DE102012218764A1 - Cooling fin for cooling e.g. electrochemical cell of battery module for e.g. hybrid car, has thermally conductive material layer provided in base portion outer surface which is thermally connected with electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlfinne zum Kühlen einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle, eine Energiespeicher-/-wandeleinheit, die eine derartige Kühlfinne umfasst, sowie ein Batteriemodul aus mindestens zwei der genannten Energiespeicher-/-wandeleinheiten. The present invention relates to a cooling fin for cooling an electrochemical or electrostatic cell, an energy storage / conversion unit comprising such a cooling fin, and a battery module comprising at least two of said energy storage / conversion units.
Anforderungen an Energiespeicher für Kraftfahrzeuge sind unterschiedlich, denn je nach Fahrzeugtyp, beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeug, werden hohe Leistungs- und/oder Energiedichten bei einem möglichst kleinen Bauraum des Energiespeichers verlangt. Die genannten Anforderungen werden unter anderem mit Lithium-Ionen-Zellen als eine mögliche elektrochemische Energiequelle erfüllt. Insbesondere bei Hybridanwendungen entsteht während eines Betriebs aufgrund hoher Lade- und Entladeströme in zeitlich sehr kurzer Abfolge in den Zellen Wärme durch Innenwiderstand der Zellen und Stromfluss. Die entstehende Wärme muss für eine optimale Funktion, hohe Lebensdauer und Sicherheit im Betrieb der einzelnen Zellen möglichst gut an eine Umgebung der Zellen abgegeben, also eine entstehende Wärmemenge möglichst zielgerichtet abgeführt werden. Hierbei soll eine möglichst starke Wärmesenke geschaffen werden, die sich mit einem möglichst geringen thermischen Widerstand zwischen einer Wärmequelle, also der elektrochemischen Zelle, und der Wärmesenke realisieren lässt, wobei die Wärmesenke im weitesten Sinne als Kühlkreislauf anzusehen ist. Requirements for energy storage for motor vehicles are different, because depending on the vehicle type, such as hybrid or electric vehicle, high power and / or energy densities are required in the smallest possible space of the energy storage. These requirements are met, inter alia, with lithium-ion cells as a possible electrochemical energy source. In hybrid applications in particular, heat is generated during an operation due to high charge and discharge currents in a very short time sequence in the cells due to internal resistance of the cells and current flow. The resulting heat must be given as best as possible to an environment of the cells for optimum function, long life and safety in the operation of the individual cells, so that a resulting amount of heat can be dissipated as accurately as possible. Here, the strongest possible heat sink to be created, which can be realized with the lowest possible thermal resistance between a heat source, so the electrochemical cell, and the heat sink, the heat sink is to be regarded in the broadest sense as a cooling circuit.
Eine Möglichkeit der Wärmeabführung für das Kühlen der elektrochemischen Zellen ist das Verbinden der Zellen durch eine Verklebung mit einem Kühlkörper, bevorzugt einer Kühlfinne, der beispielsweise flächig von einem Kühlmedium durchströmt wird. Aus dem Stand der Technik bekannte Kühlfinnen beschriebener Art, die in Aluminiumstrangpressverfahren hergestellt werden, weisen in der Regel ein verhältnismäßig hohes Gewicht auf, und bringen die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zwischen einzelnen elektrochemischen Zellen sowie bei Hochspannungsbatterien auch die Gefahr eines elektrischen Durchschlags von der Zelle zu den Kühlfinnen bei einer unzureichenden Isolation mit sich. Auch ist die Herstellung solcher bekannter Kühlfinnen mit nachteilig hohen Kosten verbunden. One possibility of dissipating heat for the cooling of the electrochemical cells is to connect the cells by bonding to a heat sink, preferably a cooling fin, which, for example, flows through a cooling medium in a planar manner. Cooling fins of the type described in the prior art, which are produced in aluminum extrusion processes, generally have a relatively high weight, and also bring the danger of electrical short circuits between individual electrochemical cells and high voltage batteries also the risk of electrical breakdown from the cell to the Cooling fines with insufficient insulation with it. The production of such known cooling fins is associated with disadvantageously high costs.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlstruktur vorzusehen, die die genannten Nachteile oder zumindest verringert. The present invention is therefore based on the object to provide a cooling structure which reduces the disadvantages mentioned or at least.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlfinne nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben. This object is achieved by a cooling fin according to
Die vorgeschlagene Kühlfinne zum Kühlen einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle umfasst einen flächigen Grundkörper. Der flächige Grundkörper dient einem thermischen Koppeln mit mindestens einer Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Der Grundkörper weist außerdem mindestens einen Kühlkanal zum Abführen von Wärme durch ein Kühlmedium auf. Zumindest Teile des Grundkörpers sind hierbei aus einem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt. Dieses Material bildet mindestens einen Teil einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers, wobei die genannte äußere Oberfläche der thermischen Kopplung mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle dient. The proposed Kühlfinne for cooling an electrochemical or electrostatic cell comprises a flat body. The planar body serves for thermal coupling with at least one side of the electrochemical or electrostatic cell. The main body also has at least one cooling channel for dissipating heat through a cooling medium. At least parts of the base body are in this case made of an electrically insulating, but nevertheless heat-conducting material. This material forms at least part of an outer surface of the body, said outer surface serving for thermal coupling to the electrochemical or electrostatic cell.
