DE102008041548A1

DE102008041548A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102008041548A1
Application number: DE200810041548
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuthner; Philipp Kohlrausch; Joerg Poehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-04
Also published as: WO2010023064A1

Abstract

Bei einem Batteriemodul (1), umfassend ein Gehäuse (2), wenigstens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Batterie (3), wenigstens eine Einlassöffnung (5) zum Einleiten eines Kühlfluids in das Gehäuse (2), wenigstens eine Auslassöffnung (6) zum Ausleiten des Kühlfluids aus dem Gehäuse (2) und wenigstens eine an der wenigstens einen Batterie (3) angeordnete Rippe (7), soll auf einfache Weise eine hohe Kühlleistung der wenigstens einen Batterie (3) erzielt werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Rippe (7) als Kühlrippe (7) mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 80, ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Batteriemodulsystem.
Stand der Technik
Batterien, z. B. Lithiumionenbatterien, versorgen verschiedene Einrichtungen, z. B. Hybridkraftfahrzeuge, elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Rollstühle, Fahrräder mit elektrischem Hilfsantrieb, Hubstapler oder Elektrowerkzeuge mit elektrischen Strom. Im Allgemeinen werden mehrere Batterien in einem Gehäuse eingebaut und dadurch ein Batteriemodul gebildet. Batteriemodule haben den Vorteil, dass diese leichter mit einem Kühlfluid gekühlt und höhere elektrische Leistungen durch die Kombination mehrerer Batteriemodule zu einem Batteriemodulsystem einfach realisiert werden können.
Die in einem Gehäuse angeordneten, normalerweise zylinderförmigen Batterien werden mit umgewälzter Luft als Kühlfluid gekühlt. Die Kühlkonzepte sehen hierbei entweder einer reine Längs- bzw. Axialanströmung oder eine reine Quer- oder Radialanströmung der vorzugsweise zylinderförmigen Batterien im Gehäuse vor. Die Luft strömt dabei durch Öffnungen oder Bohrungen in das Gehäuse ein und wieder aus. Die Kühlleistung hängt dabei unter anderem von der mit Kühlfluid umströmten Oberfläche der Batterie ab.
Die US 5 866 276 zeigt ein gattungsbildendes Batteriemodul. Ein Gehäuse des Batteriemoduls umfasst ein oberes Gehäuseteil mit einer Deckenwandung mit Öffnungen und ein unteres Gehäuseteil mit einer Bodenwandung mit Öffnungen sowie mit Rippen, an denen die Batterien angeordnet sind. Die Rippen haben die Aufgabe, die Kühlluft mit einer bestimmten Strömungsrichtung zu leiten.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst ein Gehäuse, wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Batterie, wenigstens eine Einlassöffnung zum Einleiten eines Kühlfluids in das Gehäuse, wenigstens eine Auslassöffnung zum Ausleiten des Kühlfluids aus dem Gehäuse und wenigstens eine an der wenigstens einen Batterie angeordnete Rippe, wobei die wenigstens eine Rippe als Kühlrippe mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 80, ausgebildet ist. Die Wärmeleitfähigkeit in der Einheit Watt/Meter mal Kelvin (W/mK) von reinen Kunststoffen beträgt beispielsweise 0,5. Dies bedeutet, dass bestimmte Werkstoffe oder Materialien mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit kleiner als 1 als Kühlrippen nicht geeignet sind. Die Aufgabe von Kühlrippen an Batterien ist es, die an der Oberfläche der Batterie freiwerdende Wärme aufgrund einer entsprechend ausreichenden Wärmeleitfähigkeit abzuleiten und dadurch die Oberfläche zu vergrößern, auf der die Wärme an das Kühlfluid abgegeben werden kann. Bei wenigstens zwei Batterien, die mit wenigstens einer an den Batterien angeordneten Rippe miteinander verbunden sind, tritt ein thermischer Ausgleich zwischen den Batterien aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der wenigstens einen Kühlrippe auf. Die wenigstens zwei Batterien haben damit eine ungefähr gleiche Temperatur und geben damit in vorteilhafter Weise ca. die gleiche elektrische Leistung ab. Dies führt zu einer gleichmäßigen Beanspruchung der Batterien innerhalb des Batteriemoduls, so dass die Lebensdauer des Batteriemoduls erhöht wird, weil einzelne Batterien nicht durch eine höhere Belastung stärker beansprucht werden. Eine ungefähr gleiche Temperatur der wenigstens zwei Batterien ist im Allgemeinen mittels eines Umströmens mit einem Kühlfluid nicht möglich, weil sich das Kühlfluid beim Umströmen nicht gleichmäßig erwärmt.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht die wenigstens eine Kühlrippe wenigstens teilweise aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 80.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht die wenigstens eine Kühlrippe wenigstens teilweise aus Aluminium, Messing, Magnesium oder einem Kunststoff mit Metall- und/oder Kohlenstofffasern. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium beträgt beispielsweise ungefähr 200 und die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen mit Metall und/oder Kohlenstofffasern liegt im Bereich von ungefähr 3 bis 4.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist eine Ebene der wenigstens einen Kühlrippe im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu einer Längsachse der wenigstens einen Batterie ausgerichtet.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Kühlrippe scheibenartig ausgebildet und wenigstens zwei Kühlrippen sind übereinander in dem Batteriemodul angeordnet. Die wenigstens zwei Kühlrippen sind im Allgemeinen übereinander und senkrecht zu einer Längsachse der wenigstens einen Batterie ausgerichtet. Dadurch können die Kühlrippen etagenartig innerhalb des Batteriemoduls zur Längsachse der wenigstens einen Batterie ausgerichtet werden.
