DE102020120791A1

DE102020120791A1 - Batterie mit einem Element zur Kühlung und thermischen Hemmung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020120791A1
Application number: DE102020120791.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Stoll; Azad Darbandi; Matthias Wagner; Nicolas Flahaut; Mark Aaron Chan; Markus Poetzinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-02-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Die Batterie weist zwischen den Batteriezellen ein in wärmeleitendem Kontakt mit diesen angeordnetes Kühlelement auf. Dessen Seitenflächen sind durch einen verbindenden Steg und einen Kühlkanal zum Führen eines Kühlmediums voneinander beabstandet, sodass im Betrieb der Batterie Wärme aus den Batteriezellen durch die jeweilige Seitenfläche in das Kühlmedium geleitet und von diesem entlang des Kühlkanals abtransportiert wird, aber gleichzeitig ein Wärmeübertrag zwischen den Batteriezellen durch das Kühlelement hindurch im Vergleich zu einem entsprechend angeordneten Kühlelement aus massivem Aluminium oder gefügten Aluminiumplatten reduziert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie.
Batterien finden heutzutage in vielen technischen Bereichen Anwendung. Beispielsweise werden im Fahrzeugbereich zunehmend Traktionsbatterien zum Antreiben von Fahrzeugen eingesetzt. Damit gehen steigende Anforderungen an die Batterien einher, beispielsweise hinsichtlich eines Energieinhalts, einer Leistungsdichte und einer maximalen Lade- und Entladeleistung. Bei einem Betrieb oder Einsatz derartiger Batterien entsteht unweigerlich Verlustwärme, die aus der Batterie abgeführt werden muss und es kann ein erhöhtes Risiko dafür bestehen, dass bei einer Beschädigung und einem anschließenden thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eine thermische Kettenreaktion oder Propagation (englisch: thermal runaway) einsetzt, was zur Zerstörung der gesamten Batterie sowie gegebenenfalls des jeweiligen Fahrzeugs oder einer umgebenden Einrichtung führen kann. Zur Sicherung einer ausreichenden Fahrzeugreichweite, einer Batterielebensdauer, der Abrufbarkeit von Leistung aus der Batterie und der Betriebssicherheit ist daher typischerweise ein Thermo- oder Wärmemanagement für derartige Batterien erforderlich. Dies kann beispielsweise über eine Kühlung oder Kühleinrichtung der Batterie realisiert werden. Dabei kann jedoch ein Zielkonflikt bestehen zwischen einer maximalen Kühlleistung, einer gleichmäßigen Entwärmung der Batteriezellen, also einer Vermeidung von Temperaturgradienten, einem minimalen Bauraumbedarf und einer thermischen und elektrischen Isolierung der Batteriezellen voneinander.
Vor diesem Hintergrund ist in der EP 2 329 548 B1 ein Batteriemodul beschrieben, das ein Gehäuse und wenigstens zwei darin angeordnete Batterien sowie ein dazwischen angeordnetes Kühlelement umfasst. Das Kühlelement weist dabei in zwei Richtungen eine größere Ausdehnung auf als in einer dritten Richtung, wobei in dieser dritten Richtung das Kühlelement die kleinste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dazu kann das Kühlelement als Folie aus expandiertem Graphit mit entsprechend unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten für die verschiedenen Richtungen gebildet sein. Dadurch soll sowohl eine Wärmeabfuhr zwischen den Zellen als auch eine thermische Isolierung der Zellen voneinander erreicht werden. Zusätzlich können die Batterien und Kühlelemente von einem in dem umgebenden Gehäuse aufgenommenen Kühlfluid umgeben sein. Nachteilig bei einer derartigen Lösung können sowohl die Verwendung teurer und aufwendig zu fertigender oder zu handhabender Materialien mit inhärent anisotroper Wärmeleitfähigkeit sowie gegebenenfalls ein erhöhtes Kurzschlussrisiko aufgrund des die Batterien umströmenden Kühlfluids sein.
