DE102011103984A1

DE102011103984A1 - Kühlvorrichtung für eine Batterie

Info

Publication number: DE102011103984A1
Application number: DE201110103984
Authority: DE
Inventors: Rainer Kaufmann; Jens Meintschel; Dirk Schröter; Roland Weixler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie (1) mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen (2), mit wenigstens einem zwischen den Batterieeinzelzellen (2) angeordneten gewellten Wärmeleitblech (4). Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (4) elektrisch gegenüber den Batterieeinzelzellen (2) isoliert ausgeführt ist, und dass das wenigstens eine Wärmeleitblech (4) mit wenigstens einem von einem Kühlmedium durchströmten Leitungselement (5) in direkter thermischer Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batterien, insbesondere Hochleistungs- oder Hochvoltbatterien, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Sie bestehen typischerweise aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen, welche beispielsweise seriell miteinander zu der Batterie oder zu einem Modul der Batterie verschaltet sind. Die Batterieeinzelzellen werden im Allgemeinen entweder zylindrisch oder prismatisch aufgebaut. Insbesondere beim Aufbau der Batterieeinzelzellen in zylindrischer Form stellt die Kühlung der Batterieeinzelzellen, zumindest beim Einsatz der hinsichtlich Speicherdichte derzeit optimalen Lithium-Ionen-Technologie, eine Herausforderung dar. Aufgrund der gerundeten Oberflächen der Batterieeinzelzellen ist die Anordnung an einen Wärmetauscher vergleichsweise aufwändig, sodass typischerweise sehr komplex ausgebildete Wärmetauscher notwendig sind, welche häufig den benötigten Bauraum für die Batterie entsprechend erhöhen, diese in der Montage aufwändig und in der Herstellung entsprechend teuer machen.
Aus der WO 2009/033578 A2 ist eine Wärmetauschereinheit für eine Batterie mit zylindrischen Batterieeinzelzellen bekannt. Diese besteht aus einer Vielzahl von wellenförmig gebogenen Leitungselementen, welche zwischen den Batterieeinzelzellen angeordnet werden, und welche von einem Kühlmedium durchströmt werden. Der Aufbau bietet eine gute Funktionalität, ist jedoch hinsichtlich der Anzahl der benötigten Bauteile sowie der Abdichtung der wellenförmigen Leitungselemente vergleichsweise aufwändig.
Ferner ist es aus der US 200310017383 A1 bekannt, zwischen zylindrischen Batterieeinzelzellen gewellte Wärmeleitbleche anzuordnen. Diese gewellten Wärmeleitbleche sind hinsichtlich des Bauraumbedarfs vergleichsweise gut geeignet, um einen kompakten Aufbau der Batterie zu ermöglichen. Die Abfuhr der Wärme erfolgt in der beschriebenen US-Veröffentlichung durch vergleichsweise aufwändige „Heat-Pipes”, welche in Form von hermetisch verschlossenen und evakuierten Rohren ausgebildet sind, in denen ein geeignetes Medium, beispielsweise Reinstwasser, bei entsprechenden Temperaturen verdampft, durch die Schwerkraft in einen Bereich nach oben aufsteigt, dort abgekühlt wird und wieder in dem Rohr herunterläuft, um erneut zu verdampfen. Die Problematik bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Dichtheit dieser Wärmeleitrohre im Laufe der Zeit nachlassen kann, sodass bei einer gealterten Batterie die Kühlung gegebenenfalls nicht mehr ausreichend funktioniert. Außerdem ist eine Steuerung der eingesetzten Kühlleistung vergleichsweise schwierig und die in axialer Richtung der Batterieeinzelzellen angeordneten Rohre benötigen zusätzlichen Bauraum. Bei der Montage ist die Handhabung dieser rohrförmigen hermetisch verschlossenen Wärmeleitrohre ebenfalls nicht ganz einfach, da diese entsprechend sorgfältig montiert werden müssen, um die Funktionalität nicht durch mechanische Beschädigungen, welche