In einer Variante weist die wenigstens eine Kühlrippe wenigstens eine Aussparung auf, in der die wenigstens eine Batterie angeordnet ist. Bei einer Ausrichtung der Ebene der wenigstens zwei Kühlrippen senkrecht zu einer Längsachse der wenigstens einen Batterie ist es erforderlich, in der wenigstens einen Kühlrippe eine Aussparung für die wenigstens eine Batterie vorzusehen.
Zweckmäßig entspricht die Form der Aussparung, z. B. kreisförmig oder rechteckig, insbesondere quadratisch, im Wesentlichen der äußeren Form der wenigstens einen Batterie, so dass die wenigstens eine Kühlrippe an der wenigstens einen Aussparung mit dem gesamten Umfang der wenigstens einen Batterie in Kontakt steht. Die gesamte Aussparung kann damit in besonders vorteilhafter Weise genutzt werden, um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Batterie und der wenigstens einen Kühlrippe zu erhalten, so dass ein möglichst großer Wärmeübergang von der wenigstens einen Batterie auf die wenigstens eine Kühlrippe erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform steht die wenigstens eine Kühlrippe in einem thermischen Kontakt zu der wenigstens einen Batterie, insbesondere der Oberfläche der wenigstens einen Batterie und/oder wenigstens zwei Batterien mittels der wenigstens einen Kühlrippe thermisch miteinander verbunden sind. Aufgrund der thermischen Verbindung zwischen den wenigstens zwei Batterien treten bei den wenigstens zwei Batterien geringe Temperaturunterschiede auf, so dass die Batterien ungefähr die gleiche Leistung abgeben und ungefähr gleich altern.
Insbesondere steht die wenigstens eine Kühlrippe mittels wenigstens einer Kontaktnase mit der wenigstens einen Batterie in Kontakt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die maximale Kontaktlänge einer Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Kontaktnase und der wenigstens einen Kühlrippe größer als die Breite des Querschnitts der wenigstens einen Kühlrippe. In besonders vorteilhafterweise Weise ist damit die Kontaktfläche zwischen der Kühlrippe und der Batterie größer als ohne der Verwendung einer speziellen Kontaktnase. Dadurch ist es möglich, mehr Wärme von der Batterie auf die Kühlrippe zu übertragen und dadurch die Kühlleistung der Batterie zu verbessern.
In einer ergänzenden Variante ist die wenigstens eine Batterie eine Lithiumionenbatterie und/oder das Kühlfluid ein Gas, insbesondere Luft.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodulsystem umfasst ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Batteriemodul.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen schematischen Längsschnitt eines Batteriemoduls mit Kühlrippen,
2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A in 1,
3 eine perspektivische Ansicht einer plattenförmigen Kühlrippe,
4 einen Längsschnitt einer Batterie mit Kühlrippen, die mittels Kühlnasen mit der Batterie in Kontakt stehen,
5 einen Querschnitt einer Batterie mit radial angeordneten Kühlrippen und
6 einen stark schematisierten Längsschnitt eines Batteriemodulsystems.
