DE102010029872A1

DE102010029872A1 - Batteriebaugruppe für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102010029872A1
Application number: DE102010029872A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Stephan Dr. Köster; Florian Wieschollek
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-01-05
Also published as: US8524387B2; CN101944643B; CN101944643A; US20110003187A1

Abstract

Batteriebaugruppe für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, umfassend
– ein Zellmodul, bestehend aus einer Mehrzahl von Speicherzellen, die jeweils ein prismatisches Zellgehäuse mit zwei parallel zueinander angeordneten Großflächen und vier schmalen Seitenflächen aufweisen, wobei
• die prismatischen Zellgehäuse mit ihren parallel zueinander angeordneten Großflächen übereinanderliegend stapelartig angeordnet sind,
• jeweils eine der schmalen Seiten des prismatischen Zellgehäuses den Zellgehäuseboden einer Speicherzelle bildet und
• der Zellgehäuseboden jeder Speicherzelle jeweils Teil des Zellmodulbodens ist;
– eine Kühleinrichtung, bestehend aus einem plattenförmigen Kühlkörper mit einer oder mehreren Aussparungen,
– ein oder mehrere Befestigungsmittel, die in den Zellmodulboden integriert sind und mit einer entsprechenden Anzahl an Aussparungen des Kühlkörpers korrespondieren und dabei den Kühlkörper an das Zellmodul fixieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriebaugruppe für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, umfassend ein Zellmodul sowie eine Kühleinrichtung.
Moderne Hybrid- oder Elektrofahrzeuge benötigen Akkumulatoren zum Speichern von elektrischer Energie. Üblicherweise bestehen solche Akkumulatoren aus einer Batterie von Einzelzellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Sowohl beim Lade- als auch Entladevorgang solcher Akkumulatoren entsteht Verlustwärme innerhalb der einzelnen Speicherzellen. Für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Speicherzellen ist es wichtig, die Verlustwärme abzuführen, damit die Batterie innerhalb eines definierten Temperaturbereichs betrieben wird. Weiterhin darf die Temperaturspreizung, sowohl über die einzelne Zelle als auch über die gesamte Batterie, nicht zu groß werden.
Eine natürliche Wärmeabfuhr per Konvektion oder Strahlung an die Umgebung kann der Forderung nach Gleichmäßigkeit auf Grund der hohen Zelldichte innerhalb der Batterie und des umschließenden Gehäuses nicht gerecht werden. Des Weiteren dürfen bestimmte maximale Betriebstemperaturen der Zellen nicht über längere Zeiträume überschritten werden. Bei warmer Witterung wird es daher notwendig, die Wärme unter Beibehaltung eines Temperaturniveaus unterhalb der Umgebungstemperatur abzuführen. Um den Anforderungen der Speicherzellen an Temperaturniveau und Temperaturverteilung gerecht zu werden, benötigen elektrische Akkumulatoren für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge aktive Kühleinrichtungen. Im Stand der Technik gibt es bereits Kühlkörper, die integrales Bauteil einer Speicherbatteriebaugruppe sind.
In jüngster Zeit werden vermehrt Speicherzellen entwickelt, die aus geometrischer Sicht nicht mehr der klassischen zylindrischen Bauform entsprechen, sondern einer prismatischen Bauform. Mit prismatischen Zellen lässt sich durch stapelartige Zellanordnung das Volumen des Batteriegehäuses besser ausnutzen als mit zylindrischen Zellen. Andererseits benötigen prismatische Zellen häufig eine starke Verpressung der zwei Großflächen in paralleler Richtung zur Dicke. Eine entsprechende Verspannvorrichtung pro Modul, das heißt eine Zusammenfassung von mindestens zwei Zellen zu einer Einheit, oder ganzer Batterien kann mit dem Bauraum der Kühleinrichtung kollidieren und muss daher bei der Konstruktion Berücksichtigung finden. Diese Besonderheiten machen die Adaption bekannter, für zylindrische Zellen geeigneter Kühleinrichtungen zwar nicht unmöglich, oft kann aber der besondere Vorteil prismatischer Zellen, die Möglichkeit zu einer volumeneffizienten Zellanordnung, nicht ausgenutzt werden.
Aus der DE 10 2004 005 393 A1 ist ein elektrochemischer Energiespeicher bekannt, der mit Wärmeaustauschereinheiten und mehreren elektrochemischen Speicherzellen, die zwischen den Wärmeaustauschereinheiten angeordnet sind, versehen ist. Dieser Energiespeicher basiert sinngemäß auf dem Prinzip eines Plattenwärmeübertragers. In Stapelbauweise wechseln Lagen aus Speicherzellen und gekühlten Plattenelementen einander ab. Die von einem Kühlmedium durchströmten Plattenelemente bestehen hier aus mehreren parallel angeordneten Flachrohren, die entsprechend der zylindrischen Kontur der Zellen wellenförmig verformt sind. Die 12 in der Druckschrift DE 10 2004 005 393 A1 zeigt einen Stapel aus zwei Kühlplatten und zwei Ebenen aus zylindrischen Speicherzellen. Die Wärme der Zellen wird nahezu über die gesamte Mantelfläche abgegeben.
Die DE 10 2006 010 063 A1 schlägt eine Sockelhalterung für mehrere zylindrische Speicherzellen vor, die von einem Kühlmedium durchströmt wird. Die Zellen werden mit ihrem Fußende in eine Halterung gesteckt, so dass die Wärme über die untere Stirnfläche und über einen unteren schmalen Teil der Mantelfläche abgegeben wird.
