DE102022128908A1

DE102022128908A1 - Batteriezelle und flüssigkeitsgekühlte Batterie

Info

Publication number: DE102022128908A1
Application number: DE102022128908.7A
Authority: DE
Inventors: Tim Schmidt; Markus Göhring; Benjamin Passenberg; Gorazd Balejik
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2024-05-02
Also published as: GB2626067A; GB202316721D0; CN221239670U; US20240145818A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle (100) umfassend ein Zellgehäuse (1) mit einer ersten Seitenwand (111) und einer zu der ersten Seitenwand (111) parallelen zweiten Seitenwand (112), wobei an einer Außenseite der ersten Seitenwand (111) und/oder an einer Außenseite der zweiten Seitenwand (112) eine durch die jeweilige Seitenwand (111,112) gebildete hervorstehende Abstandshalterstruktur (3,4) vorhanden ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Flüssigkeitsgekühlte Batterie (200) umfassend mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen (100), die derart gestapelt sind, dass jeweils die zweite Seitenwand (112) einer ersten Batteriezelle (100) an der ersten Seitenwand (111) einer benachbarten zweiten Batteriezelle (100) anliegt und durch eine Abstandshalterstruktur (4) der zweiten Seitenwand (112) der ersten Batteriezelle (100) und/oder eine Abstandshalterstruktur (3) der ersten Seitenwand (111) der zweiten Batteriezelle (100) zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (100) jeweils mindestens ein Zwischenraum (7) ausgebildet ist, der eingerichtet ist, im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit (K) durchströmt zu werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die ein Zellgehäuse mit einer ersten Seitenwand und einer zu der ersten Seitenwand parallelen zweiten Seitenwand umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine flüssigkeitsgekühlte Batterie, insbesondere eine flüssigkeitsgekühlte Traktionsbatterie, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst.
Aus der WO 2015/132786 A1 ist eine Batterie bekannt, die mehrere Batteriezellen umfasst, welche jeweils eine erste Seitenwand und eine zu der ersten Seitenwand parallele zweite Seitenwand aufweisen und derart gestapelt sind, dass sich die zweite Seitenwand einer ersten Batteriezelle und die erste Seitenwand einer benachbarten zweiten Batteriezelle gegenüberstehen. Zwischen den gegenüberstehenden Seitenwänden benachbarter Batteriezellen ist ein jeweils separates Abstandshalterelement angeordnet, an dem die gegenüberliegenden Seitenwände der beiden benachbarten Batteriezellen anliegen, sodass die benachbarten Batteriezellen durch das Abstandshalterelement fest positioniert sind. Das Abstandshalterelement ist hierbei derart ausgebildet, dass durch das Abstandshalterelement zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen mehrere Zwischenräume ausgebildet sind, die im Betrieb der Batterie zur Kühlung der Batteriezellen von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Die Abstandshalterelemente schaffen folglich eine zuverlässige Positionierung und ermöglichen gleichzeitig eine effiziente Kühlung der Batteriezellen. Aufgrund der Vielzahl von Abstandshalterelementen ist die Herstellung der beschriebenen Batterie jedoch relativ aufwendig und daher relativ kostenintensiv.
Es stell sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine relativ kostengünstige Herstellung einer Batterie mit effizient gekühlten Batteriezellen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst ein im Allgemeinen mehrteiliges Zellgehäuse mit einer ersten Seitenwand und einer zu der ersten Seitenwand parallelen zweiten Seitenwand, welche vorzugsweise durch ein gleiches Gehäuseteil des Zellgehäuses gebildet sind. Das Zellgehäuse umschließt eine Zellkammer, in welcher die Aktivmaterialien der Batteriezelle angeordnet sind, und ist im Allgemeinen luftdicht verschlossen. Das Zellgehäuse ist vorzugsweise in Form eines länglichen Quaders ausgebildet. Das Zellgehäuse umfasst vorzugsweise ein als Hohlprofil ausgebildetes Gehäuseteil, welches die beiden parallelen Seitenwände bildet.
Erfindungsgemäß ist an einer Außenseite der ersten Seitenwand und/oder an einer Außenseite der zweiten Seitenwand eine durch die jeweilige Seitenwand gebildete, also einstückig mit der jeweiligen Seitenwand ausgebildete, hervorstehende Abstandshalterstruktur vorhanden. Durch die an der Außenseite mindestens einer der beiden Seitenwände ausgebildete hervorstehende Abstandshalterstruktur wird zwischen zwei Batteriezellen einer Batterie, die derart angeordnet sind, dass die zweite Seitenwand einer ersten Batteriezelle an der ersten Seitenwand einer benachbarten zweiten Batteriezelle anliegt, mindestens ein Zwischenraum gebildet, welcher im Betrieb der Batterie von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. Die mindestens eine Abstandshalterstruktur ermöglicht daher eine zuverlässige Positionierung der Batteriezellen innerhalb der Batterie und gleichzeitig eine effiziente Kühlung der Batteriezellen im Betrieb der Batterie, ohne dass hierfür zusätzliche Abstandshalterelemente vorgesehen werden müssen. Ferner wird durch die einstückig mit der Seitenwand ausgebildete Abstandshalterstruktur eine relativ große Gehäuseaußenoberfläche geschaffen und somit ein besonders effizienter Wärmeaustausch mit der die Batteriezelle im Betrieb der Batterie umströmenden Kühlflüssigkeit ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit der in das Zellgehäuse integrierten Abstandshalterstruktur ermöglich daher eine relativ kostengünstige Herstellung einer Batterie mit effizient gekühlten Batteriezellen.