die Dichtheit und das in den Rohren benötigte Vakuum beeinträchtigen können, zu gefährden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin, eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen zu schaffen, welche diese Nachteile vermeidet, und welche einen einfachen, kostengünstigen und sehr kompakten Aufbau für die Batterie ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Losung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Losung nutzt wie der zuletzt beschriebene gattungsgemäße Stand der Technik ein gewelltes Wärmeleitblech. Dieses ist erfindungsgemäß elektrisch gegenüber den Batterieeinzelzellen isoliert ausgeführt und steht mit wenigstens einem von einem Kühlmedium durchströmten Leitungselement in thermischer Verbindung. Dieser Aufbau ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise aufgrund des elektrisch isolierten Wärmeleitblechs, welches einfach und effizient zwischen die zylindrischen Batterieeinzelzellen eingelegt und vorzugsweise mit diesen verspannt werden kann. Das Wärmeleitblech steht dabei mit einem oder mehreren von Kühlmedium durchströmten Leitungselementen in direkter thermischer Verbindung. Damit lässt sich die Wärmeabfuhr beispielsweise durch eine einfache Regelung oder Steuerung des Volumenstroms an Kühlmedium in dem Leitungselement sehr gezielt steuern beziehungsweise regeln.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass das wenigstens eine Leitungselement an dem wenigstens einen Wärmeleitblech senkrecht oder winklig zu den Zylinderachsen der Batterieeinzelzellen angeordnet ist. Diese Anordnung senkrecht oder winklig, wobei unter winklig vorzugsweise ein Winkel um maximal ±45 Grad um die Senkrechte zu verstehen ist, ermöglicht die Anbindung des Leitungselements, beispielsweise formschlüssig oder stoffschlüssig insbesondere in einer Ebene, welche senkrecht oder um einen kleinen Winkel aus der Senkrechten geneigt zu der Achse der Batterieeinzelzellen angeordnet ist. Damit wird eine Anbindung insbesondere in den Endbereichen des Wärmeleitblechs jeweils in Axialrichtung der Batterieeinzelzellen gesehen möglich. Die Leitungselemente benötigen damit keinen Bauraum zwischen den Batterieeinzelzellen, sodass eine sehr kompakte Anordnung der Batterieeinzelzellen möglich ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Wärmeleitblech aus mehreren miteinander verbundenen welligen Abschnitten ausgebildet ist, wobei sich jeder der Abschnitte entlang einer Reihe oder zwischen zwei Reihen von zylindrischen Batterieeinzelzellen erstreckt. Dieser Aufbau ermöglicht die Realisierung einer sehr kompakten Batterie mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die Batterie genau ein Wärmeleitblech aufweist und mit diesem senkrecht zu den Achsen der Batterieeinzelzellen zu einer Einheit verspannt ist. Ein solcher Aufbau mit einem einzigen Wärmeleitblech, welches in sich gewellt ist und sich mäanderförmig durch mehrere Reihen von Batterieeinzelzellen erstreckt, ist besonders kompakt und effizient in der Kühlung, da vergleichsweise große Anlageflächen des Wärmeleitblechs an den Batterieeinzelzellen erzielt werden, und da durch die thermische Verbindung aller Batterieeinzelzellen miteinander durch das wellenförmige Wärmeleitblech ein Temperaturausgleich zwischen allen oder zumindest den in einem Bereich des Zellblocks angeordneten Batterieeinzelzellen erzielt wird. Die Temperierung kann damit sehr homogen erfolgen, was die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen erhöht. Das Wärmeleitblech kann dann senkrecht zu den Achsen der Batterieeinzelzellen beispielsweise in einem Gehäuse oder auf einer Trägerplatte zu einer kompakten Einheit mit den Batterieeinzelzellen verspannt werden. Durch dieses Verspannen wird bei einem Wärmeleitblech, welches in der Lage ist, sich elastisch geringfügig zu verformen, eine ideale Anlage des Wärmeleitblechs an den Batterieeinzelzellen erzielt, sodass ein sehr guter Wärmeübergang möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Batterie mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen und einer Kühlvorrichtung in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 einen Abschnitt der Kühlvorrichtung aus 1 ohne die Batterieeinzelzellen;