Der Grundkörpers kann teilweise oder vollständig aus dem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper mit mindestens einer Wand ausgestattet, die sich vom Kühlkanal zu der äußeren Oberfläche erstreckt, welche zum direkten körperlichen Kontakt mit der Zelle vorgesehen ist, wobei die Wand aus dem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt ist. Durch die Wand kann dann Wärme transportiert werden, wobei die Wand gleichzeitig zur elektrischen Isolation dient. The main body may be made partially or completely of the electrically insulating, but nevertheless heat-conducting material. Preferably, the base body is provided with at least one wall extending from the cooling channel to the outer surface, which is intended for direct physical contact with the cell, wherein the wall is made of the electrically insulating, but still heat-conducting material. Heat can then be transported through the wall, with the wall also serving for electrical insulation.
Die vorgeschlagene Kühlfinne ermöglicht eine zuverlässige Wärmeabfuhr, gewährleistet eine hohe Durchschlagsfestigkeit und die kostengünstig herzustellen ist. Insbesondere ergibt sich eine höhere Sicherheit dadurch, dass zumindest Teile des Grundkörpers nicht leitend sind und daher die Kurzschlussgefahr im Falle eines Aufschlags stark verringert ist. The proposed Kühlfinne allows reliable heat dissipation, ensures a high dielectric strength and is inexpensive to manufacture. In particular, higher safety results from the fact that at least parts of the base body are not conductive and therefore the risk of short-circuiting is greatly reduced in the case of an impact.
Dadurch, dass der Grundkörper flächig ausgebildet ist, also mit einer im Verhältnis zum Volumen großen Oberfläche, die einer Kontaktierung mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle dient, ist es möglich, die elektrochemische oder elektrostatische Zelle mit einem Großteil ihrer Oberfläche mit der Kühlfinne thermisch zu koppeln und entstehende Wärme durch die thermische Kopplung abzuleiten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zumindest für Teile des Grundkörpers und insbesondere zur Bildung der zur thermischen Kopplung dienenden Oberfläche ein zwar wärmeleitendes, aber elektrisch isolierendes Material verwendet werden kann, sofern der Kühlkanal in dem Grundkörper von dem Kühlmedium durchströmt wird und somit die Wärme effizient abführt. Dadurch, dass insbesondere der Teil der äußeren Oberfläche, der in Kontakt mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle kommt und somit Wärme von der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle aufnehmen kann, aus dem genannten Material besteht, ist eine elektrische Isolierung gegenüber der angrenzenden elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle sichergestellt. Insbesondere werden dadurch bei Zellen im Softpackdesign in Aluminiumverbundfolie Anforderungen an eine Durchschlagsfestigkeit einer Siegelnaht reduziert bzw. es. kann vorteilhafterweise auf weitere Bauteile zur elektrischen Isolierung verzichtet werden, was sowohl eine Gewichts- als auch eine Kostenersparnis mit sich bringt. Durch die flächige Strömungsführung in dem Grundkörper in einigen Ausführungsformen können auch Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Ag, Cu, Al oder auch Fe verwendet werden, da durch die flächige Wärmeabfuhr ausreichend Wärme abgeführt werden kann. Characterized in that the body is formed flat, so with a relatively large volume surface, which serves to make contact with the electrochemical or electrostatic cell, it is possible to thermally couple the electrochemical or electrostatic cell with a large part of its surface with the cooling fin and dissipate the resulting heat through the thermal coupling. The invention is based on the finding that, although a heat-conducting, but electrically insulating material can be used at least for parts of the body and in particular for forming the surface for thermal coupling, if the cooling channel is flowed through by the cooling medium in the body and thus the heat efficiently dissipates. In particular, because the part of the outer surface which comes into contact with the electrochemical or electrostatic cell and thus can absorb heat from the electrochemical or electrostatic cell is made of said material, electrical isolation from the adjacent electrochemical or electrostatic cell is ensured , In particular, this will cause cells in the Soft-pack design in aluminum composite film reduces or reduces the requirements for the dielectric strength of a sealed seam. can advantageously be dispensed with further components for electrical insulation, which brings both a weight and a cost savings. Due to the planar flow guidance in the base body in some embodiments, it is also possible to use materials having a lower thermal conductivity than Ag, Cu, Al or also Fe, since sufficient heat can be dissipated by the areal heat dissipation.