Als weiteren Ansatz beschreibt die DE 10 2017 218 248 A1 ein Batteriezellen-Modul, das wenigstens zwei Batteriezellen sowie mindestens ein Wärmeleitelement umfasst. Das Wärmeleitelement verbindet dabei wenigstens zwei Batteriezellen thermisch miteinander, sodass im Falle einer erhöhten Temperatur einer ersten Batteriezelle mittels des Wärmeleitelements Wärme zu wenigstens einer weiteren Batteriezelle transportiert werden kann. Das Wärmeleitelement ist dabei als Wärmerohr ausgebildet. Dieses Wärmerohr kann beispielsweise an einer äußeren Seite eines Stapels von Batteriezellen entlanggeführt sein. Zwischen zwei benachbarten Batteriezellen kann zusätzlich ein separates Isolationselement zur Minderung der Wärmeübertragung zwischen den benachbarten Batteriezellen angeordnet sein. Als derartige Isolationselemente können beispielsweise Schaumstoffelemente oder eine Glimmerfolie genutzt werden. Nachteilig kann dabei sein, dass über das Wärmerohr Wärme von einer thermisch durchgehenden Batteriezelle effektiv zu einer unmittelbar benachbarten Batteriezelle übertragen werden kann, die dadurch ebenfalls zum thermischen Durchgehen angeregt werden kann. Zudem kann durch die außenseitige oder außenwandige Anordnung des Wärmerohrs innerhalb der einzelnen Batteriezellen ein unerwünschter Temperaturgradient entstehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf einfache Weise einen sicheren Betrieb einer Batterie mit mehreren Batteriezellen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Eine erfindungsgemäße Batterie kann insbesondere als Hochvoltbatterie, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, bevorzugt als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet sein. Eine Hochvoltbatterie kann dabei eine Batterie sein, die eine Nenn- oder Betriebsspannung von wenigstens 100 V, bevorzugt von wenigstens 200 V oder von wenigstens 400 V aufweist. Die erfindungsgemäße Batterie umfasst mehrere Batteriezellen und ein Kühlelement, das mit einer ersten Seitenfläche in wärmeleitendem Kontakt mit wenigstens einer ersten der Batteriezellen und mit einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche in wärmeleitendem Kontakt mit wenigstens einer zweiten der Batteriezellen zwischen den Batteriezellen angeordnet ist, um über die Seitenflächen Wärme aus der ersten Batteriezelle und aus der zweiten Batteriezelle aufzunehmen. Diese Seitenflächen können dabei insbesondere die größten Seitenflächen oder Außenwände des Kühlelements sein oder bilden. Das Kühlelement kann bevorzugt also plattenförmig oder bandförmig ausgebildet sein, das heißt in einer jeweils lokal senkrecht zu den Seitenflächen stehenden Querrichtung eine geringere Dicke oder Ausdehnung aufweisen als in den die Seitenflächen aufspannenden Richtungen oder Dimensionen.
Das Kühlelement kann je nach Ausgestaltung und Anordnung der Batteriezellen mit genau zwei Batteriezellen oder mit mehreren Batteriezellen der Batterie in wärmeleitendem Kontakt stehen, also an diesen direkt oder indirekt anliegen. Ein indirektes Anliegen des Kühlelements an einer Batteriezelle bedeutet dabei, dass zwischen dem Kühlelement und einer Außenwand der Batteriezelle ein Wärmeleitmaterial, beispielsweise eine Ausgleichsmasse, ein Wärmeleitkleber, eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad oder dergleichen zur Verbesserung eines thermischen Kontakts, also zur Verbesserung einer Wärmeübertragung zwischen der jeweiligen Batteriezelle und dem Kühlelement angeordnet sein kann. Das Kühlelement bzw. dessen Seitenflächen können an Außenwänden oder Mantelflächen oder individuellen Batteriezellengehäusen der Batteriezellen anliegen, wodurch vorteilhaft ein besonders großflächiger Wärmeübertrag von den Batteriezellen zu dem Kühlelement erreicht werden kann. Auf diese Weise kann ein Entstehen eines Temperaturgradienten oder eines thermischen Hotspots innerhalb der Batteriezellen reduziert oder vermieden bzw. unwahrscheinlicher gemacht werden.
Erfindungsgemäß sind die einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Kühlelements in einer jeweils lokal senkrecht zu den Seitenflächen stehenden Querrichtung des Kühlelements voneinander beabstandet und gegeneinander durch wenigstens einen innenliegenden, also innerhalb des Kühlelements angeordneten, Steg abgestützt. Dadurch ist zwischen den Seitenflächen in dem Kühlelement wenigstens ein in einer Längsrichtung des Kühlelements erstreckter Kühlkanal zum Führen eines Kühlmediums ausgebildet. Die Längsrichtung verläuft dabei parallel zu den Seitenflächen und damit jeweils lokal senkrecht zu der Querrichtung. Durch diese Ausgestaltung des Kühlelements kann im Betrieb der Batterie Wärme aus jeder der Batteriezellen durch die mit der jeweiligen Batteriezelle in wärmeleitendem Kontakt stehende Seitenfläche in das in dem Kühlkanal geführte Kühlmedium geleitet und von diesem in der Längsrichtung abtransportiert werden. Gleichzeitig ist dabei aber vorteilhaft ein Wärmeübertrag oder Wärmeübergang von Batteriezelle zu Batteriezelle durch das Kühlelement hindurch im Vergleich zu einem Wärmeübertrag oder Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen bei einer Ausgestaltung des Kühlelements aus massivem Aluminium oder gefügten Aluminiumplatten reduziert.
Dass die Längsrichtung jeweils lokal parallel zu den Seitenflächen verläuft, kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass die Längsrichtung beispielsweise einem gebogenen Verlauf der Seitenflächen folgen kann, in einem äußeren oder weltfesten kartesischen Koordinatensystem also keine gerade Linie bilden muss. Ebenso kann die Querrichtung an jeder individuellen Stelle der Seitenflächen senkrecht auf einem dortigen Punkt oder Abschnitt der Seitenfläche oder Seitenflächen stehen, wobei aber bei einer gebogenen Form oder einem gebogenen Verlauf des Kühlelements bzw. der Seitenflächen die lokalen Querrichtungen an verschiedenen Stellen des Kühlelements nicht parallel zueinander stehen oder sein müssen.
