DE102012112294A1

DE102012112294A1 - Elektrischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102012112294A1
Application number: DE201210112294
Authority: DE
Inventors: Stefan Bender; Björn Pehnert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18
Also published as: KR101572328B1; US10128549B2; KR20140078548A; JP2014120474A; CN103872402A; CN103872402B; US20140170462A1; JP5775138B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren gleich ausgerichteten Batteriezellen, die jeweils zwei parallele Seiten aufweisen, wobei jede Batteriezelle ein Zellenterminal mit jeweils einem Pluspol und einem Minuspol aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass d ie Batteriezellen als Beutelzellen ausgebildet sind, zwischen denen eine Graphitpartikel aufweisende Folie zur Kühlung angeordnet ist, und dass im Bereich zumindest eines Zellenterminals einer Batteriezelle ein Kühlkanal vorgesehen ist, der wärmeübertragend mit dem Zellenterminal und der Folie verbunden ist. Hierdurch kann ein leistungsstarker und platzsparender Energiespeicher geschaffen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren gleich ausgerichteten Batteriezellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen elektrischen Energiespeicher ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Aus der US 2006/0134514 A1 ist ein gattungsgemäßer elektrischer Energiespeicher mit mehreren gleich ausgerichteten Batteriezellen bekannt, die jeweils zwei parallele Seiten aufweisen, wobei jede Batteriezelle ein Zellenterminal mit jeweils einem Pluspol und einem Minuspol besitzt. Zwischen den einzelnen Batteriezellen sind dabei Kühlkörper aus Graphit zur Wärmeübertragung angeordnet.
Aus der EP 2 355 204 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, die einen ersten Batteriestapel mit mehreren Batteriemodulen aufweist. Jedes dieser Batteriemodule nimmt dabei ein oder mehrere Batteriezellen auf, wobei die Batteriemodule des ersten Batteriestapels eine erste Batteriestapelseite definieren. Die Batterieeinheit umfasst des Weiteren einen zweiten Batteriestapel wiederum mit mehreren Batteriemodulen und zugehörigen Batteriezellen, wobei die Batteriemodule des zweiten Batteriestapels eine zweite Batteriestapelseite definieren, die im Abstand von und gegenüberliegend der ersten Batteriestapelseite angeordnet ist. Zwischen den beiden Batteriestapeln ist dabei eine Wärmetauscherstruktur angeordnet, die ein oder mehrere Fluidströmungsdurchgänge definiert. Die Wärmetauscherstruktur ist dabei elastisch verformbar um bei Ausdehnung des ersten und des zweiten Batteriestapels zusammengedrückt werden zu können.
Aus der US 2011/0195290 A1 ist ein Batteriemodul mit einem Gehäuse und wenigstens zwei darin angeordneten Batterien bekannt, zwischen denen ein Kühlelement zum Ableiten der von den wenigstens zwei Batterien erzeugten Wärme ausgebildet ist. Das wenigstens eine Kühlelement weist dabei in Richtung einer x-Achse und in Richtung einer y-Achse eine größere Ausdehnung auf als in Richtung der z-Achse, wobei es zudem in Richtung der x-Achse und/oder in Richtung der y-Achse eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in Richtung der in Richtung der z-Achse. Hierdurch kann eine gerichtete Wärmeableitung erzwungen werden.
Aus der US 2010/0279152 A1 ist wiederum ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei zwischen den einzelnen Batteriezellen ein Wärmeleitkörper aus Graphit angeordnet ist.
Aus der US 2012/0009455 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, mit mehreren miteinander verschalteten und parallel zueinander angeordneten Batteriezellen, wobei auch diese Batteriezellen durch Kühlkörper voneinander getrennt sind. Ein ähnlicher Energiespeicher ist auch in der WO 2012/013789 A1 beschrieben.
Weitere elektrische Energiespeicher sind aus der US 2012/0231315 A1 sowie aus der WO 2011/146919 A2 bekannt.
