vor, dass die Kühlplatte 5 nicht dargestellte Berstöffnungen zur Aufnahme von aus Batteriezellen 2 ausgetretener Elektrolytflüssigkeit aufweist und dass jede Batteriezelle 2 an ihrer Unterseite eine nicht dargestellte Überdrucksicherung aufweist. Dabei sind die Berstöffnungen in der Kühlplatte 5 bevorzugt jeweils unterhalb der Überdrucksicherung einer Batteriezelle 2 angeordnet.
Die Überdrucksicherung einer Batteriezelle 2 ist beispielsweise eine in einem Berstbereich verdünnte Wandung eines Zellbodens der Batteriezelle 2 und/oder eine Sollbruchstelle dieser Wandung oder eine am Boden der Batteriezelle 2 angeordnete Berstscheibe, welche bei einem Überdruck in der Batteriezelle 2 abplatzt oder zerbricht.
Die Berstöffnungen in der Kühlplatte 5 sind bevorzugt mit einer Berstfolie verschlossen, welche im Normalbetrieb der Batterie ein Eindringen von Pulver 4 in die Berstöffnungen verhindert, sich bei einem Überdruck jedoch ablöst oder reißt, so dass die Kühlplatte 5 dann über die Berstöffnungen Pulver 4 und aus den Batteriezellen 2 ausgetretene Elektrolytflüssigkeit aufnehmen kann.

Claims

Batterie (1) mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batteriezellen (2) und einer mit den Batteriezellen (2) Wärme leitend verbundenen Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte (5) zum Temperieren der Batteriezellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung mit den Batteriezellen (2) mittels eines Pulvers (4) Wärme leitend verbunden ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (4) aus einem keramischen Material besteht.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (4) aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid und/oder Bornitrid besteht.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (4) ein elektrisch nicht leitendes Mineralpulver ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batteriezelle (2) ein von ihren elektrischen Polen elektrisch isoliertes Zellgehäuse aufweist und das Pulver (4) elektrisch leitend ist.
Batterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (4) ein Graphit- oder Metallpulver ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine Anzahl von Wärmeleitelementen (6) umfasst, die entlang einer Längsrichtung der Batteriezellen (2) zwischen diesen angeordnet und an der Kühlplatte (5) befestigt sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (5) Berstöffnungen zur Aufnahme von aus einer Batteriezelle (2) ausgetretener Elektrolytflüssigkeit aufweist und die Berstöffnungen gegen ein Eindringen von Pulver (4) mit einer Berstfolie verschlossen sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2), das Pulver (4) und die Kühlplatte (5) in einem Kühlgehäuse (7) angeordnet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Boden des Kühlgehäuses (7) von der Kühlplatte (5) gebildet wird.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Pulver (4) eine für das Pulver (4) undurchlässige Abdeckung (8) angeordnet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (8) Öffnungen (9) aufweist, durch welche Polkontakte (10) der Batteriezellen (2) hindurch geführt sind.
Batterie (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (8) eine Abdeckungsplatte oder Abdeckungsfolie oder Vergussschicht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (4) nach einem Einfüllen desselben in ein die Batteriezellen (2) umgebendes Kühlgehäuse (7) durch Rütteln und/oder Pressen in dem Kühlgehäuse (7) verdichtet wird und mit einer für das Pulver (4) undurchlässigen Abdeckung (8) versehen wird.