Im Falle der Stapelbauweise mit prismatischen Zellen kann es durch die erhöhte Spannkraft, die bei prismatischen Zellen in Stapelrichtung erforderlich ist, zu Beschädigungen an den Kühlelementen aus Flachrohren oder Platten kommen. Im Falle von einer Sockelhalterung mit prismatischen Zellen existiert ein spaltförmiger Zwischenraum zwischen den Zellen eines Moduls. Bei prismatischen Zellen müssten diese Spalten mit zusätzlichem Material ausgefüllt werden, um beim Verpressen der Zellmodule Biegeerscheinungen und damit die Zerstörung von Zellen und oder dem Sockel zu verhindern. Oft können die Batterieunterbaugruppen, das Zellmodul und die Kühleinrichtung, nicht getrennt voneinander hergestellt beziehungsweise fertiggestellt werden. Dies erhöht die Komplexität der Batteriefertigung und birgt Risiken bei der Funktionsüberprüfung, insbesondere dann, wenn beispielsweise die Dichtheitsprüfung der Kühleinrichtung erst an der fertig montierten Batterie erfolgen kann.
Die US 2003/0017384 A1 beschreibt einen Batteriestapel aus einer Vielzahl von prismatischen Batterien, die in einem parallelen und integralen Bund angeordnet sind. Eine prismatische Batterie enthält jeweils eine Elektrodenplattengruppe und einen Elektrolyten, der in einem prismatischen Batteriegehäuse untergebracht ist. Eine Metallplatte ist integral in die Seitenwand der prismatischen Batterie eingebettet, welche parallel zur Elektrodenplattengruppe angeordnet ist. Ein Wärmeübergangsbereich, der aus dem prismatischen Batteriegehäuse herausragt, ist auf mindestens einer Seite der Metallplatte vorgesehen. Ein Wärmeübertrager wird zur Verfügung gestellt, indem eine Wärmeübertrageroberfläche des Wärmeübertragers mit dem Wärmeübertragungsbereich, der aus dem prismatischen Batteriegehäuse der prismatischen Batterie herausragt, in Kontakt gebracht wird. Danach werden der Batteriestapel und der Wärmeübertrager befestigt. Die Befestigung des Wärmeübertragers erfolgt über zwei Montageplatten, die gleichzeitig dem Zusammenhalt des Batteriestapels dienen. Dazu ragen jeweils ein Paar Vorsprünge aus den beiden unteren Enden einer prismatischen Zelle heraus. Im Zellstapel werden Vorsprünge jeweils eines der unteren Enden der gestapelten Zellen mit Hilfe einer Montageplatte durch Schrauben fixiert. Eine zweite Montageplatte fixiert die Vorsprünge der jeweils anderen Enden der Zellen. Im Ergebnis sind die prismatischen Zellen dicht befestigt und als Batteriestapel zusammengefügt. Die Montageplatten dienen gleichzeitig als Trägereinrichtung für den Wärmeübertrager.
In der DE 10 2007 063 176 A1 ist eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie beschrieben, welche mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, die wärmeleitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, die mit Aussparungen im Bereich von Polen der Einzelzellen versehen ist, durch die die Pole der Einzelzellen hindurchragen. Dabei weist die Wärmeleitplatte eine der Anzahl der Pole oder Polpaare entsprechende Anzahl von Aussparungen auf, wobei zumindest in einem der Pole der jeweiligen Einzelzelle eine Einfüllöffnung für den Elektrolyt integriert ist.
In der DE 10 2008 016 936 A1 ist eine elektrochemische Energiespeichereinheit offenbart, die eine Mehrzahl von Flachzellen umfasst. Die Mehrzahl der Flachzellen sind mit ihren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten flachen Seiten stapelartig übereinander angeordnet. Zumindest ein Kühlblech ist dabei zwischen zwei benachbarten Flachzellen angeordnet, wobei das Kühlblech an zumindest einer Stelle abgewinkelt ist. Des Weiteren ist als Kühler eine Wärmesenke vorgesehen, mit der das zumindest eine Kühlblech zumindest thermisch kontaktiert und die ihrerseits Aussparungen aufweist. Die Wärmesenke besteht aus Flachrohren, durch die ein Kältemittel oder Kühlmittel beziehungsweise ein anderes Fluid strömt, wobei die Aussparungen für die Aufnahme von Stiften einer Kunststoffschiene vorgesehen sind, die anschließend zu Nietköpfen ausgeformt werden können, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht. Die Kunststoffschiene wird durch Festclipsen, Kleben oder Umspritzen an das jeweilige Kühlblech angebracht. Um die Stabilität weiter zu erhöhen, können die Stifte in Verstärkungselementen geführt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriebaugruppe bereitzustellen, die nicht nur den Anforderungen der Zellen, Zellmodule und Zellbatterien an eine gleichmäßige Temperaturverteilung gerecht wird, sondern durch eine besonders einfache Konstruktion auch Anforderungen bezüglich Bauraum, technischer Flexibilität, einfacher Herstellbarkeit sowie Montage und damit Kosten erfüllt. Des Weiteren soll die Kühleinrichtung als separates Bauteil, unabhängig von den Speichermodulen oder anderen Batteriebauteilen, endfertig herstellbar sein.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in einer Batteriebaugruppe für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, umfassend

– ein Zellmodul, bestehend aus einer Mehrzahl von Speicherzellen, die jeweils in einem prismatischen Zellgehäuse mit zwei parallel zueinander angeordneten Großflächen und vier schmalen Seitenflächen untergebracht sind, wobei
• die prismatischen Zellgehäuse mit ihren parallel zueinander angeordneten Großflächen übereinanderliegend stapelartig angeordnet sind,
• jeweils eine der schmalen Seiten des prismatischen Zellgehäuses den Zellgehäuseboden einer Speicherzelle bildet und
• der Zellgehäuseboden jeder Speicherzelle jeweils Teil des Zellmodulbodens ist;
– eine Kühleinrichtung, bestehend aus einem plattenförmigen Kühlkörper mit einer oder mehreren Aussparungen, und
– ein oder mehrere Befestigungsmittel, die in den Zellmodulboden integriert sind und mit einer entsprechenden Anzahl an Aussparungen des Kühlkörpers korrespondieren und dabei den Kühlkörper an das Zellmodul fixieren.