Moderne Hochleistungsbatterien, insbesondere Traktionsbatterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, müssen gekühlt werden, um deren Leistungsfähigkeit erhalten und die Lebensdauer verlängern zu können. Dabei sind die bekannten elektrischen Energiespeicher üblicherweise aus einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt, die stapelartig nebeneinander angeordnet werden. Um eine effiziente Kühlung der einzelnen Batteriezellen bewirken zu können, sind zwischen diesen oftmals Kühlkörper angeordnet, die jedoch einen nicht unerheblichen Bauraumbedarf erfordern und zudem die Kühlung der einzelnen Batteriezellen an deren besonders kritischen Bereichen nicht optimal erfüllen können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen elektrischen Energiespeicher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine kompakte Bauweise auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen elektrischen Energiespeicher mit mehreren gleich ausgerichteten und als Beutelzellen ausgebildeten Batteriezellen mit zwischen den einzelnen Beutelzellen angeordneten Graphit aufweisenden Folien zu kühlen und zugleich ein jeweiliges Zellenterminal der Batteriezelle wärmeübertragend mit einem Kühlkanal zu verbinden, so dass nicht nur eine großflächige Kühlung der einzelnen Batteriezellen an den Außenseiten, sondern zugleich auch eine effiziente Kühlung der jeweiligen Batteriezellen im Bereich ihrer Zellenterminals erfolgen kann, wodurch insgesamt eine besonders effektive Kühlung des Energiespeichers möglich ist. Die Ausbildung der einzelnen Batteriezellen als Beutelzellen ermöglicht nicht nur ein vergleichsweise einfaches Herstellen der jeweiligen Batteriezellen, sondern auch ein Wegfallen eines bisher für jede Batteriezelle erforderlichen Gehäuses, wodurch auch in diesem Bereich Bauraum und darüber hinaus Gewicht eingespart werden können. Durch die Anordnung der einzelnen Graphit aufweisenden Folien zwischen den einzelnen Beutelzellen kann darüber hinaus der bisher für alternative Kühlkörper erforderliche Bauraum erheblich reduziert werden, da die Graphit aufweisende Folie deutlich kompakter baut als bisher verwendete Kühlkörper. Eine derartige Kühlfolie passt sich zudem an die jeweilige Oberfläche der Beutelzelle optimal an und ermöglicht so durch das flächige Anliegen eine optimierten Wärmeübertrag, das heißt eine optimierte Wärmeableitung, und durch die Heat-Spreader-Wirkung gute Temperaturhomogenität. Von besonderem Vorteil bei dem elektrischen Energiespeicher ist jedoch, dass im Bereich des Zellenterminals einer Batteriezelle ein Kühlkanal vorgesehen ist, der wärmeübertragend mit dem Zellenterminal und zugleich mit der Folie verbunden ist, wodurch die jeweilige Batteriezelle nicht nur großflächig an deren Seitenflächen, sondern zusätzlich auch optimiert im Bereich deren Zellenterminal gekühlt werden kann.
Zweckmäßig ist die Folie als Kunststofffolie mit Graphitpartikeln ausgebildet. Hierdurch lässt sich die Folie zur Kühlung der Batteriezellen vergleichsweise kostengünstig herstellen, wobei die Graphitpartikel beispielsweise vom Kunststoff der Kunststofffolie umschlossen sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Folie derart ausgebildet, dass sie nicht nur die jeweilige Seite der benachbarten Beutelzellen bedeckt oder dadurch kühlt, sondern auch die jeweiligen Zellenterminals. Die Folie kann somit Fortsätze in Richtung des jeweiligen Zellenterminals aufweisen, die eine Kühlung derselben nicht nur durch den direkten Kontakt mit dem Kühlkanal, sondern auch durch den Kontakt mit der Folie ermöglichen.
Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen in den vorherigen Absätzen beschriebenen vorteilhaften Energiespeicher in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug als Traktionsbatterie einzusetzen, da insbesondere hier die elektrischen Energiespeicher vergleichsweise groß und leistungsstark ausgebildet sein müssen. Durch die effektive Kühlung und zugleich die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Energiespeichers lässt sich die Leistungsfähigkeit eines damit ausgestatteten Hybrid- oder Elektrofahrzeugs erheblich speichern, da nicht nur einzelne Energiespeicher aufgrund der verbesserten Kühlung eine höhere Leistungsfähigkeit besitzen, sondern sich zugleich aufgrund der kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen Energiespeicher auch im gleichen Bauraum eine höhere Anzahl an Energiespeichern anordnen lässt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch
1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher in einer Seitenansicht,
2 eine Explosionsdarstellung des elektrischen Energiespeichers. Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher 1 mehrere gleich ausgerichtete Batteriezellen 2 auf, die jeweils zwei parallele Seiten besitzen. Jede Batteriezelle 2 besitzt darüber hinaus ein Zellenterminal 3 mit jeweils einem Pluspol 4 und einem Minuspol 5 (vergleiche 2). Erfindungsgemäß sind nun die Batteriezellen 2 als sogenannte Beutelzellen (pouch cells) ausgebildet, zwischen denen jeweils eine Graphitpartikel 14 aufweisende Folie 6 als Kühlfolie, das heißt zur Kühlung der Batteriezellen 2, angeordnet ist. Graphit besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass die Folie 6 in der Lage ist, die im Inneren der Batteriezelle 2 beim Betrieb derselben entstehende Wärme großflächig über die Seitenflächen der Batteriezelle 2 abzuführen. Im Bereich zumindest eines Zellenterminals 3 ist darüber hinaus ein Kühlkanal 7 vorgesehen, der wärmeübertragend mit dem jeweiligen Zellenterminal 3 und zugleich wärmeübertragend mit der Folie 6 verbunden ist. Der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher 1 weist durch die beschriebene Konstruktion mehrere bedeutende Vorteile auf. Zum einen ist es mit der Folie 6 möglich, eine großflächige aber dennoch bauraumreduzierte Kühlung der einzelnen Batteriezellen 2 zu erreichen, wodurch die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 1 gesteigert und dessen Bauraumbedarf reduziert werden kann. Über die direkte wärmeübertragende Anbindung der Kühlkanäle 7 an den jeweiligen Zellenterminal 3 kann darüber hinaus nicht nur eine großflächige seitliche Kühlung der Batteriezelle 2 erfolgen, sondern auch eine effiziente Kühlung der Zellenterminals 3, so dass eine Kühlung sowohl von innen als auch von außen erfolgen kann. Durch die Verwendung von Beutelzellen als Batteriezellen 2 kann darüber hinaus auf ein bisher jede Batteriezelle einfassendes Gehäuse verzichtet werden, welches zum einen einen nicht unerheblichen Bauraumbedarf erforderte und zum anderen den Energiespeicher 1 schwer und teuer machte. Beutelzellen sind dabei ebenso leistungsstark wie herkömmliche, das heißt mit einem Gehäuse eingefasste Batteriezellen, jedoch deutlich kostengünstiger.
Die Folie 6 zur Kühlung der einzelnen Batteriezellen 2 ist dabei als Kunststofffolie ausgebildet mit darin eingeschlossenen bzw. eingebetteten Graphitpartikeln 14. Die Ausbildung der Folie 6 als Kunststofffolie ermöglicht deren kostengünstige und flexible Herstellung, so dass mit entsprechenden Spritzgusswerkzeugen generell auch auf unterschiedlichste Abmessungen bzw. Abmessungsänderungen reagiert werden kann. Die Folie 6 ist darüber hinaus vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie nicht nur die jeweilige Seite der benachbarten Batteriezelle 2 bedeckt, an welche sie sich flächig anlegt, sondern auch die jeweiligen Batterieterminals 3. Hierdurch wäre mittels der Folie 6 eine Kühlung der Batteriezelle 2 sowohl flächig an deren Außenseiten als auch im Bereich deren Zellenterminals 3 möglich.
Je nach Aufbau des elektrischen Energiespeichers 1 können zumindest zwei durch eine Folie 6 voneinander getrennte Batteriezellen 2 nebeneinander angeordnet sein und zusammen ein Batteriemodul 13 mit einem gemeinsamen Zellenterminal 3 bilden. In diesem Fall müssten die einzelnen Batteriezellen 2 untereinander selbstverständlich elektrisch verbunden sein. Mehrere dieser Batteriemodule 13 könnten dann im Energiespeicher 1 stapelartig nebeneinander angeordnet sein, wobei zwischen den Batteriemodulen 13 wiederum jeweils eine zusätzliche Folie 6 angeordnet werden sollte.