Unter einem wärmeleitfähigen Material soll hierbei ein Material verstanden werden, dessen Wärmeleitfähigkeit λ > 0,1 W/(m·K) ist. Der genannte Wert für die Wärmeleitfähigkeit bezieht sich auf eine Temperatur von 293 K. A thermally conductive material is to be understood here as meaning a material whose thermal conductivity λ is> 0.1 W / (m · K). The mentioned value for the thermal conductivity refers to a temperature of 293 K.
Typischerweise weist die Kühlfinne einen Einsatz zum Leiten des Kühlmediums in dem Kühlkanal auf, wobei der besagte Einsatz in den mindestens einen Kühlkanal eingeführt ist, um einen Verlauf eines Flusses des Kühlmediums durch den Kühlkanal zu definieren. Hierdurch ist ein frei gestaltbarer Verlauf möglich, sodass das Kühlmedium einen möglichst großen Bereich des Kühlkanals und somit der Kühlfinne durchfließt und mit möglichst hoher Effizienz die Wärme abführt. Der Verlauf des Kühlmittelflusses, der durch den Einsatz vorgegeben wird, kann hierzu beispielsweise mäanderförmig sein. Vorzugsweise dichtet der Einsatz den Kühlkanal außerdem gegen ein Austreten des Kühlmediums ab, sodass das Kühlmedium in besonders vorteilhafter Weise in einem geschlossenen Kühlkreislauf durch die Kühlfinne geführt und ein Austreten des Kühlmediums verhindert werden kann. Somit muss das Kühlmedium nicht ständig nachgefüllt oder erneuert werden. Die Abdichtung des Kühlkanals kann hierbei durch einen an dem Einsatz angeordneten Pfropfen erfolgen. Typically, the cooling fin has an insert for directing the cooling medium in the cooling passage, said insert being inserted into the at least one cooling passage to define a course of flow of the cooling medium through the cooling passage. As a result, a freely designable course is possible, so that the cooling medium flows through the largest possible area of the cooling channel and thus the cooling fin and dissipates the heat with the highest possible efficiency. The course of the coolant flow, which is predetermined by the use, can be meander-shaped for this purpose, for example. Preferably, the insert also seals the cooling channel against leakage of the cooling medium, so that the cooling medium is guided in a particularly advantageous manner in a closed cooling circuit through the cooling fin and leakage of the cooling medium can be prevented. Thus, the cooling medium does not have to be constantly refilled or renewed. The sealing of the cooling channel can take place here by a plug arranged on the insert.
Typischerweise ist das Kühlmedium eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch aus 50 Teilen Wasser und 50 Teilen Glykol. Die Flüssigkeit weist den Vorteil auf, Wärme sehr gut zu absorbieren und abzuleiten. Alternativ kann als Kühlmedium auch Luft oder ein anderes gasförmiges Medium verwendet werden. Typically, the cooling medium is a liquid, such as a water-glycol mixture of 50 parts water and 50 parts glycol. The liquid has the advantage of absorbing and dissipating heat very well. Alternatively, it is also possible to use air or another gaseous medium as the cooling medium.