Tendenziell fällt bei prismatischen Speicherzellen weniger Verlustwärme an als bei zylindrischen Speicherzellen. Gleichzeitig kann die Wärmeleitfähigkeit der Zelle, durch geschicktes Einbringen der Elektroden-Dielektrikum-Wickel, in Richtung der Zellhöhe optimiert werden. Damit wird es möglich, die gesamte Verlustwärme einer Speicherzelle allein über die Bodenfläche des Zellgehäuses abzuführen, ohne dass der Temperaturverlauf innerhalb der Speicherzelle zu unzulässig hohen Temperaturabständen führt. Unter diesen Voraussetzungen wird erfindungsgemäß eine Kühleinrichtung aus einem plattenförmigen Kühlkörper vorgeschlagen, der an die Unterseite eines Zellmoduls angebracht wird. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriebaugruppe besteht darin, dass diese durch den plattenförmigen Aufbau des Kühlkörpers mit integrierter Montageeinrichtung platzsparend ausgebildet ist.
Die Erfindung ermöglicht die einfache Montage des plattenförmigen Kühlkörpers an vormontierte Zellmodule, die vorzugsweise über eine Verspanneinrichtung bereits vorverspannt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Batteriebaugruppe einem Baukastensystem entspricht, bei dem die Hauptbauteile von der Zellmodul- und Batteriegröße sowie von der kälteseitigen Verschaltung unabhängig sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriebaugruppe sind die Befestigungsmittel in den Zellmodulboden integriert, indem die Zellgehäuse mindestens ein bodenseitig integriertes Befestigungsmittel aufweisen. Speicherzellengehäuse mit am Gehäuseboden integrierten Befestigungsmitteln verringern die Anzahl der Teile und die Komplexität der Montage und damit die Kosten bei gleichzeitig erhöhter Prozesssicherheit bei der Montage und erhöhter Funktionssicherheit im Betrieb. Dabei können die am Speicherzellengehäuse integrierten Befestigungsmittel sowohl halbe Nieten als auch Clips, Ösen, Laschen und Ähnliches sein. Die Befestigungsmittel korrespondieren vorzugsweise mit solchen Aussparungen im plattenförmigen Kühlkörper, die als Durchbrüche ausgebildet sind.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Befestigungsmittel in den Zellmodulboden integriert, indem der Zellstapel des Zellmoduls um mindestens ein zwischen zwei Speicherzellen angeordnetes Zwischenblech erweitert ist, das bodenseitig des Zellmoduls mindestens ein Befestigungsmittel hervorstehen lässt. Bevorzugt sind in dieser Variante fahnenartige Befestigungsmittel mit endseitiger Bördelung vorgesehen. Die Anwendung halber Nieten wie im oben genannten Ausführungsbeispiel ist jedoch ebenso möglich. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung in allen ihren Ausführungsformen besteht darin, dass die Herstellung und die Montage der Batterieunterbaugruppen, das heißt des Zellmoduls und der Kühleinrichtung, völlig getrennt und unabhängig voneinander erfolgen können. Durch das Vorsehen von Zwischenblechen kann eine Kühleinrichtung auch kompatibel zu Speicherzellen ohne integrierte Befestigungsmittel sein. Ist keine Zellmodulverspannung vorgesehen, kommen vorzugsweise Zwischenbleche mit kopfseitigen Abkantungen zum Einsatz, wobei die Abkantungen jeweils auf der Kopfseite eines Zellgehäuses aufliegen. Durch Zwischenbleche mit kopfseitigen Abkantungen besteht eine Kompatibilität zu unverspannten Zellmodulen. Dabei dienen die kopfseitigen Abkantungen als Auflager in Zugrichtung.
In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante sind Befestigungsmittel in den Zellmodulboden integriert, indem schraubenartige Zugstreben ähnlich wie Fahrradspeichen mit einem Schraubenkopf am ersten Ende und einem Außengewinde am zweiten Ende durch Kanäle in einem Zellmodulrahmen oder zwischen den einzelnen Speicherzellen zum Kühlkörper geführt sind. Dieser ist gemäß dieser Ausführungsvariante mit korrespondierenden Gewindebohrungen als Aussparungen versehen, wobei der Zellmodulrahmen oder die Kopfseiten der Zellgehäuse als Auflager für die Schraubenköpfe der schraubenartigen Zugstreben dienen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist neben der Montageeinrichtung auch die Integration einer Verspanneinrichtung für das flächige Anpressen des Kühlkörpers an das Zellmodul vorgesehen. Für das flächige Anpressen des Kühlkörpers an den Zellmodulboden sind auf der Unterseite des Kühlkörpers ein oder mehrere Spannelemente angeordnet. Die Spannelemente weisen dabei Durchbrüche auf, die mit den Befestigungsmitteln des Zellmoduls korrespondieren, wobei die Höhe und der Querschnitt eines jeden Spannelements neben seinen Materialeigenschaften von der Breite und der Anzahl der Befestigungsmittel pro Speicherzelle oder pro Zwischenblech oder der Anzahl und der Breite von gegebenenfalls verwendeten Zugstreben abhängt.
