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DE102013015208B3 - Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102013015208B3
DE102013015208B3 DE201310015208 DE102013015208A DE102013015208B3 DE 102013015208 B3 DE102013015208 B3 DE 102013015208B3 DE 201310015208 DE201310015208 DE 201310015208 DE 102013015208 A DE102013015208 A DE 102013015208A DE 102013015208 B3 DE102013015208 B3 DE 102013015208B3
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Michael Hinterberger
Christian Allmann
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) und einer Temperiereinrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierplatten (22) umfasst, wobei jeweils eine Temperierplatten (22) zwischen zwei der der Batteriezellen (12) angeordnet ist, wobei jede der Temperierplatten (22) zumindest einen Kühlkanal (24) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweist und wobei jede der Temperierplatten (22) ein elektrisches Heizelement (26) zum Heizen zumindest einer der Batteriezellen (12) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer Temperiereinrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierplatten umfasst, wobei jeweils eine der Temperierplatten zwischen zwei der Batteriezellen angeordnet ist und wobei jede der Temperierplatten zumindest einen Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweist.
  • In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, werden Batterieanordnungen zur Energieversorgung von Elektromotoren verwendet. Derartige Batterieanordnungen umfassen üblicherweise eine Mehrzahl von Batteriezellen, die beispielsweise als prismatische Zellen ausgebildet sein können. Um die im Betrieb der Batteriezellen entstehende Wärme abführen zu können, werden heutige Batteriezellen hauptsächlich von unten gekühlt. Zu diesem Zwecke werden die einzelnen Batteriezellen auf einer Kühlplatte angeordnet, die zumindest einen Kühlkanal aufweist, der mit einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2009 001 592 A1 eine Energieversorgungsvorrichtung, welche eine oder mehr Energiezelleneinheiten umfasst. Um einen möglichst guten Wärmeübergang von der Energiezelleneinheit auf ein Kühlmittel zu erreichen, ist die Energiezelleneinheit zumindest teilweise in einen offenporigen, porösen Festkörper eingebettet.
  • Darüber hinaus beschreibt die DE 10 2005 031 504 A1 eine prismatische Batterie, die aus mehreren Einzelzellen besteht, von welchen wenigstens zwei zu einem prismatischen Modul zusammengefasst sind. Des Weiteren umfasst die prismatische Batterie ferner wenigstens einen Kühlkörper, welcher mit wenigstens einem der Module in wärmeleitendem Kontakt steht. Zudem weist dieser Kühlkörper wenigstens eine Kühlrippe auf, welche parallel zur Kraftrichtung der Verspannung ausgebildet ist.
  • Zudem ist aus der DE 10 2010 055 601 A1 eine Batterie mit wenigstens einem Zellblock bekannt, der mehrere elektrisch seriell miteinander verschaltete und stapelweise untereinander angeordnete Batteriezellen umfasst. Die Batterie umfasst zudem wenigstens eine Kühlplatte, die von einem Kühlmittel durchströmbar ist und mit den Batteriezellen in thermischem Kontakt steht.
  • Darüber hinaus beschreibt die EP 2 330 659 A2 einen Kühlkörper für eine Hochstromzellanordnung. Dabei umfasst ein Zellverbinderdeckel eine im Wesentlichen flache Deckelplatte, in der mehrere Durchbrüche vorgesehen sind und wobei in den Durchbrüchen federnde Kühlkörper angeordnet sind.
  • Ferner beschreibt die DE 10 2010 001 033 A1 ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batterien, wobei zwischen wenigstens zwei der Batterien wenigstens eine Wärmespeicherplatte angeordnet ist, deren Material im Wesentlichen Keramik aufweist. Dabei kann in der Wärmespeicherplatte wenigstens ein Kanal zum Fördern eines Kühlmittels angeordnet sein.
  • Die US 2010/0151309 A1 beschreibt eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen und eine Halteeinrichtung zum Halten der Batteriemodule. Die Halteeinrichtungen sind zwischen den Batteriemodulen angeordnet. Die Halteinrichtungen weisen zudem einen Kühlkanal für ein Kühlmedium auf. Darüber hinaus weisen die Halteeinrichtungen ein Heizelement auf.