Das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material kann eine Wärmeleitfähigkeit von zwischen 0,1 W/(m·K) und 200 W/(m·K), vorzugsweise von zwischen 0,15 W/(m·K) und 150 W/(m·K), besonders vorzugsweise 0,2 W/(m·K) und 100 W/(m·K) bei einer Temperatur von 293 K, also Raumtemperatur, aufweisen. Die Obergrenze der genannten Wärmeleitfähigkeitsintervalle kann auch nur 50, 20 oder 5 oder 2 betragen, etwa bei der Verwendung von Kunststoff-Werkstoffen als elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Material. Die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Materials liegt insbesondere deutlich unter typischen Wärmeleitfähigkeiten von Metallen, die üblicherweise als Material für Kühlkörper verwendet werden. Durch die Kombination mit dem die Kühlfinne durchfließenden Kühlmedium ist jedoch dennoch eine wirksame Wärmesenke realisiert, die eine zusätzliche elektrische Isolierung überflüssig macht. The electrically insulating, heat-conducting material may have a thermal conductivity of between 0.1 W / (m.K) and 200 W / (m.K), preferably between 0.15 W / (m.K) and 150 W / (m · K), particularly preferably 0.2 W / (m · K) and 100 W / (m · K) at a temperature of 293 K, ie room temperature. The upper limit of the mentioned thermal conductivity intervals may also be only 50, 20 or 5 or 2, for example when using plastic materials as electrically insulating, heat-conducting material. In particular, the thermal conductivity of the electrically insulating, thermally conductive material is significantly lower than typical thermal conductivities of metals that are commonly used as material for heat sinks. However, the combination with the cooling fins flowing through the cooling medium, however, an effective heat sink is still made, which makes additional electrical insulation superfluous.
Das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material kann daher einen Kunststoff, vorzugsweise Polyamid (oder auch Polymerisate wie Polyethen, Polypropen, Polybutadien, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyacrynitril, oder Polyaddukte wie Polyurethan), eine Mischung oder ein Verbundstoff mit mindestens zwei der vorgenannten Materialien, oder eine Keramik, vorzugsweise Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Aluminiumoxid, enthalten oder gänzlich aus einem der genannten Materialien bestehen. Diese Materialien sind kostengünstig zu Kühlfinnen zu verarbeiten, im Verhältnis zu den meisten Metallen leicht und in ihrer Verarbeitung einfach handhabbar. Insbesondere können mittels Spritzguss verarbeitbare Kunststoffe verwendet werden. Der Grundkörper ist vorzugsweise ein spritzgegossener Grundkörper. The electrically insulating, heat-conducting material may therefore be a plastic, preferably polyamide (or polymers such as polyethene, polypropene, polybutadiene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyacrynitrile, or polyadducts such as polyurethane), a mixture or a composite with at least two of the aforementioned materials, or Ceramics, preferably aluminum nitride, boron nitride or aluminum oxide, contain or consist entirely of one of said materials. These materials are inexpensive to process into cooling fins, light in weight and easy to handle in relation to most metals. In particular, processable by injection molding plastics can be used. The main body is preferably an injection-molded basic body.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kühlkanal bzw. eine Mehrzahl von Kühlkanälen mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, besonders vorzugsweise mindestens 80 % eines Volumens des Grundkörpers füllt. Der Kühlkanal bzw. die Kühlkanäle sind hierbei in bevorzugter Weise über das gesamte Volumen des Grundkörpers verteilt, sodass durch das Kühlmedium die durch die elektrochemische oder elektrostatische Zelle entstehende Wärme sehr gut weitertransportiert werden kann. Vorzugsweise ist hierbei eine Wandstärke der Kühlfinne zwischen der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle und dem Kühlkanal geringer als ein in gleicher Richtung wie die Wandstärke gemessener Durchmesser des Kühlkanals. It can be provided that the at least one cooling channel or a plurality of cooling channels fills at least 60%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, of a volume of the basic body. The cooling channel or the cooling channels are in this case preferably distributed over the entire volume of the base body, so that the heat generated by the electrochemical or electrostatic cell heat can be transported very well by the cooling medium. Preferably, a wall thickness of the cooling fin between the electrochemical or electrostatic cell and the cooling channel is less than a diameter of the cooling channel measured in the same direction as the wall thickness.