Durch die Anwendung einer Montage- und Verspanneinrichtung wird der thermische Kontakt jeder einzelnen Speicherzelle mit dem plattenförmigen Kühlkörper durch separate und multiple Verspannpunkte gewährleistet. Vorteilhafterweise erfolgt eine einfache und gleichzeitige Fixierung und Verspannung des plattenförmigen Kühlkörpers mit Schiebeelementen, die verliersicher über Führungen an dem plattenförmigen Kühlkörper vormontiert sind. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Unempfindlichkeit der Batteriebaugruppe gegenüber thermischen Ausdehnungen durch einseitige Verspannung und Fixierung des plattenförmigen Kühlkörpers mit den Speicherzellen.
Ein Spannelement sollte vorzugsweise nicht breiter als eine oder zwei Zelltiefen und so lang wie eine Speicherzelle breit sein. Alternativ können die Spannelemente jedoch auch breiter ausgeführt sein, so dass sie mehrere Speicherzellen oder ein ganzes Zellmodul gleichzeitig fixieren und gegen den Kühlkörper anpressen können. Das Spannelement weist vorzugsweise entsprechend den Befestigungsmitteln an der Speicherzelle beziehungsweise dem Zellmodul Durchbrüche auf, die seitlich in eine T-Nut übergehen. Durch die Durchbrüche kann das Spannelement über die Befestigungsmittel hinweg flächig auf den Kühlkörper aufgesetzt werden. Durch seitliches Verschieben der Spannelemente gelangen die Köpfe der Befestigungsmittel in die T-Nut. Die Kontaktfläche der T-Nut ist vorzugsweise schräg (als schiefe Ebene) ausgebildet. Dadurch werden das Spannelement und die Befestigungsmittel respektive Speicherzellen beziehungsweise Zellmodul gegeneinander gezogen. Alternativ können auch die Kontaktfläche eines gegebenenfalls vorhandenen Kopfes des Befestigungsmittels oder beide Flächen schräg in Form einer schiefen Ebene ausgebildet sein. Hat das Spannelement seine Endlage erreicht, sind die Zellgehäuseboden und der Kühlkörper soweit aneinander gepresst, dass deren Flächen einander berühren und die unterbrechungsfreie Wärmeleitung gewährleistet ist.
Ein direktes Berühren der Zellgehäuseboden und der Kühlkörper ist jedoch nicht in jedem Fall erwünscht. Insbesondere bei Kühleinrichtungen, in denen ein Kältemittel direkt verdampft, kann es bei einem Heißstart zu starken Inhomogenitäten der Temperaturverteilung kommen. Dies begründet sich aus der Tatsache, dass bei einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Batteriezellen der übertragene Wärmestrom überproportional stark ansteigt. Der erhöhte Wärmestrom lässt das Kältemittel schon nach kurzer Wegstrecke von der gesamten Länge des Wärmeübertragers vollständig verdampfen. Auf dieser ersten Wegstrecke wird den entsprechenden Speicherzellen sehr viel Wärme entzogen, wodurch diese sehr stark unterkühlen. Auf der zweiten Wegstrecke des Wärmeübertragers kann das gasförmige Kältemittel nur noch sehr wenig Wärme aufnehmen und im weiteren Verlauf, auf Grund des Temperaturausgleichs zwischen Speicherzellen und Kältemittel, sogar gar keine Wärme mehr aufnehmen. Die entsprechenden Zellen auf der zweiten Wegstrecke überhitzen somit sehr stark. Das frühzeitige Austrocknen des Verdampfers führt außerdem zu einem überproportional hohen Druckverlust, was den beschriebenen Effekt noch verstärkt. Um den übertragbaren Wärmestrom von den Speicherzellen in den Verdampfer beziehungsweise in den plattenförmigen Kühlkörper zu beschränken, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine zusätzliche Zwischenschicht im Wärmeübertragungspfad zwischen den Speicherzellen und dem plattenförmigen Kühlkörper vorgesehen. Diese Zwischenschicht kann zum Beispiel aus einer Wärmeleitfolie mit entsprechend schlechten Wärmeleiteigenschaften bestehen. Schlechte Wärmeleiteigenschaften kann man mit entsprechenden Materialien, insbesondere Kunststoff, und/oder über die Dicke der Schicht oder Folie erreichen. Bei dicken flexiblen Wärmeleitschichten/Wärmeleitmatten erschließt sich zudem der Vorteil des Toleranzausgleichs zwischen Speicherzellen und plattenförmigen Kühlkörper.
Der Wärmeübertragungspfad von den Speicherzellen zum plattenförmigen Kühlkörper beinhaltet an der Kontaktstelle zwischen Zellgehäuseböden und Kühlkörper einen Kontaktwiderstand, der klein gehalten werden muss. Üblicherweise werden dazu die bereits erwähnten Wärmeleitfolien verwendet. Damit solche Wärmeleitfolien die gewünschten Eigenschaften entfalten können, werden aber auch bestimmte Anpresskräfte benötigt. Diese können, wie oben beschrieben, durch Mittel zum Spannen am Zellgehäuse oder an Zwischenblechen und durch entsprechende Spannelementen aufgebracht werden. Ist eine solche Spann- und Fixiertechnik nicht applizierbar, dann bedarf es an Alternativen.