3 einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer alternativen Ausführungsform;
4 einen Abschnitt der Kühlvorrichtung aus 3 ohne die Batterieeinzelzellen; und
5 eine Schnittdarstellung einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der 1 ist ein Ausschnitt aus einer Batterie 1 mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen 2 in einer Draufsicht zu erkennen. Die zylindrischen Batterieeinzelzellen 2 sind in dem hier dargestellten Ausschnitt der Batterie 1 in drei Reihen übereinander beziehungsweise nebeneinander angeordnet. Über Stromschienen 3 sind die Batterieeinzelzellen 2 in Reihe miteinander verschaltet, wobei die zylindrischen Gehäuse einen der Pole der Batterieeinzelzellen 2 bilden. Zwischen den Reihen der Batterieeinzelzellen 2 sind gewellte Wärmeleitbleche 4 angeordnet. Diese sind beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und durch Eloxieren und/oder Lackieren oder durch einen geeigneten Überzug, beispielsweise mit einer Folie aus Polymermaterial, elektrisch isoliert. Sie liegen zwischen den Reihen der Batterieeinzelzellen 2 und stehen thermisch, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Bodenbereich der Batterieeinzelzellen 2 mit senkrecht zu den Achsen der Batterieeinzelzellen 2 verlaufenden Leitungselementen 5 in Verbindung. Die Leitungselemente 5 sind wiederum an einen Kühlmedienverteiler 6 an ihrem einen Ende und einen Kühlmediensammler 7 an ihrem anderen Ende angeschlossen. Ein Kühlmedium, beispielsweise ein flüssiges Kühlmedium oder ein im Bereich der Leitungselemente 5 verdampfendes Klimamittel, kann durch den Kühlmediumverteiler 6 in die einzelnen Leitungselemente 5 einströmen und strömt durch die Leitungselemente 5 und den Kühlmediensammler 7 wieder ab. Das Kühlmedium wird dann in einem extern von der Batterie 1 ausgebildeten Kühlmittelkreislauf wieder abgekühlt, oder im Falle eines im Bereich der Batterie 1 verdampfenden Klimamittels wieder kondensiert und komprimiert.
In der Darstellung der 2 ist eines der Leitungselemente 5 mit zwei der Wärmleitbleche 4 nochmals ohne die Batterieeinzelzellen 2 dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass das gewellte Wärmeleitblech 4 jeweils mit einem Abschnitt des Leitungselements 5 in Verbindung steht. Diese thermische Verbindung kann beispielsweise durch einen stoffschlüssigen oder formschlüssigen Kontakt beispielsweise mittels Schweißen oder mittels mechanischer Anbindung über Laschen oder dergleichen realisiert werden. in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Leitungselement 5 dabei an einem Ende – in axialer Richtung der Batterieeinzelzellen 2 gesehen – der gewellten Wärmeleitbleche 4 angeordnet. Ebenso wäre es denkbar, ein Leitungselement 5 an beiden Enden anzuordnen. Dies ist hier jedoch nicht dargestellt, da dann die Erkennbarkeit des Aufbaus leiden würde. Neben dem hier dargestellten U-förmigen Leitungselement 5 wäre es selbstverständlich auch denkbar, das Leitungselement 5 ebenfalls wellenförmig auszubilden, um so der Form der Wärmeleitbleche zu folgen, was insbesondere bei beidseitig angeordneten Leitungselementen sinnvoll ist, da dann die Montierbarkeit der Batterieeinzelzellen 2 leichter ist.