Typischerweise weist der Grundkörper ein Mittelteil auf, in dem der Kühlkanal verläuft, und mindestens ein an das Mittelteil angrenzendes Seitenstück. Das Seitenstück kann hierbei einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmedium aufweisen. Der Einlass und der Auslass für das Kühlmedium liegen typischerweise auf einer nach einem Anbau der Kühlfinne an die elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen der elektrochemischen oder elektrostatische Zelle abgewandten Seite, d.h. einer Seite, die die elektrochemische oder elektrostatische Zelle nicht berührt. Alternativ können der Einlass und der Auslass auch direkt an dem Grundkörper angeordnet sein. Der Einlass und der Auslass sind vorzugsweise an ein Verteilersystem für das Kühlmedium angeschlossen und somit in einem größeren Kühlkreislauf eingebunden. Typically, the base body has a central part, in which the cooling channel extends, and at least one side piece adjoining the middle part. The side piece may have an inlet and an outlet for the cooling medium. The inlet and the outlet for the cooling medium are typically on a side facing away from an attachment of the cooling fin to the electrochemical or electrostatic cells of the electrochemical or electrostatic cell, i. a side that does not touch the electrochemical or electrostatic cell. Alternatively, the inlet and the outlet can also be arranged directly on the base body. The inlet and the outlet are preferably connected to a distribution system for the cooling medium and thus involved in a larger cooling circuit.
Das Seitenstück berührt typischerweise die elektrochemische oder elektrostatische Zelle nicht. Das Seitenstück kann aus dem gleichen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Material gefertigt sein und weist dann eine elektrische Leitfähigkeit und eine thermische Leitfähigkeit auf, die identisch zu den jeweiligen Werten des Mittelteils sind. Insbesondere kann das Seitenstück an dem Mittelteil während des Herstellungsprozess angespritzt werden, sodass eine einfache Herstellung beider Teile unter Berücksichtigung von Abmessungen der zu kontaktierenden elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle möglich ist. The sidepiece typically does not touch the electrochemical or electrostatic cell. The side piece may be made of the same electrically insulating, heat-conducting material and then has an electrical conductivity and a thermal conductivity, which are identical to the respective values of the middle part. In particular, the side piece can be injection-molded onto the middle part during the manufacturing process, so that a simple production of both parts is possible taking into account dimensions of the electrochemical or electrostatic cell to be contacted.
Die elektrochemische Zelle selbst kann eine Lithium-Ionen-Zelle sein, alternativ kann es sich allerdings auch z. B. um eine Brennstoffzelle handeln bzw. auch um eine elektrostatische Zellen, wie beispielsweise einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator oder auch einen Lithiumkondensator. Dies erlaubt die Verwendung der Kühlfinne mit typischen in Antriebssträngen von Fahrzeugen eingesetzten Energiespeicher- bzw. Energiewandeleinheiten. The electrochemical cell itself may be a lithium-ion cell, alternatively, however, it may also be z. B. to a fuel cell or even to an electrostatic cells, such as a capacitor, in particular a double-layer capacitor or a lithium capacitor. This allows the use of the cooling fin with typical energy storage or energy change units used in powertrains of vehicles.
Der Grundkörper kann durchschlagsfest zumindest gegenüber einer Spannung von 60 V ausgebildet sein. Dies wird vorgesehen durch Strukturmindestdicken und durch Materialwahl. Durch eine Isolierung gegenüber Hochspannungen oberhalb von 60 V werden die einzelnen elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen durch die Kühlfinne als einzelnes Bauteil voneinander elektrisch isoliert, was eine zusätzliche Hochspannungsisolierung überflüssig macht und somit Kosten und Material spart. The base body can be formed so as to be resistant to breakdown, at least against a voltage of 60 V. This is provided by minimum structural thicknesses and by material selection. By isolation from high voltages above 60 V, the individual electrochemical or electrostatic cells are electrically isolated from each other by the cooling fin as a single component, which makes additional high-voltage insulation superfluous and thus saves costs and material.