Dazu wird der Kühlkörper, wie bereits beschrieben, auf dem Boden des Batteriegehäuses montiert. Statt mit Wärmeleitfolie wird der Kühlkörper mit einem Gel-Kissen oder einer Gel-Matte abgedeckt. Ein solches Gel-Kissen, ähnlich einer Warm-/Kalt-Kompresse in der Medizintechnik, besteht zum Beispiel aus einem Kunststoffbeutel, der mit einem Gel gefüllt ist, das in einem großen Temperaturbereich, auch bei Minustemperaturen, eine dickflüssige Konsistenz aufweist. Die Dicke eines solchen Kissens oder einer solchen Matte ist mit 1 bis 10 mm oder mehr durchaus nennenswert. Über die Dicke der Gel-Matte kann die Charakteristik des Wärmeleitpfades vom Zellboden zum plattenförmigen Kühlkörper vorteilhafterweise exakt eingestellt werden. Durch die nennenswerte Dicke und Flexibilität der Gel-Matte können selbst große Toleranzen ausgeglichen werden, beispielsweise, wenn sich die Zellgehäuseböden eines Moduls nicht bündig auf einer Ebene befinden. Ein weiterer Vorteil der Gel-Matte besteht darin, dass auf eine Verspannung mittels Spannelementen zwischen Zellmodul und Kühlkörper verzichtet oder diese vergleichsweise simpel ausgeführt werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Erfindung reicht das Eigengewicht der Speicherzellen beziehungsweise der Zellmodule in Verbindung mit der hochflexiblen Gel-Matte für eine unterbrechungsfreie Wärmeleitung mit entsprechend geringem Kontakt- oder Übergangswiderstand aus. Die Verwendung von Spannelementen ist aber auch bei Verwendung einer Gel-Matte nicht ausgeschlossen. Alternativ kann auch der Deckel eines für die Batterie vorgesehenen Gehäuses den Zellmodulen Kräfte von oben aufprägen, die für eine adäquate Anpressung, insbesondere beim Auftreten von Vibrationen, sorgt. In einer besonderen Ausgestaltung dieser Alternative werden die Kräfte vom Deckel des Batteriegehäuses über Druckfedern aufgebracht, so dass eine gleichmäßige Anpressung gewährleistet wird und Toleranzen ausgeglichen werden können.
Des Weiteren ist für das Anpressen der Zwischenschicht insbesondere die bereits erwähnte Verbindungstechnik geeignet, bei der die Zellmodule über Zugstreben mit dem Kühlkörper verschraubt sind. Solche Zugstreben können, wie bereits erwähnt, simple Schrauben sein oder Fahrradspeichen ähneln. Fahrradspeichenähnliche Schrauben können durch schmale Bohrungen beziehungsweise Kanäle in einem zusätzlich vorgesehenen Zellmodulrahmen oder zwischen den einzelnen Zellen zum Kühlkörper geführt werden, dessen Grundplatte mit entsprechenden Gewindebohrungen versehen ist. Als Auflager für die Schraubenköpfe dienen die Zellmodulrahmen oder Zellgehäuse, gegebenenfalls über Unterlegscheiben oder gleichwertigen Konstruktionen, zur Krafteinleitung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: eine prismatische Speicherzelle, Stand der Technik,
2: eine prismatische Speicherzelle mit Befestigungselementen,
3: ein Zwischenblech mit Befestigungselementen und die Anordnung mehrerer Zwischenbleche in einem Zellmodul,
4: ein verspanntes Zellmodul,
5: ein Zwischenblech mit fahnenartigen Befestigungsmitteln und endseitiger Bördelung sowie mit kopfseitigen Abkantungen,
6: ein Zwischenblech mit kopfseitigen Abkantungen als Auflager in Zugrichtung zur Unterstützung der Reibkräfte beziehungsweise als Variante für unverpresste Zellmodule,
7: einen Kühlkörper,
8: das Auflegen des Kühlkörpers auf das verspannte Zellmodul,
9a: ein Spannelement,
9b: die Montage des Kühlkörpers an das Zellmodul mit einem ersten Spannelement,
10: die Montage des Kühlkörpers an das Zellmodul, und
11: eine montierte Batteriebaugruppe.
In 1 ist eine prismatische Speicherzelle 1 gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Eine prismatische Speicherzelle 1 ist allgemein in einem prismatischen Zellgehäuse 2 mit zwei parallel zueinander angeordneten Großflächen 3 und vier schmalen Seitenflächen 4, die mit ihrer schmalen Länge die Zelltiefe beziehungsweise Zelldicke definieren, untergebracht. Aus der nach oben gerichteten Seitenfläche 4a, der Kopffläche 4a, ragen die beiden Elektroden 5 der Speicherzelle 1 heraus.
Die 2 zeigt ein prismatisches Zellgehäuse 2 einer Speicherzelle 1 mit integrierten Befestigungsmitteln 6, das zum Beispiel in Form eines Aluminium-Fließpressteils erhältlich ist. Als Vorrichtung zur Befestigung eines Kühlkörpers weisen die prismatischen Zellgehäuse 2 in diesem Ausführungsbeispiel mindestens ein bodenseitiges Befestigungsmittel 6 auf, das heißt ein Befestigungsmittel 6, das auf der nach unten gerichteten, den Zellgehäuseboden 4b bildenden schmalen Seitenfläche 4b, die der Kopffläche 4a des Zellgehäuses parallel gegenüber liegt, ausgebildet ist. Als Befestigungsmittel 6 sind gemäß der Darstellung in 2 vier halbe Nieten 7 vorgesehen.