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist die mindestens eine Abstandshalterstruktur mehrere parallele Rippen auf, durch die zwischen den Seitenwänden benachbarter Batteriezellen mindestens ein länglicher axial durchströmbarer Zwischenraum gebildet wird. Vorzugweise weist die Abstandshalterstruktur eine Vielzahl von Rippen auf, durch die zwischen den Seitenwänden benachbarter Batteriezellen mehrere längliche axial durchströmbare Zwischenräume gebildet werden. Die länglichen Zwischenräume ermöglichen eine besonders gleichmäßige Kühlflüssigkeitsströmung zwischen den Seitenwänden benachbarter Batteriezellen und somit eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen.
Vorzugsweise sind die Rippen parallel zu einer Längsachse der Batteriezelle ausgebildet, sodass ein Gehäuseteil, welches die die Abstandshalterstruktur aufweisende Seitenwand bildet, kostengünstig als Strangpressprofil hergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist an der Außenseite der ersten Seitenwand eine erste Abstandshalterstruktur vorhanden und ist an der Außenseite der zweiten Seitenwand eine zweite Abstandshalterstruktur vorhanden, also auf den Außenseiten beider paralleler Seitenwände jeweils eine Abstandshalterstruktur vorhanden.
Vorzugsweise sind die Rippen der ersten Abstandshalterstruktur parallel zu den Rippen der zweiten Abstandshalterstruktur ausgebildet, und sind die Rippen der ersten Abstandshalterstruktur und die Rippen der zweiten Abstandshalterstruktur derart angeordnet, dass sich in einer Parallelprojektion der beiden Abstandshalterstrukturen auf eine parallel zu den Außenseiten der beiden Seitenwände verlaufende Projektionsebene Rippen der ersten Abstandshalterstruktur zwischen Rippen der zweiten Abstandshalterstruktur befinden. Durch die ineinandergreifenden Rippen der Abstandshalterstrukturen der benachbarten Batteriezellen wird ein Verrutschen der Batteriezellen in einer Querrichtung der Rippen verhindert und somit eine besonders zuverlässige Positionierung der Batteriezellen erzielt.
Eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezelle, im Speziellen der innerhalb des Zellgehäuses angeordneten Aktivmaterialien, kann realisiert werden, indem die beiden Seitenwände in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle jeweils aus einem Metall, also aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit, bestehen. Ferner wird durch die aus Metall bestehenden Seitenwände auch ein relativ robustes Zellgehäuse geschaffen.
Eine besonders kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle und somit einer mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfassenden Batterie wird ermöglicht, indem die beiden Seitenwände in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle durch ein einziges als Strangpressprofil ausgebildetes Gehäuseteil gebildet sind. Vorzugsweise ist das Strangpressprofil als Hohlprofil mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, welches insgesamt vier Seitenwände des Zellgehäuses bildet.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine flüssigkeitsgekühlte Batterie gelöst, die mehrere der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst, wobei die Batteriezellen derart gestapelt sind, dass jeweils die zweite Seitenwand einer ersten Batteriezelle an der ersten Seitenwand einer benachbarten zweiten Batteriezelle anliegt und durch eine Abstandshalterstruktur der zweiten Seitenwand der ersten Batteriezelle und/oder eine Abstandshalterstruktur der ersten Seitenwand der zweiten Batteriezelle zwischen zwei benachbarten Batteriezellen jeweils mindestens ein Zwischenraum ausgebildet ist, der eingerichtet ist, im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit durchströmt zu werden. Hierbei sei explizit darauf hingewiesen, dass die Merkmale „erste Seitenwand“ und „zweite Seitenwand“ hier im Sinne von „die eine Seitenwand“ und „die andere Seitenwand“ zu verstehen sind. Es könnte also gleichermaßen auch die erste Seitenwand der ersten Batteriezelle an der zweiten Seitenwand der zweiten Batteriezelle anliegen.
Durch die in das Zellgehäuse integrierte Abstandshalterstruktur der erfindungsgemäßen Batteriezellen kann die erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Batterie relativ kostengünstig hergestellt werden, wobei aufgrund des durch die mindestens eine Abstandshalterstruktur zwischen zwei benachbarten Batteriezellen jeweils ausgebildeten mindestens einen Zwischenraums eine effiziente Kühlung der Batteriezellen mittels einer im Betrieb der flüssigkeitsgekühlten Batterie durch den mindestens einen Zwischenraum strömenden Kühlflüssigkeit erzielt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle,
2 eine Draufsicht auf eine Stirnseite der Batteriezelle aus 1,
3 einen Ausschnitt einer Parallelprojektion von Abstandshalterstrukturen der in 1 und 2 dargestellten Batteriezelle,
4 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Batterie mit einem Batteriezellstapel, der mehrere der in 1 und 2 dargestellten Batteriezellen umfasst,
5 eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Batteriezellstapels aus 4, und
6 Eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des Batteriezellstapels aus 5, in welchem durch Abstandshalterstrukturen benachbarter Batteriezellen des Batteriezellstapels gebildete Zwischenräume dargestellt sind.