Vorzugsweise umfasst der Grundkörper zwei Halbschalen, die miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann hierbei eine Klebeverbindung oder eine Ultraschallschweißnaht umfassen. Der mindestens eine Kühlkanal verläuft zwischen diesen Halbschalen. Hierdurch vereinfacht sich eine Herstellung und Montage der Kühlfinne, was wiederum Zeit und Kosten spart. Preferably, the base body comprises two half-shells, which are interconnected. The connection may in this case comprise an adhesive connection or an ultrasonic weld. The at least one cooling channel extends between these half shells. This simplifies manufacture and assembly of the cooling fin, which in turn saves time and costs.
Der Grundkörper ist typischerweise durch ein Spritzgießverfahren oder ein Extrusionsverfahren, wie Strangpressen oder Blasformen, hergestellt. Durch die genannten Verfahren wird eine große Gestaltungsfreiheit des Grundkörpers, ein großer Teileausstoß pro Zeit, also eine Massenproduktion, und somit eine kostenminimale Produktion ermöglicht. The main body is typically made by an injection molding process or an extrusion process such as extrusion molding or blow molding. By the above methods, a large freedom of design of the body, a large Teilaususstoß per time, ie a mass production, and thus a minimum cost of production possible.
Die zuvor beschriebene Kühlfinne bildet typischerweise mit mindestens einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle eine Energiespeicher- oder -wandeleinheit. Der Grundkörper der Kühlfinne liegt hierbei an mindestens einer Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle zum thermischen Koppeln bündig an. Durch das bündige Anliegen wird die thermische Kopplung mit maximaler Effizienz und ohne störende Lufteinschlüsse erreicht. The cooling fin described above typically forms an energy storage or conversion unit with at least one electrochemical or electrostatic cell. The main body of the cooling fin lies flush against at least one side of the electrochemical or electrostatic cell for thermal coupling. Due to the flush fit, the thermal coupling is achieved with maximum efficiency and without disturbing air pockets.
Der Grundkörper der Kühlfinne kann hierbei eine entsprechend einer Form der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle geformte äußere Oberfläche aufweisen, die in besonders bevorzugter Weise als ebene Fläche ausgebildet ist, um eine möglichst effiziente thermische Kopplung zu erreichen. Eine Oberfläche des Grundkörpers folgt hierbei zumindest einem Abschnitt oder einer gesamten Fläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. The main body of the cooling fin may in this case have an outer surface shaped in accordance with a shape of the electrochemical or electrostatic cell, which in a particularly preferred manner is designed as a flat surface in order to achieve the most efficient thermal coupling possible. A surface of the base body in this case follows at least a portion or an entire surface of the electrochemical or electrostatic cell.
Bei besonders bevorzugten Ausführungen umschließt der Grundkörper die Zelle zumindest teilweise. Unter dem Begriff "Umschließen" soll in dieser Schrift verstanden werden, dass der Kühlkörper an mindestens zwei Seiten der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle bündig anliegt. Diese sorgt für eine Wärmeabfuhr von mehreren Seiten. In particularly preferred embodiments, the main body encloses the cell at least partially. The term "enclosing" is to be understood in this document that the heat sink is flush on at least two sides of the electrochemical or electrostatic cell. This ensures heat dissipation from several sides.
Der Kühlkanal verläuft vorzugsweise parallel zu der Oberfläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle in dem Grundkörper, sodass auch der Fluss des Kühlmediums parallel zu der Oberfläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle ist und das Kühlmedium somit über einen möglichst langen Weg die Wärme aufnehmen kann. The cooling channel preferably runs parallel to the surface of the electrochemical or electrostatic cell in the main body, so that the flow of the cooling medium is parallel to the surface of the electrochemical or electrostatic cell and the cooling medium can thus absorb the heat over as long a path as possible.
Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper mindestens 50 % einer Fläche der an der Kühlfinne anliegenden Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle bündig anliegend bedeckt. Vorzugsweise bedeckt der Grundkörper mindestens 70%, besonders vorzugsweise mindestens 80% der genannten Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Hierdurch wird die thermische Kopplung auf einer vorteilhaft großen Kontaktfläche ermöglicht. Die Zelle liegt vorzugsweise unmittelbar, d.h. über einen Presssitz oder insbesondere über eine Klebung an dem Grundkörper an. Durch die Klebung oder durch andere Maßnahmen wird die Zelle in unmittelbarem körperlichem Kontakt an dem Grundkörper befestigt. It can be provided that the main body covers at least 50% of a surface of the voltage applied to the Kühlfinne side of the electrochemical or electrostatic cell flush fitting. Preferably, the body covers at least 70%, more preferably at least 80% of the said side of the electrochemical or electrostatic cell. As a result, the thermal coupling is made possible on an advantageously large contact surface. The cell is preferably directly, ie via a press fit or in particular via an adhesive bond to the base body. By gluing or other measures, the cell is secured in direct physical contact with the body.