Sind entsprechende Vorrichtungen nicht an die Zellgehäuse applizierbar, werden die Zellstapel eines Zellmoduls 9, wie in 3 gezeigt, um mindestens ein Zwischenblech 8 erweitert, das bodenseitig des Zellmoduls 9 mindestens ein Befestigungsmittel 6 hervorstehen lässt. Die 3 zeigt ein solches Zellmodul 9 in Form eines Zellstapels, in dem die prismatische Zellgehäuse 4 mit ihren parallel zueinander angeordneten Großflächen 3 übereinanderliegend stapelartig angeordnet sind. Zusätzlich sind zwischen den prismatischen Zellgehäusen 2 benachbarter Speicherzellen 1 Zwischenbleche 8 eingelegt, so dass in dem Zellstapel des Zellmoduls 2 Speicherzellen 1 und Zwischenbleche 8 alternierend übereinanderliegend angeordnet sind. Die Zellgehäuseböden 4b der Speicherzellen 1 bilden dabei gemeinsam mit den Bodenseiten der Zwischenbleche 8 den Zellmodulboden 10, aus dem die Befestigungsmittel 6 herausragen. Gemäß der Darstellung in 3 entsprechen die Befestigungsmittel 6 der Kontur einer halben Niete 7.
Die 4 zeigt ein verspanntes Zellmodul 9. Das Zellmodul 9 besteht aus einer Mehrzahl von Speicherzellen 1, deren prismatische Zellgehäuse 4 mit ihren parallel zueinander angeordneten Großflächen 3 übereinanderliegend stapelartig angeordnet sind, sowie aus zwischen den prismatischen Zellgehäusen der Speicherzellen eingelegten Zwischenblechen 8. Auf diese Weise bilden die prismatischen Zellgehäuse 2 und die Zwischenbleche 8 das Zellmodul 9 in Form eines Zellstapels, in dem die Zellgehäuse 2 der Speicherzellen 1 und die Zwischenbleche 8 alternierend übereinanderliegend angeordnet sind.
Das Zellmodul 9 wird mit Hilfe einer Verspanneinrichtung verspannt. Diese Verspanneinrichtung umfasst gemäß der Darstellung in 4 zunächst zwei Verspannplatten 11 mit jeweils drei horizontal ausgerichteten parallel beabstandeten Verspannkörpern 11a, die jeweils auf den Stirnflächen 12 des Zellmoduls 1 liegen, wobei die Verspannplatten 11 breiter als die Großflächen 3 der Zellgehäuse 2 ausgelegt sind und diese in horizontaler Richtung beidseitig überragen. Dabei sind jeweils die Verspannkörper 11a der Verspannplatten 11, die sich auf den gegenüberliegenden Stirnflächen 12 des Zellmoduls 9 befinden, durch insgesamt sechs Verspannwellen 13 miteinander verbunden, die beidseitig (jeweils drei Verspannwellen auf einer Seite) parallel zu den beiden Längsseiten 14 des Zellmoduls 9 verlaufen. Die beiden Endbereiche 15 der Verspannwellen 13 sind durch Durchbrüche in den Verspannkörpern 11a hindurchgeführt, wobei die beiden Endbereiche 15 entsprechend der Darstellung in 4 als Außengewinde ausgebildet sind, die mit dem Innengewinde von sechskantförmigen Schraubenmuttern 16 als Verspanner 16 korrespondieren. Durch das Verschrauben der Endbereiche 15 der beidseitig parallel zu den Längsseiten 14 des Zellmoduls 9 platzierten Verspannwellen 13 mit den Verspannern 16 erfolgt der Vorgang der Zellmodulverspannung, wobei gemäß der Darstellung in 4 zwischen den Verspannern 16 und Verspannkörpern 11a jeweils Unterlegscheiben 17 platziert sind. Die Zwischenbleche 8 sind nach der Zellmodulverspannung kraftschlüssig zwischen den Speicherzellen 1 fixiert und die Befestigungsmittel 6 somit in der Lage, Zugkräfte in Richtung der Zellhöhe aufzunehmen. Ist keine Modulverspannung vorgesehen, kommen zum Beispiel Zwischenbleche 8 mit kopfseitigen Abkantungen 18 entsprechend 5 zum Einsatz. In einer Variante dieser alternativen Ausführung für die Zwischenbleche 8 liegen die Befestigungsmittel 6 der Zwischenbleche 8 in Form von fahnenartigen Blechstreifen 19 mit endseitiger Bördelung 20 vor. Als entsprechendes Gegenlager liegen die wechselseitig orientierten Abkantungen 18 der Zwischenbleche 8 auf den Kopfflächen 4a der Zellgehäuse 2, wie in der 6 dargestellt. Ein Zwischenblech 8 mit kopfseitigen Abkantungen dient dabei als Auflager in Zugrichtung zur Unterstützung der Reibkräfte beziehungsweise als Variante für unverpresste Zellmodule.