Bevorzugt kann das Kühlelement dabei für eine größere Wärmetransportfähigkeit in der jeweils lokal parallel zu den Seitenflächen verlaufenden Längsrichtung als in der jeweils lokal senkrecht zu den Seitenflächen verlaufenden Querrichtung von der ersten Batteriezelle zu der zweiten Batteriezelle eingerichtet, also ausgebildet sein. Die größere Wärmetransportfähigkeit des Kühlelements in der Längsrichtung bedeutet dann, dass aus den Batteriezellen in das Wärmeelement eingetragene Wärme bevorzugt oder effektiver in der Längsrichtung, also entlang des Kühlelements, insbesondere entlang einer Längserstreckungsrichtung des Kühlelements, von den Batteriezellen weg transportiert werden kann als in der Querrichtung, also als von einer der Batteriezellen zu einer benachbarten, auf der anderen Seite des Kühlelements angeordneten Batteriezelle. Ein entsprechender Wärmestrom kann also in dem Kühlelement und somit in einem Zwischenraum zwischen den Batteriezellen aus der Anordnung von Batteriezellen herausfließen oder geführt werden. Dieser Wärmestrom kann dabei insbesondere größer sein als ein Wärmestrom in der Querrichtung von der ersten Batteriezelle durch das Kühlelement hindurch und aus diesem heraus in die zweite Batteriezelle. Das Kühlelement kann dann also eine anisotrope, das heißt richtungsabhängige Wärmetransportfähigkeit aufweisen.
Die genannte, im Vergleich zu einem Kühlelement aus massivem Aluminium oder Kupfer reduzierte Wärmeleitung zwischen den Batteriezellen kann - ebenso wie die anisotrope Wärmetransportfähigkeit - durch eine Materialwahl und eine Struktur oder einen Aufbau des Kühlelements realisiert werden, was weiter unten noch näher erläutert wird. Je nach Ausgestaltung des Kühlelements kann der Wärmetransport dabei über verschiedene Mechanismen oder verschiedene Kombinationen von Mechanismen erfolgen. So kann der Wärmetransport bevorzugt eine konvektive Komponente aber ebenso beispielsweise eine Wärmeleitungskomponente aufweisen.
Die von einer der Batteriezellen durch die daran anliegende Seitenfläche hindurchgetretene Wärme tritt aufgrund der hier vorgeschlagenen Struktur des Kühlelements nicht oder nur zu einem relativ kleinen Anteil durch die jeweils gegenüberliegende Seitenfläche in die jeweils andere der Batteriezellen ein. Dies wird neben dem Wärmeabtransport durch das Kühlmedium insbesondere durch den - im Vergleich zu einer massiven Ausführung des Kühlelements - reduzierten Querschnitt der durch festes Material gebildeten und damit direkt wärmeleitenden Verbindung, hier also des wenigstens einen Stegs, zwischen den Seitenflächen erreicht. Mit diesem reduzierten Querschnitt geht ein entsprechend erhöhter Wärmetransport- oder Wärmeleitwiderstand einher, sodass eine Wärmedurchleitung durch das Kühlelement zu der jeweils anderen daran angrenzenden Batteriezelle gehemmt wird. Auch der anisotrope Wärmetransport wird hier durch den Aufbau bzw. die geometrische Struktur des Kühlelements sowie eine durch den Verlauf des Kühlkanals vorgegebene Strömungsrichtung des Kühlmediums erreicht. Die Seitenflächen können dabei durch eine entsprechende Materialwahl sowie ihren relativ großflächigen Kontakt zu den Batteriezellen effektiv Wärme aus den Batteriezellen aufnehmen und an das im Betrieb der Batterie das Kühlelement durchströmende Kühlmedium abgeben.
Dadurch, dass die Seitenflächen nicht Oberflächen eines massiven Materialblocks bilden, sondern in der Querrichtung durch den wenigstens einen Kühlkanal voneinander beabstandet oder getrennt und durch den Steg miteinander verbunden sind, kann somit ein reduzierter Wärmefluss von einer Seitenfläche zu der anderen Seitenfläche durch das Material des Kühlelements erreicht werden. In diesem Sinne wird also eine zumindest relative thermische Isolationswirkung des Kühlelements zwischen den beidseitig davon angeordneten Batteriezellen erreicht. Dazu kann der Steg in einem lokal senkrecht zu der - einer Strömungsrichtung des Kühlmediums entsprechenden - Längsrichtung und der Querrichtung stehenden Schnitt bevorzugt eine im Vergleich zu dem wenigstens einen Kühlkanal kleine Querschnittsfläche aufweisen. Der wenigstens eine Steg bzw. alle die Seitenflächen in der Querrichtung miteinander verbindenden Stege oder Teile des Kühlelements können zusammengenommen beispielsweise weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % der Breite oder Ausdehnung des wenigstens einen Kühlkanals bzw. aller Kühlkanäle zusammengenommen in einer senkrecht sowohl zu der Querrichtung als auch zu der Strömungs- oder Längsrichtung stehenden Richtung aufweisen oder ausmachen.