Ein in den 1 und 2 im Längs- und Querschnitt dargestelltes Batteriemodul 1 dient beispielsweise zur Stromversorgung eines Hybridkraftfahrzeuges. Das Batteriemodul 1 weist ein Gehäuse 2 mit einer Bodenwandung 15, einer Deckenwandung 16 und Seitenwandungen 17 auf. Das Batteriemodul 1 ist im Wesentlichen quaderförmig. Das in 1 und 2 dargestellte Gehäuse 2 ist in modifizierter Form in einem nicht dargestellten äußeren Gehäuse (nicht dargestellt) zur Ausbildung eines Entgasungskanals (nicht dargestellt) angeordnet. Die Seitenwandungen 17 sind mit Einlassöffnungen 5 und Auslassöffnungen 6 versehen. Durch die Ein- und Auslassöffnungen 5, 6 strömt Luft als Kühlfluid in das Gehäuse 2 ein und wieder aus.
Senkrecht zu einer Längsachse 8 der Batterie 3 sind etagenartig übereinander Kühlrippen 7 angeordnet. In dem Batteriemodul 1 sind insgesamt sechs als Lithiumionenbatterien 4 ausgebildete Batterien 3 angeordnet. Die Kühlrippen 7 weisen deshalb auch sechs Aussparungen 9 auf (2 und 3). Die Batterien 3 stehen damit an einer Kontaktfläche 12 an der Aussparung 9 der Kühlrippe 7 in Kontakt mit der Batterie 3. Die Kühlrippen 7 sind aus Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit in W/mK von ungefähr 200 ausgebildet. Es handelt sich dabei um ein Aluminiumblech, das einfach beispielsweise durch Umformen insbesondere Biegen, geformt werden kann.
An den Aussparungen 9 sind Kontaktnasen 10 ausgebildet. Die Kontaktnasen 10 sind in 1 bis 3 nicht dargestellt. In 4 ist ein Längsschnitt einer Lithiumionenbatterie 4 mit drei Kühlrippen 7 dargestellt. Die Kontaktnasen 10 sind einfach im Bereich der Aussparungen 9 der Kühlrippen 7 durch Biegen der Kühlrippen 7 zu Kontaktnasen 10 hergestellt. Dadurch entsteht zwischen der Batterie 4 und der Kühlrippe 7 eine Kontaktfläche 12, deren Kontaktlänge 11 größer ist als eine Breite 13 eines Querschnitts der Kühlrippe 7 (4). Bei einer Anbindung der Kühlrippen 7 an die Batterien 3 mittels der Kontaktnasen 10 entsteht damit eine größer Kontaktfläche 12 als diejenige, welche in 3 für eine Kühlrippe 7 ohne Kontaktnasen 10 vorhanden ist. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise die Kontaktfläche 12 zwischen der Batterie 3 und den Kühlrippen 7 vergrößert werden, so dass der Wärmeaustausch zwischen der Batterie 3 und den Kühlrippen 7 erhöht und damit die Kühlleistung verbessert wird.
Die einzelnen Kühlrippen 7 sind mittels nicht dargestellter Distanzhalter miteinander verbunden. Die Distanzhalter dienen mechanisch dazu, den Abstand zwischen den einzelnen Kühlrippen 7 sicherzustellen und erhöhen außerdem in thermischer Hinsicht die Verbindung zwischen den einzelnen Kühlrippen 7 in den verschiedenen Ebenen.
In 5 ist ein Querschnitt einer Batterie 3 mit radial angeordneten Kühlrippen 7 dargestellt. Eine Ebene der Kühlrippen 7 ist damit parallel zu einer Längsachse der Batterie 3. Die einzelnen Kühlrippen 7 können dabei auch mit Kühlrippen 7 verbunden sein, die an einer anderen Batterie 3 angeordnet ist (nicht dargestellt).
In einer nicht dargestellten Ausgestaltung können an der Oberfläche der Batterien 3 und/oder der Kühlrippen 7 Vorsprünge und/oder Vertiefungen ausgebildet sein. Es kann sich hierbei beispielsweise um Stolperdrähte handeln, die bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids dazu dienen, einen Umschlag von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung zu erzeugen, weil eine turbulente Strömung einen besseren Wärmeübergang von den Batterien 1 bzw. Kühlrippen 7 zu dem Kühlfluid ermöglicht. In einer anderen Variante können an der Oberfläche der Batterien 3 und/oder der Kühlrippen 7 Lamellen vorhanden sein oder diese mit einer Struktur, beispielsweise mit Noppen oder Rippen, versehen sein. Dadurch wird die Oberfläche der Batterien 3 und/oder der Kühlrippen 7 erhöht, so dass sich dadurch die Kühlleistung verbessert.