Die 7 zeigt den Aufbau eines Kühlkörpers 21 für die Batterie-Baugruppe. Der Kühlkörper 21 kann gemäß 7 aus einem breiten Multikanalflachrohr 22 mit Sammelrohren 23 bestehen. Des Weiteren wiest er eine Mehrzahl von Durchbrüchen 24 auf. An den Stellen mit den Durchbrüchen 24 existieren entweder keine Kanäle des Multikanalflachrohrs 22, oder die Kanäle sind durch entsprechende Maßnahmen nicht mit an die Sammelrohre 23 angeschlossen. Bei sehr breiten Speicherzellen empfiehlt sich die Verwendung von mehreren schmalen Multikanalflachrohren 22, die von einer gemeinsamen Grundplatte 25 gehalten werden, die die Montage vereinfacht aber auch wärmedämmende Eigenschaften haben kann.
Eine weitere Bauform für den Kühlkörper 21 stellt die Plattenform dar, wie sie aus Plattenwärmeübertragern bekannt ist. Die Platten bestehen jedoch nicht aus zwei profilierten Halbschalen aus Blech, sondern vorzugsweise aus einer profilierten Blechplatte und einer planaren Blechplatte. Aus Dichtheitsgründen sind beide Platten vorzugsweise miteinander verlötet oder verschweißt. Die planare Plattenseite steht in thermischen Kontakt mit den Böden der Speicherzellen. Breite Multikanalflachrohre 22 oder Platten schließen die Verwendung einer Grundplatte 25, zum Beispiel aus Festigkeits- oder wärmetechnischen Gründen, nicht aus.
Die 8 stellt den Vorgang des Zusammenfügens von einem verspannten Zellmodul und einem Kühlkörper 21 dar. Der Kühlkörper 21 ist so aufgebaut, dass die Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums die Speicherzellen 1 eines Zellmoduls 9 kreuzt, beziehungsweise in Richtung der Zelltiefe (Zelldicke) ausgerichtet ist. Der Kühlkörper 21 weist, wie bereits erwähnt, entsprechend der Art der Befestigungsmittel 6 (gemäß 8 halbe Nieten) am Modul Durchbrüche 24 auf, sodass der Kühlkörper 21 mit den Zellgehäusebodenflächen 4b aller Zellgehäuse 2 in Berührung gebracht werden kann, um die in den Speicherzellen 1 entstehende Verlustwärme effektiv abführen zu können.
Die Fixierung des Kühlkörpers 21 an dem Zellmodul 9, beziehungsweise das flächige Anpressen an die Zellgehäuseböden 4b für unterbrechungsfreie Wärmeleitung, erfolgt über spezielle Spannelemente 26 gemäß 9a und 9b, wobei die 9a ein einzelnes Spannelement zeigt und die 9b die Montage eines Kühlkörpers 21 an ein Zellmodul 9 mit dem ersten Spannelement 26 darstellt. Ein Spannelement 26 ist gemäß dem in 9b dargestellten Ausführungsbeispiels nicht breiter als zwei Zelltiefen und in etwa so lang wie eine Speicherzelle 1 breit. Alternativ können die Spannelemente 26 auch breiter ausgeführt sein, so dass sie mehrere Speicherzellen 1 oder ein ganzes Zellmodul 9 gleichzeitig fixieren und gegen den Kühlkörper 21 anpressen können. Die Höhe und der Querschnitt eines Spannelementes 26 hängen neben seinen Materialeigenschaften von der Breite und der Anzahl der Befestigungselemente 6 pro Speicherzelle 1 beziehungsweise pro Zwischenblech 8 ab. Das Spannelement 26 weist entsprechend der Befestigungsmittel an der Speicherzelle 1/Zellmodul 9 Durchbrüche 27 auf, die seitlich in eine T-Nut 28 übergehen. Durch die Durchbrüche 27 kann das Spannelement 26 über die Befestigungsmittel 6 hinweg, flächig auf den Kühlkörper 21 beziehungsweise dessen Grundplatte 25 aufgesetzt werden. Durch seitliches verschieben der Spannelemente 26 gelangen die Köpfe der Befestigungsmittel 6 in die T-Nut 28. Da die Kontaktfläche der T-Nut 28 schräg (schiefe Ebene) ausgebildet ist (alternativ auch die Kontaktfläche des Kopfes des Befestigungsmittels 6, oder beide Flächen), werden das Spannelement 26 und die Befestigungsmittel 6 respektive Speicherzellen 1 beziehungsweise Zellmodul 9 gegeneinander gezogen. Hat das Spannelement 26 seine Endlage erreicht, sind die Zellgehäuseboden (in 9b nicht dargestellt, siehe 8) und der Kühlkörper 21 soweit aneinander gepresst, dass deren Flächen einander berühren und die unterbrechungsfreie Wärmeleitung gewährleistet ist. In einer weiteren nicht dargestellten Ausgestaltung erfolgt eine einfache und gleichzeitige Fixierung und Verspannung des plattenförmigen Kühlkörpers mit Schiebeelementen, die verliersicher über Führungen am plattenförmigen Kühlkörper vormontiert sind. Die Führungen sind an der Unterseite der Grundplatte 25 integriert und die entsprechenden Gegenstücke sind an den Spannelementen 26 vorgesehen.
Die 10 zeigt die weitere Montage des Kühlkörpers 21 an das Zellmodul 9 unter Einsatz von insgesamt sechs Spannelementen 26. Falls die Spannelemente 26 aus Kunststoff gefertigt sind und die erforderliche Flächenpressung zwischen den Befestigungsmitteln 6 und der Spannelemente 26 eine Relaxation erwarten lassen, sind die Spannelemente im Bereich der T-Nuten 28 mit metallischen Unterlegblechen oder Federelementen ausgekleidet. Zusätzlich oder alternativ weisen die Spannelemente 26 im Bereich der T-Nuten 28 massive metallische Kerne oder Einsätze auf. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltung sind die Spannelemente 26 über T-Führungen, Schwalbenschwanzführungen oder Ähnlichem mit der Grundplatte 25 verliersicher vormontiert.
