DE102013201129A1 - Battery module with a thermal element - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Batteriemodul (60) beschrieben, welches ein Batteriemodulgehäuse (50), mindestens eine Batteriezelle (40), welche in dem Batteriemodulgehäuse (50) angeordnet ist, sowie mindestens ein thermisches Element (30) umfasst, welches von einem Fluid (2) durchströmbar ist. Das thermische Element (30) ist dazu ausgebildet, die mindestens eine Batteriezelle (40) in einem vordefinierten Temperaturbereich zu halten. Erfindungsgemäß weist das thermische Element (30) mindestens einen Kanal (20) auf, welcher von dem Fluid (2) durchströmbar ist, wobei der Kanal (20) außerhalb des Batteriemodulgehäuses (50) verläuft.A battery module (60) is described, which comprises a battery module housing (50), at least one battery cell (40), which is arranged in the battery module housing (50), and at least one thermal element (30), which is made of a fluid (2) is flowable. The thermal element (30) is designed to keep the at least one battery cell (40) in a predefined temperature range. According to the invention, the thermal element (30) has at least one channel (20) through which the fluid (2) can flow, the channel (20) running outside the battery module housing (50).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, welches ein Batteriemodulgehäuse und ein thermisches Element umfasst, wobei das thermische Element mindestens einen Kanal aufweist, welcher außerhalb des Batteriemodulgehäuses verläuft. The present invention relates to a battery module, which comprises a battery module housing and a thermal element, wherein the thermal element has at least one channel, which extends outside of the battery module housing.
Stand der TechnikState of the art
In Hybrid, Plug-in Hybrid und Elektrofahrzeugen kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die nötige Energie für den Betrieb des Elektromotors, welcher den Antrieb des Fahrzeugs unterstützt, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation kommen hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen innerhalb solcher Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte sowie eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Sie besitzen jeweils mindestens eine positive sowie eine negative Elektrode, welche Lithium-Ionen reversibel einlagern (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. In hybrid, plug-in hybrid and electric vehicles, electrical energy storage devices are used to store the necessary energy for the operation of the electric motor, which supports the propulsion of the vehicle. In the vehicles of the latest generation, so-called lithium-ion batteries are used. The lithium-ion battery cells within such batteries are characterized among other things by a high energy density and an extremely low self-discharge. They each have at least one positive and one negative electrode, which lithium ions can reversibly store (intercalation) or re-outsource (deintercalation).
Die Batteriezellen haben einen vordefinierten Temperaturbereich, in dem sie optimal arbeiten. Um die Batteriezellen während des Betriebs in diesem Temperaturbereich halten zu können, sind sie an ein sogenanntes Thermomanagementsystem angeschlossen. Dieses erwärmt die Batteriezellen, zum Beispiel nach dem Start an kalten Tagen oder kühlt die Batteriezellen, zum Beispiel während des Betriebs, je nach Bedarf. Derzeit werden die einzelnen Batteriezellen in Batteriemodulen gebündelt beziehungsweise elektrisch verschaltet und als solche mit dem Thermomanagementsystem kombiniert. Zum Beispiel sechs Batteriezellen werden miteinander elektrisch verbunden und dann mit ihrer Unterseite fest auf eine Kühlplatte oder eine Heizplatte gespannt. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Batteriezellen zu temperieren und somit eine optimale Arbeitsumgebung für selbige zu erzeugen. Die verwandten Kühl- oder Heizplatten werden dabei üblicherweise von einem Fluid, beispielsweise von einem Gemisch aus Wasser und Glykol durchströmt. The battery cells have a predefined temperature range in which they work optimally. In order to keep the battery cells in this temperature range during operation, they are connected to a so-called thermal management system. This heats the battery cells, for example, after starting on cold days or cools the battery cells, for example, during operation, as needed. Currently, the individual battery cells are bundled in battery modules or electrically interconnected and combined as such with the thermal management system. For example, six battery cells are electrically connected to each other and then clamped with their underside firmly on a cooling plate or a hot plate. This structure makes it possible to temper the battery cells and thus to create an optimal working environment for the same. The related cooling or heating plates are usually flowed through by a fluid, for example by a mixture of water and glycol.