  • Ferner beschreibt die US 2010/0151307 A1 eine Halteeinrichtung für eine Batterie zum Halten zumindest einer Batteriezelle. Die Halteeinrichtung weist Kühlkanäle zum Durchströmen mit einem Kühlmedium auf. Darüber hinaus ist ein entsprechender Heizdraht zum Heizen der Batteriezellen vorgesehen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die besonders effizient betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen und eine Temperiereinrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierplatten umfasst, wobei jeweils eine der Temperierplatten zwischen zwei der Batteriezellen angeordnet ist, jede der Temperierplatten zumindest einen Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweist und jede der Temperierplatten ein elektrisches Heizelement zum Heizen zumindest einer der Batteriezellen umfasst.
  • Die Batterieanordnung umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sein können. Dabei können die Batteriezellen als sogenannte prismatische Batteriezellen ausgebildet sein, sie können also plattenförmig ausgestaltet sein. Des Weiteren umfasst die Batterieanordnung eine Temperiereinrichtung mit mehreren Temperierplatten. Dabei ist jeweils eine der Temperierplatten zwischen zwei der Batteriezellen angeordnet. Damit ergibt sich eine alternierende Anordnung von Temperierplatten und Batteriezellen. Die Temperierplatten können beispielsweise aus Keramik oder aus Metall gebildet sein. In jeder der Temperierplatten ist zumindest ein Kühlkanal vorgesehen, der von einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchflossen werden kann. Zu diesem Zweck können die jeweiligen Kühlkanäle der Temperierplatten mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden sein.
  • Des Weiteren umfasst jede der Temperierplatten ein elektrisches Heizelement zum Heizen zumindest einer der Batteriezellen. Das elektrische Heizelement kann beispielsweise mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden und infolge dessen eine Heizleistung abgeben. Zu diesem Zweck kann das elektrische Heizelement elektrische Anschlüsse aufweisen. Damit besteht die Möglichkeit, dass neben der Kühlung der Batteriezellen mittels der Temperierplatten auch noch eine Heizfunktion ermöglicht werden kann. Speziell in der kalten Jahreszeit kann mit dem elektrischen Heizelement eine schnelle Temperierung beziehungsweise Erwärmung der Batteriezellen ermöglicht werden. Des Weiteren kann durch die Temperiereinrichtung die Kühlung und die Heizung der Batteriezellen auf engstem Bauraum realisiert werden.
  • Zudem umfasst die Temperiereinrichtung eine Bodenplatte mit zumindest einem Bodenkühlkanal, wobei der Bodenkühlkanal fluidisch mit den Kühlkanälen der Temperierplatten verbunden ist. Die plattenförmige Bodenplatte kann beispielsweise aus Keramik oder aus einem Metall gebildet sein. Die Temperierplatten können verteilt auf der Oberfläche der Bodenplatte angeordnet sein. Bevorzugt sind die Temperierplatten so zu der Bodenplatte angeordnet, dass die Haupterstreckungsrichtungen der Temperierplatten senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung der Bodenplatte verlaufen. Die Bodenplatte und die Mehrzahl von Temperierplatten sind einteilig ausgebildet. Beispielsweise können die Bodenplatte und die Temperierplatten durch ein Gussverfahren einteilig hergestellt werden. Der Bodenkühlkanal der Bodenplatte ist mit jedem Kühlkanal jeder der Temperierplatten fluidisch verbunden. Somit kann eine effektive Kühlung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht werden.
  • Bevorzugt ist das elektrische Heizelement als Beschichtung ausgebildet, die auf zumindest einer Außenfläche der Temperierplatte aufgebracht ist. Das elektrische Heizelement kann mittels eines Beschichtungsprozesses oder eines Aufdampfprozesses auf zumindest eine Außenfläche der Temperierplatte aufgebracht werden. Dabei kann das elektrische Heizelement auch auf mehreren Außenflächen der Temperierplatte angeordnet sein. Durch eine Beschichtung kann auf einfache Weise ein elektrisches Heizelement bereitgestellt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist das elektrische Heizelement drahtförmig ausgebildet. Mit anderen Worten kann das elektrische Heizelement als Heizdraht ausgebildet sein. Das drahtförmige Heizelement kann zumindest bereichsweise in die Temperierplatte integriert sein. Beispielsweise kann der Heizdraht in die Temperierplatte eingegossen sein. Dabei ist es auch denkbar, dass das drahtförmige Heizelement mäanderförmig ausgebildet ist. Somit kann ein kostengünstiges elektrisches Heizelement zum Heizen zumindest einer Batteriezelle bereitgestellt werden.