Schließlich zeigt die 11 eine vollständig montierte Batteriebaugruppe 29 für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge aus Zellmodul 9 und Kühlkörper 21.
Bezugszeichenliste

1: Speicherzellen
2: Zellgehäuse
3: Großflächen
4: schmale Seitenflächen
4a: Seitenfläche, Kopffläche
4b: Seitenfläche, Zellgehäuseboden
5: Elektroden der Speicherzellen
6: Befestigungsmittel
7: halbe Niete
8: Zwischenbleche
9: Zellmodul
10: Zellmodulboden
11: Verspannplatten
11a: Verspannkörper
12: Stirnflächen
13: Verspannwellen
14: Längsseiten des Zellmoduls 9
15: Endbereiche (der Verspannwellen 13)
16: Verspanner, Schraubenmutter
17: Unterlegscheiben
18: kopfseitige Abkantungen (der Zwischenbleche 8)
19: fahnenartige Blechstreifen
20: endseitige Bördelung (der fahnenartigen Blechstreifen)
21: Kühlkörper
22: Multikanalflachrohr
23: Sammelrohr
24: Aussparungen, Durchbrüche (im Kühlkörper 21)
25: Grundplatte
26: Spannelement
27: Durchbrüche (in den Spannelementen 26)
28: T-Nut
29: Batteriebaugruppe

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

- DE 102004005393 A1 [0005, 0005]
- DE 102006010063 A1 [0006]
- US 2003/0017384 A1 [0008]
- DE 102007063176 A1 [0009]
- DE 102008016936 A1 [0010]

Claims

Batteriebaugruppe (29) für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, umfassend – ein Zellmodul (9), bestehend aus einer Mehrzahl von Speicherzellen (1), die jeweils ein prismatisches Zellgehäuse (2) mit zwei parallel zueinander angeordneten Großflächen (3) und vier schmalen Seitenflächen (4) aufweisen, wobei • die prismatischen Zellgehäuse (2) mit ihren parallel zueinander angeordneten Großflächen (3) übereinanderliegend stapelartig angeordnet sind, • jeweils eine der schmalen Seiten (4) des prismatischen Zellgehäuses (2) den Zellgehäuseboden (4b) einer Speicherzelle (3) bildet und • der Zellgehäuseboden (4b) jeder Speicherzelle jeweils Teil des Zellmodulbodens (10) ist; – eine Kühleinrichtung, bestehend aus einem plattenförmigen Kühlkörper (21) mit einer oder mehreren Aussparungen (24), und – ein oder mehrere Befestigungsmittel (6), die in den Zellmodulboden (10) integriert sind und mit einer entsprechenden Anzahl an Aussparungen (24) des Kühlkörpers (21) korrespondieren und dabei den Kühlkörper (21) an das Zellmodul (9) fixieren.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungsmittel (6) in den Zellmodulboden (10) integriert sind, indem die Zellgehäuse (2) mindestens ein bodenseitig integriertes Befestigungsmittel (6) aufweisen.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungsmittel (6) in den Zellmodulboden (10) integriert sind, indem der Zellstapel des Zellmoduls (9) um mindestens ein zwischen zwei Speicherzellen (1) angeordnetes Zwischenblech (8) erweitert ist, das bodenseitig des Zellmoduls (9) mindestens ein Befestigungsmittel (6) hervorstehen lässt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungsmittel (6) ein fahnenartiger Blechstreifen (19) mit endseitiger Bördelung (20) vorgesehen ist.
Batteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (6) der Kontur von halben Nieten (7) entsprechen, die mit Durchbrüchen (24) im Kühlkörper als Aussparungen (24) korrespondieren.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungsmittel (6) in den Zellmodulboden (10) integriert sind, indem schraubenartige Zugstreben mit einem Schraubenkopf am ersten Ende und einem Außengewinde am zweiten Ende durch Kanäle in einem Zellmodulrahmen oder zwischen den einzelnen Speicherzellen (1) zum Kühlkörper (21) geführt sind, der mit korrespondierenden Gewindebohrungen als Aussparungen (24) versehen ist, wobei der Zellmodulrahmen oder die Kopfseiten (4a) der Zellgehäuse (2) als Auflager für die Schraubenköpfe der schraubenartigen Zugstreben dienen.
Batteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Spannelemente (26) für das flächige Anpressen des Kühlkörpers (21) an den Zellmodulboden (10) vorgesehen sind, wobei das Spannelement (26) Durchbrüche (27) aufweist, die mit Befestigungsmitteln (6) korrespondieren, und die Höhe und der Querschnitt eines jeden Spannelements von der Breite und der Anzahl der Befestigungsmittel (6) pro Speicherzelle (1) oder pro Zwischenblech (8) oder der Anzahl und der Breite von verwendeten Zugstreben abhängt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannelement (26) nicht breiter als eine oder zwei Zelltiefen und so lang wie eine Speicherzelle (1) breit ist.
Batteriebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zellmodulboden (10) und Kühlkörper (21) eine Zwischenschicht mit schlechten Wärmeleiteigenschaften vorgesehen ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht eine Wärmeleitfolie oder ein Gelkissen vorgesehen ist.