Durch diesen Aufbau des Kühlelements kann dieses vorteilhaft beispielsweise aus relativ kostengünstigen und einfach zu fertigenden und zu handhabenden Materialien gefertigt sein, sodass also auf die Verwendung von typischerweise teureren und/oder aufwendiger zu fertigenden und zu verarbeitenden inhärent anisotrop wärmeleitenden Materialien verzichtet werden kann. Damit kann also gleichzeitig einerseits eine Kühlwirkung zum Entwärmen der Batteriezellen und andererseits eine thermische Isolationswirkung zwischen den Batteriezellen bzw. eine Hemmung der Propagation einer Überhitzung, also einer thermischen Kettenreaktion zwischen benachbarten aber durch das Kühlelement voneinander getrennten Batteriezellen erreicht werden. Besonders vorteilhaft kann dies nur durch das Kühlelement, also durch ein einziges Bauteil erreicht werden, das in diesem Sinne also eine Doppelfunktionalität aufweist oder erfüllt, nämlich die Kühlwirkung und die thermische Isolationswirkung in einem einzigen Bauteil kombiniert. Dadurch kann eine besonders einfache, kostengünstige und bauraumsparende Fertigung und Ausgestaltung der Batterie ermöglicht werden. Da auf diese Weise durch das Kühlelement sowohl eine großflächige und effektive Kühlung oder Entwärmung der Batteriezellen als auch ein Schutz vor der Propagation einer thermischen Kettenreaktion, also eines thermischen Durchgehens erreicht werden kann, kann somit letztlich ein besonders sicherer und zuverlässiger Betrieb der Batterie ermöglicht werden.
Für eine konkrete Anwendung oder einen Betrieb der Batterie kann das Kühlelement bzw. die Batterie beispielsweise Fluidanschlüsse oder Fluidschnittstellen zum Anschließen an einen externen Kühlkreislauf, beispielsweise eines jeweiligen Kraftfahrzeugs, aufweisen. Diese können bevorzugt wenigstens einen Einlass und einen Auslass umfassen, sodass das Kühlelement im Betrieb der Batterie also von dem Kühlmedium durchströmbar ist bzw. durchströmt werden kann. Dadurch kann ein besonders effektiver Abtransport der von den Batteriezellen durch die Seitenflächen oder Seitenwände des Kühlelements auf das Kühlmedium übertragenen Wärme erreicht werden. Als Kühlmedium können dabei verschiedene Materialien, Stoffe oder Stoffgemische verwendet werden, beispielsweise Wasser, Glykol, Öl, ein Kältemittel, eine Kombination daraus und/oder dergleichen mehr.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Seitenflächen oder Seitenwände des Kühlelements aus Edelstahl gebildet, also gefertigt. Edelstahl weist eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise Aluminium oder Kupfer auf. Dadurch kann also die thermische isolierende Wirkung des Kühlelements gegenüber der naheliegenden Fertigung des Kühlelements aus einem signifikant besser wärmeleitfähigen Material erhöht werden. Durch die Verwendung von Edelstahl kann also eine Wärmeleitung von der ersten Batteriezelle durch das gesamte Kühlelement bis in die gegenüberliegende zweite Batteriezelle gehemmt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass dennoch eine ausreichend gute Entwärmung der Batteriezellen erreicht werden kann, da in einer Batteriezelle entstehende Wärme lediglich eine Seitenfläche, also eine Seitenwand des Kühlelements durchtreten muss, um von dem Kühlmedium aufgenommen zu werden. Da die Seitenwände aufgrund der - beispielsweise im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer - höheren Festigkeit von Edelstahl dünner ausgebildet werden können, beispielsweise in der Querrichtung dünner als der Kühlkanal sein können, kann der Wärmewiderstand der Seitenflächen eine effektive Entwärmung der jeweils daran anliegenden Batteriezellen ermöglichen und gleichzeitig eine Wärmeübertragung von einer Batteriezelle durch das Kühlelement auf eine andere der Batteriezellen ausreichend hemmen, um eine thermische Kettenreaktion in der Batterie deutlich zu verzögern oder gänzlich zu vermeiden.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist auch der wenigstens eine Steg aus Edelstahl gebildet, also gefertigt. Bevorzugt kann also das gesamte Kühlelement, zumindest aber dessen formgebende Struktur, vollständig aus Edelstahl gebildet sein. Davon unbenommen können beispielsweise Dichtungen an einem Zu- oder Abfluss für das Kühlmedium aus einem anderen Material gebildet sein. Indem sowohl die Seitenflächen als auch der wenigstens eine Steg, insbesondere alle Verbindungen zwischen den Seitenflächen in der Querrichtung, aus Edelstahl, also einheitlich aus dem gleichen Material gebildet sind, kann vorteilhaft eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kühlelements und damit der Batterie insgesamt ermöglicht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Kosten heutiger Batterien einen wesentlichen Faktor darstellen, der einer noch weiteren Verbreitung oder Adoption von Traktionsbatterien im Fahrzeugbereich entgegensteht. Durch die Fertigung des wenigstens einen Stegs aus Edelstahl kann dabei auf besonders einfache und kostengünstige Weise und mit besonders geringem Materialeinsatz und dementsprechend besonders geringem Querschnitt des wenigstens einen Stegs eine ausreichende mechanische Stabilität des Kühlelements sichergestellt werden. Aufgrund der im Vergleich zu herkömmlicherweise für Kühlelemente verwendetem Aluminium oder Kupfer relativ schlechteren Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl sowie des aufgrund von dessen Stabilität oder Festigkeit ermöglichten besonders geringen Querschnitts des Stegs kann die Wärmeleitung von einer der Seitenflächen durch den wenigstens einen Steg zu der gegenüberliegenden Seitenfläche vorteilhaft reduziert oder gehemmt, also besonders gering gehalten werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Seitenflächen in der Querrichtung eine Wandstärke von weniger als 1 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, auf. Mit anderen Worten können die Seitenflächen, also die Seitenwände des Kühlelements als Bleche, insbesondere als dünne Bleche, ausgebildet sein. Durch eine derartig geringe Wandstärke, also Dicke der Seitenflächen kann vorteilhaft ein effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen durch jeweils eine der Seitenflächen auf das das Kühlelement durchströmende Kühlmedium erreicht werden. Dadurch, dass die Seitenwände dabei aus insbesondere aus Edelstahl gefertigt sein können, kann gleichzeitig eine ausreichende Stabilität oder Festigkeit des Kühlelements aufrechterhalten werden.