In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform des gewellten Wärmeleitblechs 4 zu erkennen. Anstelle von mehreren in parallelen Ebenen angeordneten Wärmeleitblechen 4 ist hier ein einziges Wärmeleitblech 4 für die Batterie 1 vorgesehen, welches im Wesentlichen mäanderförmig zwischen den einzelnen Reihen der Batterieeinzelzellen 2 angeordnet ist. Wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, kann sich auch das Leitungselement 5 mäanderförmig mit den einzelnen Abschnitten des Wärmeleitblechs 4 bewegen oder es können analog der Darstellung in 1 mehrere parallel zueinander angeordnete U-förmige Elemente mit dem einen mäanderförmigen durch die Reihen der Batterieeinzelzellen 2 geführten Wärmeleitblech 4 verbunden werden.
Dieser Aufbau mit dem mäanderförmigen Wärmeleitblech 4 stellt eine ideale Kontaktierung des Wärmeleitblechs 4 mit den Batterieeinzelzellen sicher, da eine gewisse Elastizität des Wärmeleitblechs 4 Voraussetzung für den Aufbau ist. Damit lassen sich die zwischen dem mäanderförmigen Wärmeleitblech 4 angeordneten Batterieeinzelzellen 2 mit dem Wärmeleitblech 4 zu einer kompakten Einheit verspannen. Dies ist in der Darstellung der 5 beispielhaft angedeutet. In einer Schnittdarstellung sind die Batterieeinzelzellen 2 zusammen mit dem mäanderförmig ausgeführten Wärmeleitblech, in diesem Fall ohne eine Darstellung der Leitungselemente 5, zu erkennen. Über Keile 8 ist diese Einheit in der dargestellten Schnittebene in einem Batteriegehäuse 9 verspannt, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Dadurch entsteht ein sehr kompakter Aufbau, bei welchem eine ideale Anlage der Flächen des gewellten Wärmeleitblechs 4 und der Batterieeinzelzellen durch die Verspannung, welche hier durch die Keile 8 realisiert ist, gewährleistet werden kann. Der Aufbau lässt sich sehr einfach montieren und ermöglicht eine sehr gute leicht regel- bzw. steuerbare Kühlung für die Batterieeinzelzellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/033578 A2 [0003]
US 200310017383 A1 [0004]

Claims

Kühlvorrichtung für eine Batterie (1) mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batterieeinzelzellen (2), mit wenigstens einem zwischen den Batterieeinzelzellen (2) angeordneten gewellten Wärmeleitblech (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (4) elektrisch gegenüber den Batterieeinzelzellen (2) isoliert ausgeführt ist, und dass das wenigstens eine Wärmeleitblech (4) mit wenigstens einem von einem Kühlmedium durchströmten Leitungselement (5) in direkter thermischer Verbindung steht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leitungselement (5) an dem wenigstens einen Wärmeleitblech (4) senkrecht oder winklig zu den Achsen der zylindrischen Batterieeinzelzellen (2) angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass die winklige Anordnung einen Winkel von maximal 45 Grad gegenüber der Senkrechten aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wärmeleitblech (4) aus mehreren miteinander verbundenen welligen Abschnitten ausgebildet ist, wobei sich jeder der welligen Abschnitte entlang einer Reihe oder zwischen zwei Reihen von zylindrischen Batterieeinzelzellen (2) erstreckt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) genau ein Wärmeleitblech (4) aufweist, und mit diesem senkrecht zu den Achsen der Batterieeinzelzellen (2) zu einer Einheit verspannt ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannung durch Verspannen in einem Batteriegehäuse (9) realisiert ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannung durch Verspannen auf einer Fixerplatte realisiert ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmedium ist, welches durch die Leitungselemente (5) und ein unabhängig von der Batterie (1) ausgebildetes Kühlsystem zirkuliert.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolation durch eine auf dem wenigstens einen Wärmeleitblech (4) angeordnete elektrisch isolierende Schicht realisiert ist.
Verwendung einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kühlung einer Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.