  • In einer Ausführungsform das elektrische Heizelement aus einem Metall, insbesondere Wolfram, gebildet ist. Wolfram zeichnet sich durch seinen hohen Schmelzpunkt aus. Dadurch kann ein robustes elektrisches Heizelement bereitgestellt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist auf einer Oberfläche des elektrischen Heizelements ein elektrisches Isolationselement aufgebracht. Das elektrische Isolationselement, das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, kann als Beschichtung ausgebildet sein und auf der Oberfläche des Heizelements angeordnet sein. Somit kann auf einfache Weise eine elektrische Isolation des elektrischen Heizelements ermöglicht werden.
  • Bevorzugt weist die Batterieanordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern einer mit dem elektrischen Heizelement bereitgestellten Heizleistung und/oder zum Steuern einer Durchflussmenge des Kühlmediums auf. Mit der Steuereinrichtung kann beispielsweise die elektrische Stromstärke gesteuert werden, mit der das elektrische Heizelement beaufschlagt wird. Des Weiteren kann mit der Steuereinrichtung ein Steuersignal ausgegeben werden, mit dem beispielsweise eine Pumpe angesteuert wird, mit der das Kühlmedium durch die Kühlkanäle der Temperierplatten und/oder der Bodenplatte gefördert wird. Zudem kann eine intelligente Regelstrategie zum Temperieren der Batteriezellen bereitgestellt werden, mit der die Temperatur der jeweiligen Temperierplatten auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur geregelt wird.
  • Durch eine derartige Temperierung kann der optimale Wirkungsgrad hinsichtlich des Betriebs der Batteriezellen erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest eine der Temperierplatten einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur. Der Temperatursensor kann beispielsweise auch durch das elektrische Heizelement gebildet sein. Falls das elektrische Heizelement für eine vorbestimmte Zeit nicht betrieben wird, kann in dieser Zeit der elektrische Widerstand des elektrischen Heizelements bestimmt werden. Anhand des elektrischen Widerstands und der Materialparameter kann auf die Temperatur des Heizelements geschlossen werden. Somit kann auf einfache Weise ein Temperatursensor bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann ein separat zu dem Heizelement ausgebildeter Temperatursensor bereitgestellt werden. Anhand der Daten des Temperatursensors kann die Temperatur der Batterieanordnung entsprechend geregelt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die zumindest eine der Temperierplatten einen Drucksensor zum Erfassen eines auf die zumindest eine Temperierplatte ausgeübten Drucks. Dabei können auch mehrere der Temperierplatten einen Drucksensor aufweisen. Somit können die Temperierplatten beziehungsweise Batteriezellen in Bezug auf eine mechanische Belastung überwacht werden. Somit kann die Batterieanordnung besonders zuverlässig betrieben werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die zumindest eine der Temperierplatten einen Feuchtigkeitssensor zum Erfassen einer Feuchtigkeit. Somit kann zuverlässig überwacht werden, ob beispielsweise Feuchtigkeit in ein Gehäuse der Batterieanordnung eindringt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine Batterieanordnung gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • 1 zeigt eine Batterieanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Batterieanordnung 10 kann beispielsweise als Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Batterieanordnung 10 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 12, die elektrisch miteinander gekoppelt sind. Die Batteriezellen 12 sind auf einer Bodenplatte 14 angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind acht Batteriezellen 10 auf der Oberfläche 16 der Bodenplatte 14 angeordnet. Die Bodenplatte 14 ist plattenförmig beziehungsweise quaderförmig ausgebildet und kann aus einem Metall oder aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein. Innerhalb der Bodenplatte ist ein Bodenkühlkanal 18 angeordnet, der mit einem Kühlmittel durchströmt wird. Zu diesem Zweck kann der Bodenkühlkanal 18 mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Zudem umfasst die Batterieanordnung 10 ein Gehäuse 20, das die Batteriezellen 12 umgibt. Das Gehäuse 20 kann auf der Bodenplatte 14 befestigt sein.