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Seitenflächen des Kühlelements einerseits und der wenigstens eine Steg, insbesondere alle Querverbindungen zwischen den Seitenflächen, andererseits aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten gebildet. Das Material der Seitenflächen, also der Seitenwände des Kühlelements weist dabei eine höhere oder größere Wärmeleitfähigkeit auf als das Material des wenigstens einen Stegs bzw. aller Verbindungen zwischen den Seitenflächen. Abgesehen von dem wenigstens einen innenliegenden Steg können beispielsweise jeweilige Außenflächen oder Außenwände bildende, um das Kühlelement umlaufende Stirnflächen weitere Verbindungen der beiden Seitenflächen bilden. Um eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kühlelements zu ermöglichen, können alle diese Verbindungen der Seitenflächen einheitlich ausgebildet, also insbesondere aus dem gleichen Material gebildet sein. Dadurch, dass dieses Material eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Seitenflächen, kann die Wärmeleitung zwischen den Seitenflächen, also von einer Seitenfläche durch die Verbindungen zu der anderen Seitenfläche weiter gehemmt oder reduziert werden. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit der Propagation eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen zu anderen der Batteriezellen weiter reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die größere Wärmeleitfähigkeit des Materials der Seitenflächen eine besonders effektive Entwärmung der Batteriezellen, also ein besonders effizienter und effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen durch die Seitenwände auf das das Kühlelement durchströmende Kühlmedium erreicht werden. Auf diese Weise kann die Anisotropie der Wärmetransportfähigkeiten des Kühlelements weiter optimiert werden, um einen besonders sicheren und zuverlässigen Betrieb der Batterie zu ermöglichen.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Seitenflächen zumindest teilweise aus Aluminium oder Kupfer und der wenigstens eine Steg, insbesondere alle Verbindungen zwischen den Seitenflächen, aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Die Fertigung der Seitenflächen mit zumindest einem Aluminium- und/oder Kupferanteil ermöglicht aufgrund der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien eine besonders effektive Entwärmung der Batteriezellen. Die Fertigung des wenigstens einen Stegs bzw. der Verbindungen der Seitenflächen aus dem Kunststoffmaterial ermöglicht es hingegen auf besonders einfache Weise eine reduzierte Wärmeleitung zwischen den Seitenflächen zu realisieren. Dazu können vielfältige verschiedene, bekannte und am Markt frei verfügbare Kunststoffe oder Kunststoffgemische verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist dabei, dass Kunststoffe besonders korrosionsbeständig gegenüber dem Kühlmedium sein können, da sie beispielsweise nicht oder weniger anfällig für Rost oder ein Ausbilder einer Patina sein können. Zudem kann durch die Verwendung des Kunststoffmaterials für alle Verbindungen zwischen den Seitenflächen eine gewisse Flexibilität oder Nachgiebigkeit des Kühlelements in der Querrichtung erreicht werden, wodurch eine Beschädigung des Kühlelements und/oder der daran angrenzenden Batteriezellen bei einem Zusammenpressen der Batteriezellen in der Querrichtung vermieden werden kann. Durch ein derartiges Zusammenpressen kann dann vorteilhaft beispielsweise ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen dem Kühlelement und den Batteriezellen erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Kühlelement, insbesondere vollständig, aus einem Kunststoffmaterial oder aus mehreren verschiedenen Kunststoffmaterialien gebildet. Dies kann vorteilhaft eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kühlelements ermöglichen, beispielsweise im Vergleich zu einer Fertigung aus Kupfer oder dergleichen. Zudem kann eine besonders gute Formanpassung zwischen dem Kühlelement und den Batteriezellen erreicht oder ermöglicht werden, da das Kunststoffmaterial flexibler oder plastischer als ein metallischer Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, Aluminium oder Kupfer, sein kann. Damit kann sich das Kühlelement besonders gut an die Batteriezellen anpassen oder anformen, wodurch ein besonders guter thermischer Kontakt und somit eine besonders effektive Entwärmung der Batteriezellen über das Kühlelement erreicht werden kann. Es hat sich gezeigt, dass auch die Fertigung des Kühlelements aus einem Kunststoffmaterial eine ausreichende Entwärmung der Batteriezellen, also eine ausreichend effektive Wärmeübertragung aus den Batteriezellen durch jeweils eine der Seitenwände des Kühlelements auf oder in das Kühlmedium ermöglicht. Beispielsweise sind heutzutage Kunststoffmaterialien verfügbar, die eine ungefähr auf dem Niveau von Edelstahl liegende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die - zumindest nahezu - vollständige Fertigung oder Ausbildung des Kühlelements aus dem Kunststoffmaterial kann zudem eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich des verwendeten Kühlmediums schaffen, da Kunststoffmaterialien wie beschrieben besonders korrosionsbeständig sein können.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind von den Seitenflächen und dem wenigstens einen Steg nur die Seitenflächen des Kühlelements aus einem Verbundkunststoffmaterial aus einer Kunststoffmatrix mit einem darin eingebetteten Füllstoff mit im Vergleich zu der Kunststoffmatrix höherer Wärmeleitfähigkeit gebildet.