Der Grundkörper kann mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle über eine Klebeverbindung, die vorzugsweise eine Klebefolie und/oder eine Flüssigverklebung umfasst, und/oder über einen an der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle und der Kühlfinne befestigten Rahmen verbunden sein. Dies sorgt für ein bündiges und mechanisch stabiles Anliegen der genannten Bauelemente aneinander und eine mechanisch stabile Verbindung. Die Klebeverbindung befindet sich typischerweise zwischen den einander berührenden Seiten der Kühlfinne und der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Der Rahmen hingegen ist vorzugsweise auf einer der Kühlfinne abgewandten Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle angebracht und kann die elektrochemische oder elektrostatische Zelle an einem äußeren Rand derselben umgreifen oder mit der Kühlfinne mechanisch, beispielsweise durch Klemmen oder Einrasten, verbunden sein. Da die Kühlfinne selbst bereits elektrisch isolierend ist, kann die Klebeverbindung wesentlich dünner als bei konventionellen metallischen Kühlfinnen ausgeführt werden und weist somit auch einen geringeren Wärmewiderstand auf. The base body may be connected to the electrochemical or electrostatic cell via an adhesive bond, which preferably comprises an adhesive film and / or a liquid adhesive, and / or via a frame attached to the electrochemical or electrostatic cell and the cooling fin. This ensures a flush and mechanically stable contact of said components together and a mechanically stable connection. The adhesive bond is typically between the contacting sides of the cooling fin and the electrochemical or electrostatic cell. The frame, on the other hand, is preferably mounted on a side of the electrochemical or electrostatic cell facing away from the cooling fins, and may surround the electrochemical or electrostatic cell at an outer edge thereof or be mechanically connected to the cooling fin, for example by clamping or latching. Since the cooling fin itself is already electrically insulating, the adhesive bond can be made substantially thinner than in conventional metallic cooling fins and thus also has a lower thermal resistance.
Es kann vorgesehen sein, dass die Energiespeicher- oder -wandeleinheit zwei elektrochemische oder elektrostatische Zellen umfasst, die auf unterschiedlichen Seiten des Grundkörpers angeordnet sind. Typischerweise sind die beiden genannten elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen hierbei parallel zueinander angeordnet. Somit kann eine kompakte Bauanordnung geschaffen werden, bei der unter minimalem Materialeinsatz eine effiziente Wärmeabführung zweier Energie produzierender Zellen möglich ist. It can be provided that the energy storage or conversion unit comprises two electrochemical or electrostatic cells, which are arranged on different sides of the base body. Typically, the two mentioned electrochemical or electrostatic cells are arranged parallel to one another. Thus, a compact construction can be created in which an efficient heat dissipation of two energy-producing cells is possible with minimal use of materials.
Mindestens zwei der genannten Energiespeicher- oder -wandeleinheiten können zu einem Batteriemodul kombiniert werden, wobei die zwei Energiespeicher- oder -wandeleinheiten durch mindestens eine Halterung miteinander verbunden sind. Der Begriff "Batterie" ist hierbei derart zu verstehen, dass auch entsprechende Stapel von Akkumulatoren, Brennstoffzellen oder Kondensatoren von ihm umfasst werden. Somit ist es möglich, Batteriestacks zur Erhöhung der Leistung zu bauen, die dennoch die effiziente Wärmeabfuhr durch die bereits besprochenen Kühlfinnen ermöglichen. At least two of said energy storage or conversion units can be combined to form a battery module, wherein the two energy storage or conversion units are connected to each other by at least one holder. The term "battery" is understood to mean that corresponding stack of batteries, fuel cells or capacitors are included by him. Thus, it is possible to build battery stacks to increase the power, yet allow the efficient heat dissipation through the previously discussed cooling fins.