1 und 2 zeigen verschiedene Darstellungen einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 100. Die Batteriezelle 100 ist in Form eines länglichen Quaders ausgebildet und umfasst ein fluiddichtes Zellgehäuse 1 in dem sich hier nicht dargestellte Aktivmaterialien der Batteriezelle 100 befinden.
Das Zellgehäuse 1 umfasst ein als hohles Strangpressprofil ausgebildetes Gehäuseteil 11 mit einem rechteckigen Querschnitt, welches eine erste Seitenwand 111, eine zweite Seitenwand 112, eine dritte Seitenwand 113 und eine vierte Seitenwand 114 des Zellgehäuses 1 bildet. Das Gehäuseteil 11 besteht aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium.
Das Zellgehäuse 1 umfasst ferner zwei Deckel 12, welche jeweils eine der beiden offenen Stirnseiten des Gehäuseteils 11 fluiddicht verschließen. Aus beiden Deckeln 12 ragt jeweils ein Kontaktierungselement 2 zur elektrischen Kontaktierung der im Zellgehäuse 1 befindlichen Aktivmaterialien der Batteriezelle 100 heraus.
Die erste Seitenwand 111 weist an ihrer Außenseite eine durch die erste Seitenwand 111 gebildete hervorstehende erste Abstandshalterstruktur 3 auf, und die zweite Seitenwand 112 weist an ihrer Außenseite eine durch die zweite Seitenwand 112 gebildete hervorstehende zweite Abstandshalterstruktur 4 auf. Die beiden Abstandshalterstrukturen 3, 4 weisen jeweils mehrere Rippen 31, 41 auf, die alle parallel zu einer Längsachse L der Batteriezelle 100 ausgebildet sind. Im Speziellen weist die erste Abstandshalterstruktur 3 elf Rippen 31 und die zweite Abstandshalterstruktur 4 zwölf Rippen 41 auf.
3 zeigt einen Ausschnitt einer Parallelprojektion der beiden Abstandshalterstrukturen 3, 4 auf eine parallel zu der Außenseite der ersten Seitenwand 111 und der Außenseite der zweiten Seitenwand 112 verlaufende Projektionsebene. Wie hier erkennbar ist, sind die Rippen 31 der ersten Abstandshalterstruktur 3 und die Rippen 41 der zweiten Abstandshalterstruktur 4 derart angeordnet, dass sich in der dargestellten Parallelprojektion Rippen 31 der ersten Abstandshalterstruktur 3 zwischen Rippen 41 der zweiten Abstandshalterstruktur 4 befinden.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Batterie 200 mit einem Batteriegehäuse 5, das einen Kühlflüssigkeitseinlass 51 und einen Kühlflüssigkeitsauslass 52 aufweist.
In dem Batteriegehäuse 5 ist ein Batteriezellstapel 6 angeordnet, der vier erfindungsgemäße Batteriezellen 100 umfasst. Die Batteriezellen 100 sind in dem Batteriezellstapel 6 derart gestapelt, dass jeweils die zweite Seitenwand 112 einer ersten Batteriezelle 100, beispielsweise die erste Batteriezelle 100 ausgehend von der linken Seite in 5, an der ersten Seitenwand 111 einer benachbarten zweiten Batteriezelle 100, beispielsweise die zweite Batteriezelle 100 ausgehend von der linken Seite in 5, anliegt, sodass durch die an der zweiten Seitenwand 112 der ersten Batteriezelle 100 ausgebildete zweite Abstandshalterstruktur 4 der ersten Batteriezelle 100 und die an der ersten Seitenwand 111 der zweiten Batteriezelle 100 ausgebildete erste Abstandshalterstruktur 3 der zweiten Batteriezelle 100 zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 100 jeweils eine Vielzahl von Zwischenräumen 7 ausgebildet ist.
Die flüssigkeitsgekühlte Batterie 200 ist derart eingerichtet, dass im Betrieb der flüssigkeitsgekühlten Batterie 200 eine Kühlflüssigkeit K, wie in 4 über die Pfeile dargestellt, von dem Kühlflüssigkeitseinlass 51 durch das Batteriegehäuse 5 hindurch zu dem Kühlflüssigkeitsauslass 52 strömen kann, wobei die Kühlflüssigkeit K insbesondere auch parallel zur Längsachse L der Batteriezellen 100 durch die Vielzahl von zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 100 jeweils durch die Abstandshalterstrukturen 3, 4 der beiden benachbarten Batteriezellen 100 ausgebildeten Zwischenräume 7 hindurch strömen kann, um die Batteriezellen 100 effizient zu kühlen.
Bezugszeichenliste