Neben den Batteriezellen werden auch weitere Komponenten in Elektro- und Hybridfahrzeugen durch ein wie oben beschriebenes Thermomanagementsystem gekühlt oder geheizt. Hierzu zählen beispielsweise die Leistungselektronik, Spannungswandler, Klimakompressoren oder der Elektromotor. Eines der Risiken bei einem Unfall eines Fahrzeugs mit derartigen Thermomanagementsystemen ist eine resultierende Undichtigkeit desselben. In vielen Thermomanagementsystemen des Standes der Technik ist das in diesen enthaltende Fluid elektrisch leitend. Kommt das Fluid mit den Batteriezellen des Batteriemoduls zum Beispiel infolge eines Unfalls in Kontakt, kann es daher zu Kurzschlüssen oder zur Bildung von Wasserstoffgas kommen. Besonders bei Batteriepacks, in welchen mehrere Batteriemodule übereinandergestapelt werden, ist es konstruktiv schwierig sicherzustellen, dass bei einem Unfall kein Fluid, zum Beispiel Kühlmittel, auf die unteren Batteriemodule läuft. In addition to the battery cells and other components in electric and hybrid vehicles are cooled or heated by a thermal management system as described above. These include, for example, the power electronics, voltage converters, air conditioning compressors or the electric motor. One of the risks in an accident of a vehicle with such thermal management systems is a resulting leakage thereof. In many prior art thermal management systems, the fluid contained therein is electrically conductive. If the fluid comes into contact with the battery cells of the battery module, for example as a result of an accident, it can therefore lead to short circuits or the formation of hydrogen gas. Especially with battery packs in which several battery modules are stacked, it is structurally difficult to ensure that in an accident no fluid, for example coolant, runs on the lower battery modules.
Batteriemodule beziehungsweise Batterien, welche die oben beschriebenen Thermomanagementsysteme aufweisen, sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt. Oft sind in derartigen Batteriemodulen auch Maßnahmen beziehungsweise Mittel vorgesehen, welche der oben beschriebenen Unfallproblematik entgegenwirken sollen. Battery modules or batteries having the above-described thermal management systems are widely known in the art. Often, measures or means are provided in such battery modules, which are intended to counteract the accident problem described above.
Beispielsweise ist aus der
Ferner ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, welches ein Batteriemodulgehäuse, mindestens eine Batteriezelle, welche in dem Batteriemodulgehäuse angeordnet ist, sowie mindestens ein thermisches Element, welches von einem Fluid durchströmbar ist, umfasst. Das thermische Element ist dazu ausgebildet, die mindestens eine Batteriezelle in einem vordefinierten Temperaturbereich zu halten. Erfindungsgemäß weist das thermische Element mindestens einen Kanal auf, welcher von dem Fluid durchströmbar ist, wobei der Kanal außerhalb des Batteriemodulgehäuses verläuft. According to the invention, a battery module is provided, which comprises a battery module housing, at least one battery cell, which is arranged in the battery module housing, and at least one thermal element, which can be traversed by a fluid. The thermal element is designed to hold the at least one battery cell in a predefined temperature range. According to the invention, the thermal element has at least one channel through which the fluid can flow, the channel extending outside the battery module housing.
Ein derartiges Batteriemodul ist gegenüber dem Stand der Technik besser vor einem Auftreten von Undichtigkeiten des thermischen Elementes im Inneren des Batteriemoduls geschützt, beispielweise bei Verwicklung des Batteriemoduls in einen Unfall, zum Beispiel bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Da die Kanäle des thermischen Elementes, welches beispielsweise als Kühlsystem ausgeführt sein kann, außerhalb des Batteriemodulgehäuses geführt sind, kann beispielsweise ein Riss oder eine sonstige Undichtigkeit in denselben nicht dazu führen, dass das in den Kanälen geleitete Fluid, beispielsweise eine elektrisch leitende Kühlflüssigkeit, mit den in dem Batteriemodulgehäuse enthaltenden Batteriezellen, Schaltungen und sonstigen Komponenten in Kontakt kommt. Es kann dadurch, anders als bei den Batteriemodulen des Standes der Technik, nicht zu Kurzschlüssen oder einer Elektrolyse kommen, bei welcher Wasserstoffgas entsteht. Such a battery module is better protected from the occurrence of leaks in the thermal element inside the battery module than in the prior art, for example when the battery module is involved in an accident, for example when used in a motor vehicle. Since the channels of the thermal element, which may for example be designed as a cooling system, are guided outside the battery module housing, for example, a crack or other leakage in the same can not lead to that Fluid in the channels, for example an electrically conductive coolant, comes into contact with the battery cells, circuits and other components contained in the battery module housing. It can thereby, unlike the battery modules of the prior art, do not come to shorts or electrolysis, in which hydrogen gas is produced.