Vorzugsweise umfasst die Halterung mindestens ein Kopfteil, besonders vorzugsweise zwei Kopfteile, wobei das Kopfteil Anschlüsse für einen Einlass und/oder einen Auslass für das Kühlmedium umfasst. Hierdurch kann auch in dem Batteriemodul ein geschlossener Kühlmittelkreislauf durch alle Energiespeicher- oder -wandeleinheiten gewährleistet werden. Preferably, the holder comprises at least one head part, particularly preferably two head parts, wherein the head part comprises connections for an inlet and / or an outlet for the cooling medium. In this way, a closed coolant circuit can be ensured by all energy storage or -wandeleinheiten in the battery module.
Es kann vorgesehen sein, dass die Halterung zumindest teilweise aus Metall, vorzugsweise Aluminium, und/oder zumindest teilweise aus dem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Material gebildet ist. Aluminium bietet eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht, während das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material die bereits beschriebenen Vorteile aufweist. It can be provided that the holder is at least partially made of metal, preferably aluminum, and / or at least partially made of the electrically insulating, heat-conducting material. Aluminum offers high mechanical stability and low weight, while the electrically insulating, heat-conducting material has the advantages already described.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Energiespeicher- oder -wandeleinheiten durch mindestens zwei Zugstangen verbunden sind, sodass eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen ihnen vorliegt. In besonders bevorzugter Weise verbleibt ein nichtverschwindender räumlicher Abstand zwischen den beiden Energiespeicher- oder -wandeleinheiten, um während des Betriebs der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten entstehende Volumenänderungen der genannten Einheiten ohne mechanische Beanspruchung des Batteriemoduls ausgleichen zu können. Der Freiraum kann hierbei mit einem Schaumstoff oder einer Feder gefüllt werden, wobei der Schaumstoff als komprimierbares Bauteil im Falle einer Volumenausdehnung und die Feder als expandierendes Bauteil im Falle einer Volumenverkleinerung der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle nützlich ist. In addition, it can be provided that the at least two energy storage or conversion units are connected by at least two tie rods, so that there is a positive and non-positive connection between them. In a particularly preferred manner remains a non-vanishing spatial distance between the two energy storage or -wandeleinheiten to compensate during the operation of the energy storage or -wandeleinheiten resulting volume changes of said units without mechanical stress on the battery module can. The space can here be filled with a foam or a spring, wherein the foam is useful as a compressible component in the case of volume expansion and the spring as an expanding component in the case of a volume reduction of the electrochemical or electrostatic cell.
Die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten können derart in einer Reihe hintereinander angeordnet sein, dass die jeweiligen Einlässe fluchtend und die jeweiligen Auslässe für das Kühlmedium fluchtend hintereinander liegen. Einander zugeordnete Einlässe und Auslässe sind hierbei so miteinander gekoppelt, dass das Kühlmedium von einer der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten in benachbarte Einheiten gelangen kann. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des Batteriemoduls erreicht. Durch ein Parallelschalten der einzelnen Kühlfinnen der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten wird ein Druckunterschied im Kühlmedium zwischen den einzelnen Kühlfinnen weitgehend ausgeschlossen. The energy storage or conversion units can be arranged in a row one behind the other in such a way that the respective inlets are in alignment and the respective outlets for the cooling medium are aligned one behind the other. Adjacent inlets and outlets are in this case coupled together so that the cooling medium can pass from one of the energy storage or -wandeleinheiten in adjacent units. As a result, a compact construction of the battery module is achieved. By a parallel connection of the individual cooling fins of the energy storage or -wandeleinheiten a pressure difference in the cooling medium between the individual cooling fins is largely excluded.
Die Kühlfinne, die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten und das Batteriemodul eignen sich insbesondere gut zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs. The cooling fin, the energy storage or conversion units and the battery module are particularly well suited for use in a drive train of a vehicle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
Es zeigen: Show it:
Der Grundkörper
Der Grundkörper
Die Lithium-Ionen-Zellen
An einer der Kühlfinne
Die Kühlkanäle
Zum mechanischen Verbinden der einzelnen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten
Durch Verspannen mehrerer einzelner der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten
Das Kopfteil
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale können miteinander kombiniert werden und einzeln beansprucht werden. Only features disclosed in the embodiments can be combined with each other and claimed individually.
Claims (15)
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