In dem Batteriemodul 1 können auch Leitbleche zur Optimierung der Strömung des Kühlfluids in dem Batteriemodul 1 angeordnet sein. Die nicht dargestellten Leitbleche können beispielsweise an einer ersten und letzten Zellreihe eines Batteriemoduls angeordnet sein, an denen jeweils eine Einlass- oder eine Auslassöffnung 5, 6 vorhanden ist.
Die Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wird.
Mehrere Batteriemodule 1 können auch zu einem Batteriemodulsystem 14 verbunden werden. Die Einlass- und Auslassöffnung 5, 6 der einzelnen Batteriemodule 1 werden zu einer zentralen Luftzufuhr, z. B. einem Ventilator, parallel geschaltet (nicht dargestellt). Der modulare Aufbau gestattet damit eine bessere Skalierbarkeit, weil mit den identischen Batteriemodulen 1 unterschiedliche elektrische Leistungen für verschiedene Anwendungen einfach realisiert werden können.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die einfach herzustellenden und preiswerten Kühlrippen 7, z. B. aus Aluminium, verbessern den Wärmeübergang von der Batterie 3 auf das Kühlfluid. Die Oberfläche, die zum Kühlen der Batterien 3 zur Verfügung steht, wird dadurch wesentlich vergrößert. Ferner sind die Batterien 3 thermisch mittels der wenigstens einen Kühlrippe 7 miteinander verbunden, so dass die Batterien 3 ungefähr die gleiche Temperatur aufweisen und damit die Leistung und Alterung der Batterien 3 in dem Batteriemodul gleichmäßig erfolgt.
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

- US 5866276 [0004]

Claims

Batteriemodul (1), umfassend ein Gehäuse (2), wenigstens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Batterie (3), wenigstens eine Einlassöffnung (5) zum Einleiten eines Kühlfluids in das Gehäuse (2), wenigstens eine Auslassöffnung (6) zum Ausleiten des Kühlfluids aus dem Gehäuse (2) und wenigstens eine an der wenigstens einen Batterie (3) angeordnete Rippe (7), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (7) als Kühlrippe (7) mit einer Wärmeleitfähigkeit in W/mK von wenigstens 1, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 80, ausgebildet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) wenigstens teilweise aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit in W/mK von wenigstens 1, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 80, besteht.
Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) wenigstens teilweise aus Aluminium, Messing, Magnesium oder einem Kunststoff mit Metall- und/oder Kohlenstofffasern besteht.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ebene der wenigstens einen Kühlrippe (7) im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu einer Längsachse (8) der wenigstens einen Batterie (3) ausgerichtet ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) scheibenartig ausgebildet ist und wenigstens zwei Kühlrippen (7) übereinander in dem Batteriemodul (1) angeordnet sind.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) wenigstens eine Aussparung (9) aufweist, in der die wenigstens eine Batterie (3) angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Aussparung (9), z. B. kreisförmig oder rechteckig, insbesondere quadratisch, im Wesentlichen der äußeren Form der wenigstens einen Batterie (3) entspricht, so dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) an der wenigstens einen Aussparung (9) mit dem gesamten Umfang der wenigstens einen Batterie (3) in Kontakt steht.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) in einem thermischen Kontakt zu der wenigstens einen Batterie (3), insbesondere der Oberfläche der wenigstens einen Batterie (3), steht und/oder mittels der wenigstens einen Kühlrippe (7) wenigstens zwei Batterien (3) thermisch miteinander verbunden sind.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kühlrippe (7) mittels wenigstens einer Kontaktnase (10) mit der wenigstens einen Batterie (3) in Kontakt steht.
Batteriemodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Kontaktlänge (11) einer Kontaktfläche (12) zwischen der wenigstens einen Kontaktnase (10) und der wenigstens einen Kühlrippe (7) größer ist als die Breite (13) des Querschnitts der wenigstens einen Kühlrippe (7).
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Batterie (3) eine Lithiumionenbatterie (4) und/oder das Kühlfluid ein Gas, insbesondere Luft, ist.
Batteriemodulsystem (14) mit mehreren Batteriemodulen (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodulsystem (14) wenigstens ein Batteriemodul (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche umfasst.