Dies bedeutet, dass insbesondere der wenigstens eine Steg bzw. alle der Verbindungen der Seitenflächen aus einem anderen Material, beispielsweise aus einem reinen oder homogenen Kunststoffmaterial, gebildet sind. Dieses homogene Kunststoffmaterial kann das Material der Kunststoffmatrix oder davon verschieden sein. Als Füllstoff können in die Kunststoffmatrix der Seitenflächen bzw. Seitenwände des Kühlelements beispielsweise Aluminium oder Kupfer, Graphit, Carbon, Keramik, ein Fasermaterial und/oder dergleichen mehr eingebettet sein. Ein derartiges Verbundkunststoff- bzw. Kunststoffverbundmaterial kann vorteilhaft eine insgesamt höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als ein reines oder homogenes Kunststoffmaterial, insbesondere als das für den wenigstens einen Steg, insbesondere für alle Verbindungen der Seitenflächen, verwendetes Material. Auch auf diese Weise können die bereits an anderer Stelle beschriebenen Vorteile der erhöhten Wärmeleitfähigkeit der Seitenflächen, insbesondere bei geringerer Wärmeleitfähigkeit des wenigstens einen Stegs bzw. aller Verbindungen der Seitenflächen in der Querrichtung, erreicht werden. Auf diese Weise kann also eine effektivere Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen in bzw. durch das Kühlmedium bei gleichzeitig reduzierter oder nicht erhöhter Wärmeleitung oder Wärmeübertragung von einer Batteriezelle durch das Kühlelement auf die andere oder benachbarte Batteriezelle erreicht werden. Dadurch, dass der Füllstoff vollständig in die Kunststoffmatrix eingebettet werden kann, kann zudem vorteilhaft vermieden werden, dass der Füllstoff gegenüber dem Kühlmedium exponiert wird, also mit diesem in Kontakt tritt. Dadurch können beispielsweise Korrosion, chemische Reaktionen oder ein Partikeleintrag aus dem Material des Kühlelements in das Kühlmedium vermieden oder reduziert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die außenliegenden Stirnflächen des Kühlelements, die dessen Seitenflächen in der Querrichtung miteinander verbinden und der wenigstens eine innenliegende Steg gleich ausgebildet. Die Stirnflächen bilden also ebenso wie die Seitenflächen Außenwände des Kühlelements. Die Stirnflächen und der wenigstens eine innenliegende Steg bilden hier die, insbesondere alle, Verbindungen der Seitenflächen miteinander in der Querrichtung. Durch die gleiche, also gleichartige Ausbildung oder Ausgestaltung dieser Verbindungen kann vorteilhaft eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kühlelements und damit auch der Batterie insgesamt ermöglicht werden. Zudem kann so eine verbesserte thermische Homogenität erreicht, also beispielsweise eine punktuell erhöhte Wärmedurchleitung durch das Kühlelement oder eine Ausbildung eines Hotspots in einer der Batteriezellen vermieden werden. Eine gleiche oder gleichartige Ausbildung oder Ausgestaltung der Verbindungen, also der Stirnflächen und des wenigstens einen innenliegenden Stegs, kann beispielsweise bedeuten, dass diese Verbindungen sämtlich aus dem gleichen Material gefertigt sind, die gleiche Ausdehnung in der Querrichtung, die gleiche Dicke oder Querschnittsfläche aufweisen und/oder in weiteren Eigenschaften oder Merkmalen zumindest im Wesentlichen, also etwa bis auf Fertigungstoleranzen, identisch sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Batterie aufweist, insbesondere als Traktionsbatterie. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann also bevorzugt ein elektrisches Kraftfahrzeug, bei beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein batterieelektrisches Fahrzeug, sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie genannte Fahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der dort genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht einer Batteriezellenanordnung mit einem dazwischenliegenden Kühlelement;
2 eine schematische Seitenansicht der Batteriezellenanordnung mit einer ersten Variante des Kühlelements; und
3 eine schematische Seitenansicht der Batteriezellenanordnung mit einer zweiten Variante des Kühlelements.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Heutzutage werden in vielfältigen technischen Bereichen und Anwendungen üblicherweise mehrzellige Batterien auf Lithium-Ionen-Basis eingesetzt. Bei diesen besteht im Betrieb oftmals ein Kühlungsbedarf sowie grundsätzlich die Gefahr eines thermischen Durchgehens. Ein solcher Vorfall kann beispielsweise durch einen internen oder externen Kurzschluss oder aus anderen Gründen auftretende hohe Temperaturen entstehen. Dabei können die gesamte Batterie sowie umgebende Bauteile und Einrichtungen zerstört werden, da sich selbst verstärkende, exotherme Reaktionen ablaufen können. Um eine Propagation solcher exothermer Reaktionen über mehrere Zellen hinweg zu verhindern, kann beispielsweise zwischen benachbarten Zellen eine thermische Isolierung angeordnet werden. Damit ist aber ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst guten Kühlung und einer thermischen Isolierung der Zellen gegeben.