100: Batteriezelle
1: Zellgehäuse
11: Gehäuseteil
111: erste Seitenwand
112: zweite Seitenwand
113: dritte Seitenwand
114: vierte Seitenwand
12: Deckel
2: Kontaktierungselement
3: erste Abstandshalterstruktur
31: Rippen
4: zweite Abstandshalterstruktur
41: Rippen
200: flüssigkeitsgekühlte Batterie
5: Batteriegehäuse
51: Kühlflüssigkeitseinlass
52: Kühlflüssigkeitsauslass
6: Batteriezellstapel
7: Zwischenräume
K: Kühlflüssigkeit
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015132786 A1 [0002]

Claims

Batteriezelle (100) umfassend ein Zellgehäuse (1) mit einer ersten Seitenwand (111) und einer zu der ersten Seitenwand (111) parallelen zweiten Seitenwand (112), dadurch gekennzeichnet, dass an einer Außenseite der ersten Seitenwand (111) und/oder an einer Außenseite der zweiten Seitenwand (112) eine durch die jeweilige Seitenwand (111, 112) gebildete hervorstehende Abstandshalterstruktur (3, 4) vorhanden ist.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Abstandshalterstruktur (3, 4) mehrere parallele Rippen (31, 41) aufweist.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 2, wobei die Rippen (31, 41) parallel zu einer Längsachse (L) der Batteriezelle (100) ausgebildet sind.
Batteriezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Außenseite der ersten Seitenwand (111) eine erste Abstandshalterstruktur (3) vorhanden ist und an der Außenseite der zweiten Seitenwand (112) eine zweite Abstandshalterstruktur (4) vorhanden ist.
Batteriezelle (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3 und nach Anspruch 4, wobei die Rippen (31) der ersten Abstandshalterstruktur (3) parallel zu den Rippen (41) der zweiten Abstandshalterstruktur (4) ausgebildet sind und wobei die Rippen (31) der ersten Abstandshalterstruktur (3) und die Rippen (41) der zweiten Abstandshalterstruktur (4) derart angeordnet sind, dass sich in einer Parallelprojektion der beiden Abstandshalterstrukturen (3, 4) auf eine parallel zu den Außenseiten der beiden Seitenwände (111, 112) verlaufende Projektionsebene Rippen (31) der ersten Abstandshalterstruktur (3) zwischen Rippen (41) der zweiten Abstandshalterstruktur (4) befinden.
Batteriezelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Seitenwände (111, 112) jeweils aus einem Metall bestehen.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 6, wobei die beiden Seitenwände durch ein einziges als Strangpressprofil ausgebildetes Gehäuseteil (11) gebildet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Batterie (200) umfassend mehrere Batteriezellen (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (100) derart gestapelt sind, dass jeweils die zweite Seitenwand (112) einer ersten Batteriezelle (100) an der ersten Seitenwand (111) einer benachbarten zweiten Batteriezelle (100) anliegt und durch eine Abstandshalterstruktur (4) der zweiten Seitenwand (112) der ersten Batteriezelle (100) und/oder eine Abstandshalterstruktur (3) der ersten Seitenwand (111) der zweiten Batteriezelle (100) zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (100) jeweils mindestens ein Zwischenraum (7) ausgebildet ist, der eingerichtet ist, im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit (K) durchströmt zu werden.