Die Kühlkanäle 7 weisen vorzugsweise einen eckigen Außenquerschnitt sowie einen runden Innenquerschnitt auf, wobei der eckige bzw. rechteckige Außenquerschnitt ein flächiges Anliegen an die jeweiligen Zellenterminals 3 ermöglicht, wogegen der runde Innenquerschnitt strömungsoptimiert ausgebildet ist. Betrachtet man dabei die 1, so kann man erkennen, dass das die Kühlkanäle 7 durchströmende Kühlmittel zunächst über einen Einlasskanal 8 einströmt, wobei die jeweiligen Kühlkanäle 7 mit ihren jeweiligen Längsenden eingangsseitig mit dem Einlasskanal 8 und ausgangsseitig mit einem gegenüberliegenden Auslasskanal 9 verbunden sind. Das Kühlfluid strömt somit entsprechend dem Pfeil 10 durch die Kühlkanäle 7 und kühlt dabei nicht nur die einzelnen Zellenterminals 3 der jeweiligen Batteriezellen 2, sondern zugleich auch die Folien 6, die wiederum wärmeübertragend in einzelnen Batteriezellen 2 verbunden sind. Eingefasst wird der erfindungsgemäße Energiespeicher 1 selbstverständlich von einem Gehäuse 11, das die einzelnen Batteriezellen 2 zusammenhält.
Betrachtet man abschließend noch die mittlere Darstellung der 2, so kann man erkennen, dass die Folie 6 aufgrund ihrer Flexibilität flächig an die jeweilige Batteriezelle 2 anliegen kann im Bereich des Zellenterminals 3 Fortsätze 12 aufweist, die mit den Kühlkanälen 7 wärmeübertragend verbunden sind.
Generell kann der erfindungsgemäße Energiespeicher 1 in sämtlichen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wobei insbesondere der Einsatz in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, also in Kraftfahrzeugen mit hohem elektrischem Energiebedarf, von großem Vorteil ist. Der elektrische Energiespeicher 1 kombiniert dabei zwei bisher unabhängige Kühlkonzepte, nämlich die Kühlung der Zellenterminals 3 und die flächige Kühlung der Batteriezellen 2, wodurch die Leistungsfähigkeit erhöht werden kann. Aufgrund der Ausbildung der Batteriezellen 2 als Beutelzellen sowie des Kühlkörpers als Folie 6 baut der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher 1 auch deutlich kompakter als bisherige Energiespeicher, was erhebliche Gewichts- und Leistungsvorteile bringt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0134514 A1 [0002]
EP 2355204 A1 [0003]
US 2011/0195290 A1 [0004]
US 2010/0279152 A1 [0005]
US 2012/0009455 A1 [0006]
WO 2012/013789 A1 [0006]
US 2012/0231315 A1 [0007]
WO 2011/146919 A2 [0007]

Claims

Elektrischer Energiespeicher (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren gleich ausgerichteten Batteriezellen (2), die jeweils zwei parallele Seiten aufweisen, wobei jede Batteriezelle (2) ein Zellenterminal (3) mit jeweils einem Pluspol (4) und einem Minuspol (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Batteriezellen (2) als Beutelzellen ausgebildet sind, zwischen denen eine Graphit aufweisende Folie (6) zur Kühlung angeordnet ist, – im Bereich zumindest eines Zellenterminals (3) einer Batteriezelle (2) ein Kühlkanal (7) vorgesehen ist, der wärmeübertragend mit dem Zellenterminal (3) und der Folie (6) verbunden ist.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) als elektrisch isolierende Kunststofffolie mit wärmeleitender Graphitfüllung, insbesondere mit Graphitpartikeln (14), ausgebildet ist.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) derart ausgebildet ist, dass sie nicht nur die jeweilige Seite der benachbarten Batteriezellen (2) bedeckt und dadurch kühlt, sondern auch die jeweiligen Zellenterminals (3).
Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei durch eine Folie (6) voneinander getrennte Batteriezellen (2) nebeneinander angeordnet sind und zusammen ein Batteriemodul (13) mit einem gemeinsamen Zellenterminal (3) bilden.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei elektrische Batteriemodule im Energiespeicher (1) vorgesehen sind, wobei zwischen zwei Batteriemodulen (13) jeweils eine zusätzliche Folie (6) angeordnet ist.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) einen rechteckigen Außenquerschnitt und/oder einen runden Innenquerschnitt aufweist.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) als Traktionsbatterie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem elektrischen Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.