Um diesen Zielkonflikt aufzulösen, wird vorliegend die Kombination einer intrazellulären Kühlung mit einer thermischen Isolation vorgeschlagen, also die grundsätzliche Idee der Anordnung einer Kühlplatte zwischen benachbarten Zellen um eine thermisch isolierende Wirkung zwischen den Zellen ergänzt, insbesondere in einem Bauteil vereint. Durch die Kühlung kann eine Überhitzung der Zellen im Betrieb effektiv vermieden werden, während die thermische Isolierung oder Isolationswirkung einen Wärmeübergang von einer beschädigten, also beispielsweise thermisch durchgehenden oder entgasenden Zelle auf eine jeweilige Nachbarzelle reduziert, sodass die jeweilige Nachbarzelle unter einer kritischen Zelltemperatur bleiben kann. Idealerweise reduziert die thermische Isolierung oder Isolationswirkung dabei einen Wärmeübergang von den Zellen auf die Kühlung nicht oder nicht signifikant. Für die Umsetzung sind verschiedene Konzepte möglich.
1 zeigt dazu eine schematische ausschnittweise Perspektivansicht einer Batteriezellenanordnung 10 aus mehreren Batteriezellen 12, die hier beispielhaft als zylindrische Zellen ausgebildet sind. In analoger Weise könnten aber etwa prismatische Zellen oder Pouchzellen oder dergleichen verwendet werden. Zwischen diesen Batteriezellen 12, insbesondere zwischen einer ersten Batteriezelle 14 und einer zweiten Batteriezelle 16, ist hier ein platten- oder bandförmiges Kühlelement 18 angeordnet. Das Kühlelement 18 liegt an Mantelflächen der Batteriezellen 12 an und dient sowohl der Kühlung bzw. Entwärmung der Batteriezellen 12 als auch zu deren thermischer Isolierung voneinander. Das Kühlelement 18 isoliert dabei auf beiden Seiten des Kühlelements 18 angeordnete der Batteriezellen 12 thermisch voneinander, hier also beispielsweise die erste Batteriezelle 14 von der zweiten Batteriezelle 16, bzw. hemmt einen Wärmeübertrag von der ersten Batteriezelle 14 durch das Kühlelement 18 auf die zweite Batteriezelle 16.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht zweier Batteriezellen 12 und des dazwischen angeordneten Kühlelements 18 in einer ersten Variante. Das Kühlelement 18 weist hier jeweils einer der Batteriezellen 12 zugewandte Seitenwände oder Seitenflächen 20 auf, die durch Querverbindungen 22 miteinander verbunden sind. Diese Querverbindungen 22 sind außenliegende, also jeweilige Außenwände bildende Stirnseiten oder Stirnflächen 24 sowie ein innenliegender Steg 26. Durch den Steg 26 wird ein von den Seitenflächen 20 und den Stirnflächen 24 umgebener oder begrenzter Innenraum des Kühlelements 18 in zwei Kühlkanäle 28 unterteilt.
Das Kühlelement 18 kann hier beispielsweise aus Edelstahl gebildet sein. Indem das Kühlelement 18 aus Edelstahl, der eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die etwa um den Faktor 10 unter der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium liegt, ausgeführt wird, kann eine thermisch isolierende Wirkung zwischen der ersten Batteriezelle 14 und der zweiten Batteriezelle 16 erzielt werden. Dies ist insbesondere der Fall, da die Querverbindungen 22 einen, beispielsweise im Vergleich zu den Kühlkanälen 28, relativ schmalen oder geringen Querschnitt aufweisen, wodurch eine Wärmeleitung entlang der Querverbindungen 22 von einer der Seitenflächen 20 zu der anderen Seitenfläche 20 reduziert wird.
Die Kühlkanäle 28 können im Betrieb der Batteriezellenanordnung 10 von einem Kühlmedium durchströmt sein oder werden, das in den Batteriezellen 12 erzeugte und durch die Seitenflächen 20 transportierte Wärme aufnehmen und aus der Batteriezellenanordnung 10 entlang einer Längserstreckung der Kühlkanäle 28 abtransportieren kann. Die Ausführung des Kühlelements 18 aus Edelstahl bzw. dessen im Vergleich zu Aluminium thermisch isolierende Wirkung hat auf die Wärmeübertragung oder Wärmeleitung zwischen den Batteriezellen 12 und dem die Kühlkanäle 28 durchströmenden Kühlmedium nur eine relativ geringe Auswirkung, da hierfür lediglich der Wärmewiderstand einer der Seitenflächen 20, also etwa eines vergleichsweise dünnen Bleches von beispielsweise weniger als 1 mm Dicke oder Wandstärke, überwunden werden muss.
Ebenso kann das Kühlelement 18 hier aus einem Kunststoffmaterial ausgeführt sein. Damit kann eine dem Edelstahl vergleichbare Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Dabei kann in das Kunststoffmaterial oder eine Kunststoffmatrix der Seitenflächen 20 ein Füllstoff, beispielsweise in Form von eingebetteten Kugeln, Partikeln oder Fasern, eingebracht sein. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeleitung der Seitenflächen 20, also ein verbesserter Wärmetransport aus den Batteriezellen 12 in das die Kühlkanäle 28 durchströmende Kühlmedium erreicht werden.