  • Die Batterieanordnung 10 gemäß 1 weist den Nachteil auf, dass die Batteriezellen 12 nur von der Unterseite her gekühlt werden können. Des Weiteren besteht keine Möglichkeit, die Batteriezellen 12 zu erwärmen. Somit können die Batteriezellen insbesondere im Winter nicht mit dem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 in einer geschnittenen Seitenansicht. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Batterieanordnung 10 sechs Batteriezellen 12, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Batteriezellen 12 auf der Oberseite 16 einer Bodenplatte 14 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Bodenplatte 14 mehrere Kühlkanäle 18. Zwischen je zwei Batteriezellen 12 ist eine Temperierplatte 22 angeordnet. Die Temperierplatten 22 sind in direktem Kontakt mit den benachbarten Batteriezellen 12. Die jeweiligen Temperierplatten 22 können beispielsweise aus einer Keramik oder einem Metall gefertigt sein. Die Temperierplatten 22, die insbesondere aus Keramik gefertigt sind, weisen eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit auf. Zudem sind sie korrosionsbeständig und wärmeleitfähig. Weitere Vorteile sind das hohe Absorptionsvermögen gegenüber Wasser, die Temperaturstabilität, die Beständigkeit gegen thermische Schocks und dass beliebige Geometrien beispielsweise durch einen entsprechenden Gussprozess hergestellt werden können.
  • Innerhalb der Temperierplatten sind Kühlkanäle 24 vorgesehen, die mit den Kühlkanälen 18 der Bodenplatte fluidisch verbunden sind. Die Kühlkanäle 18 der Bodenplatte beziehungsweise die Kühlkanäle 24 der Temperierplatten 22 können mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Die Kühlkanäle 24 der Temperierplatten 22 können durch entsprechende Aussparungen beziehungsweise Bohrungen gebildet sein. Alternativ dazu können entsprechende Rohre in das Material der Temperierplatte 22 eingebracht sein. Ebenfalls ist eine Ausführung denkbar, in der die Temperierplatten 22 aus einem porösen Material gefertigt sind. Die Bodenplatte 14 und die Temperierplatten 22 können auch einteilig ausgebildet sein.
  • An den Außenflächen jeder der Temperierplatten 22, die den Batteriezellen 12 zugeordnet ist, ist ein elektrisches Heizelement 26 angeordnet. Das elektrische Heizelement kann durch eine Metallisierung, beispielsweise aus Wolfram, gebildet sein. Zusätzlich weist das elektrische Heizelement 26 hier nicht dargestellte elektrische Anschlüsse auf, mit denen die Metallisierung mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden kann. Mittels der elektrischen Heizelemente 26 kann ein Heizen der Batteriezellen 12 ermöglicht werden.

Claims (9)

  1. Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit – einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) und – einer Temperiereinrichtung, die eine Mehrzahl von Temperierplatten (22) umfasst, wobei – jeweils eine der Temperierplatten (22) zwischen zwei der Batteriezellen (12) angeordnet ist, wobei – jede der Temperierplatten (22) zumindest einen Kühlkanal (24) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweist und wobei – jede der Temperierplatten (22) ein elektrisches Heizelement (26) zum Heizen zumindest einer der Batteriezellen (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Temperiereinrichtung eine Bodenplatte (14) mit zumindest einem Bodenkühlkanal (18) umfasst, wobei der Bodenkühlkanal (18) fluidisch mit den Kühlkanälen (24) der Temperierplatten (22) verbunden ist und – die Bodenplatte (14) und die Mehrzahl von Temperierplatten (22) einteilig ausgebildet sind.
  2. Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (26) als Beschichtung ausgebildet ist, die auf zumindest einer Außenfläche der Temperierplatte (22) aufgebracht ist.
  3. Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (26) drahtförmig ausgebildet ist.
  4. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (26) aus einem Metall, insbesondere Wolfram, gebildet ist.
  5. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche (16) des elektrischen Heizelements (26) ein elektrisches Isolationselement aufgebracht ist.
  6. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) eine Steuereinrichtung zum Steuern einer mit dem elektrischen Heizelement (26) bereitgestellten Heizleistung und/oder zum Steuern einer Durchflussmenge des Kühlmediums aufweist.
  7. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Temperierplatten (22) einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur umfasst.
  8. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Temperierplatten (22) einen Drucksensor zum Erfassen eines auf die zumindest eine Temperierplatte (22) ausgeübten Drucks umfasst.
  9. Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Temperierplatten (22) einen Feuchtigkeitssensor zum Erfassen einer Feuchtigkeit umfasst.
DE201310015208 2013-09-13 2013-09-13 Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug Active DE102013015208B3 (de)

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