3 zeigt analog eine schematische Seitenansicht der Batteriezellen 12 mit dem dazwischen angeordneten Kühlelement 18 in einer zweiten Variante. Hier ist das Kühlelement 18 als Hybridelement, also aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet. Insbesondere sind hier die Seitenflächen 20 und aus einem anderen Material, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, gefertigt als die Querverbindungen 22. Letztere können beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein, insbesondere aber aus einem Material, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Seitenflächen 20. Durch die höhere Wärmeleitfähigkeit des Materials der Seitenflächen 20, die sich an den Batteriezellen 12 zugewandten Ober- und Unterseiten des Kühlelements 18 befinden, kann ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen dem Kühlelement 18 bzw. dem die Kühlkanäle 28 durchströmenden Kühlmedium und den Batteriezellen 12 sichergestellt werden. Die zwischen den Seitenflächen 20 angeordneten Querverbindungen 22 wirken aufgrund ihrer im Vergleich dazu geringeren Wärmeleitfähigkeit als thermische Isolierung oder Hemmung zwischen den beiden Seitenflächen 20, also beispielsweise entsprechenden Aluminium- oder Kupferplatten.
Das Kühlelement 18 kann hier also als aus drei Schichten aufgebaut angesehen werden. Die beiden außen liegenden Schichten werden durch die Seitenflächen 20 gebildet, während die dritte, dazwischenliegende Schicht durch die Querverbindungen 22 gebildet wird.
Trotz der unterschiedlichen Materialien der Seitenflächen 20 und der Querverbindungen 22 können für die Fertigung des Kühlelements 18 herkömmliche Fertigungsmethoden angewendet werden. Beispielsweise können die aus Aluminium gefertigten Seitenflächen 20 durch Schweißen mit den aus Kunststoff gefertigten Querverbindungen 22 verbunden werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine thermisch isolierende Kühlung für eine Batterie, insbesondere ein eine Hochvoltbatterie oder einen Hochwertspeicher eines Kraftfahrzeugs, realisiert werden kann, um auf einfache Weise einen sicheren Betrieb der jeweiligen Batterie zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezellenanordnung
12: Batteriezellen
14: erste Batteriezelle
16: zweite Batteriezelle
18: Kühlelement
20: Seitenflächen
22: Querverbindungen
24: Stirnflächen
26: Steg
28: Kühlkanäle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2329548 B1 [0003]
DE 102017218248 A1 [0004]

Claims

Batterie (10), umfassend mehrere Batteriezellen (12) und ein Kühlelement (18), das mit einer ersten Seitenfläche (20) in wärmeleitendem Kontakt mit einer ersten der Batteriezellen (12, 14) und mit einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche (20) in wärmeleitendem Kontakt mit einer zweiten der Batteriezellen (12, 16) zwischen den Batteriezellen (12) angeordnet ist, um über die Seitenflächen (20) Wärme aus der ersten Batteriezelle (12, 14) und der zweiten Batteriezelle (12, 16) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Seitenflächen (20) des Kühlelements (18) in Querrichtung des Kühlelements (18) voneinander beabstandet und gegeneinander durch einen innenliegenden Steg (26) abgestützt sind, wodurch zwischen den Seitenflächen (20) in dem Kühlelement (18) wenigstens ein in parallel zu den Seitenflächen (20) verlaufender Längsrichtung erstreckter Kühlkanal (28) zum Führen eines Kühlmediums ausgebildet ist, sodass im Betrieb der Batterie (12) Wärme aus den Batteriezellen (12) durch die mit der jeweiligen Batteriezelle (12) in wärmeleitendem Kontakt stehende Seitenfläche (20) in das in dem Kühlkanal (28) geführte Kühlmedium geleitet und von diesem in der Längsrichtung abtransportiert wird, aber gleichzeitig ein Wärmeübertrag von Batteriezelle (12, 14; 16) zu Batteriezelle (12, 16; 14) durch das Kühlelement (18) hindurch im Vergleich zu einem entsprechend angeordneten Kühlelement aus massivem Aluminium oder gefügten Aluminiumplatten reduziert ist.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (20) des Kühlelements (18) aus Edelstahl gebildet sind.
Batterie (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch der wenigstens eine Steg (26) aus Edelstahl gebildet ist.
Batterie (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (20) in der Querrichtung eine Wandstärke von weniger als 1 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, aufweisen.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (20) des Kühlelements (18) einerseits und der wenigstens eine Steg (26), insbesondere alle Verbindungen (22, 24) zwischen den Seitenflächen (20), andererseits aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten gebildet sind, wobei das Material der Seitenflächen (20) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des wenigstens einen Stegs (26), insbesondere aller Verbindungen (22, 24) zwischen den Seitenflächen (20).
Batterie (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (20) zumindest teilweise aus Aluminium oder Kupfer und der wenigstens eine Steg (26), insbesondere alle Verbindungen (22, 24) zwischen den Seitenflächen (20), aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind.
Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (18), insbesondere vollständig, aus einem oder mehreren verschiedenen Kunststoffmaterialien gebildet ist.
Batterie (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von den Seitenflächen (20) und dem wenigstens einen Steg (26), insbesondere allen Verbindungen der Seitenflächen (20), nur die Seitenflächen (20) des Kühlelements (18) aus einem Verbundkunststoffmaterial aus einer Kunststoffmatrix mit einem darin eingebetteten Füllstoff mit im Vergleich zu der Kunststoffmatrix höherer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind.
Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außenliegende Stirnflächen (24) des Kühlelements (18), die dessen Seitenflächen (20) in der Querrichtung miteinander verbinden, und der wenigstens eine innenliegende Steg (26) gleich ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug, aufweisend eine Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere als Traktionsbatterie (10).