Bevorzugt verläuft der mindestens eine Kanal entlang zumindest eines Teils einer Außenwand des Batteriemodulgehäuses. Dadurch ist beispielsweise im Falle der Realisierung des thermischen Elementes als Kühlsystem die Kühlung der Batteriezellen innerhalb des Batteriemodulgehäuses verbessert.Preferably, the at least one channel runs along at least part of an outer wall of the battery module housing. As a result, cooling of the battery cells within the battery module housing is improved, for example, in the case of realization of the thermal element as a cooling system.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das thermische Element eine von einem Fluid durchströmbare Platte, welche zumindest teilweise innerhalb des Batteriemodulgehäuses angeordnet ist und mit welcher der mindestens eine Kanal verbindbar ist. Besonders bevorzugt ist das Fluid als Kühlmittel beziehungsweise als Kühlflüssigkeit ausgeführt. Ferner bevorzugt ist die Platte als Kühlplatte ausgeführt. Dadurch ist die Temperierung der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls abermals optimiert. In a preferred embodiment, the thermal element comprises a plate through which a fluid can flow, which plate is arranged at least partially within the battery module housing and with which the at least one channel can be connected. Particularly preferably, the fluid is designed as a coolant or as a cooling liquid. Further preferably, the plate is designed as a cooling plate. As a result, the temperature of the battery cells within the battery module is again optimized.
Vorzugsweise weist das thermische Element mindestens einen Anschluss auf, welcher aus dem Batteriemodulgehäuse herausgeführt ist und welcher mit dem mindestens einen Kanal verbindbar ist. Durch einen derartigen Anschluss sind die äußeren Teile des thermischen Elementes mit den inneren Teilen des thermischen Elementes auf vorteilhafte Weise verbindbar.Preferably, the thermal element has at least one connection, which is led out of the battery module housing and which is connectable to the at least one channel. By such a connection, the outer parts of the thermal element can be connected to the inner parts of the thermal element in an advantageous manner.
Bevorzugt ist der mindestens eine Anschluss gegen das Batteriemodulgehäuse isoliert. In einer derartigen Ausführungsform des Batteriemoduls ist sichergestellt, dass bei Undichtigkeiten aus den Kanälen entweichendes Fluid nicht in das Batteriemodulgehäuse eindringt. Preferably, the at least one connection is insulated against the battery module housing. In such an embodiment of the battery module, it is ensured that, in the event of leaks, escaping fluid does not penetrate into the battery module housing.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Anschluss eine einseitig offene Hohlform, welche von einem Fluid durchströmbar ist. Dadurch kann das Fluid von dem inneren Teil des thermischen Elementes in äußere, mit dem Anschluss verbundene Teile des thermischen Elementes strömen und umgekehrt. Mit dem inneren Teil kann dabei ein zumindest teilweise innerhalb des Batteriemodulgehäuses angeordnetes Teil des thermischen Elementes gemeint sein, während mit äußeren Teilen zum Beispiel ein mit dem Anschluss verbundener Kanal gemeint sein kann.In a preferred embodiment, the connection comprises a hollow mold open on one side, through which a fluid can flow. Thereby, the fluid from the inner part of the thermal element in outer, connected to the terminal parts of the thermal element to flow and vice versa. The inner part may in this case mean a part of the thermal element arranged at least partially within the battery module housing, while with outer parts, for example, a channel connected to the connection may be meant.
Vorzugsweise ist die Hohlform als ein Hohlrohr ausgeführt, welches ein Außengewinde aufweist, auf welches ein, ein Innengewinde aufweisendes Gegenelement aufschraubbar ist. In einer derartigen Ausführungsform ist der Anschluss und dadurch das thermische Element mit einem Teil des Batteriemodulgehäuses verspannbar, wodurch die Position des thermischen Elementes relativ zum Batteriemodulgehäuse fixierbar ist. Preferably, the hollow mold is designed as a hollow tube having an external thread on which a counter-element having an internal thread can be screwed. In such an embodiment, the terminal and thereby the thermal element with a part of the battery module housing is clamped, whereby the position of the thermal element is fixable relative to the battery module housing.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Teil des Batteriemodulgehäuses zwischen der Platte und dem Gegenelement fixierbar, wobei die Fixierung über eine Verspannung des Teils des Batteriemodulgehäuses zwischen dem Gegenelement und der Platte bewirkt wird. Auf diese Weise ist das thermische Element einfach und reversibel mit dem Batteriemodul beziehungsweise mit dem Batteriemodulgehäuse verbindbar.In a preferred embodiment, a part of the battery module housing is fixable between the plate and the counter element, wherein the fixation is effected by a tension of the part of the battery module housing between the counter element and the plate. In this way, the thermal element is easily and reversibly connectable to the battery module or to the battery module housing.
Bevorzugt ist zwischen der Platte und dem Gegenelement ferner eine Dichtung angeordnet, über welche der Anschluss gegenüber dem Batteriemodulgehäuse abgedichtet ist. Durch die Verwendung einer solchen Dichtung ist der Anschluss auf vorteilhafte Weise von dem Batteriemodulgehäuse isoliert. Preferably, a seal is further arranged between the plate and the counter element, via which the terminal is sealed relative to the battery module housing. By using such a seal, the terminal is advantageously isolated from the battery module housing.
Vorzugsweise weist das Hohlrohr an seiner offenen Seite mindestens eine Haltenase auf, mit welcher der Anschluss mit dem mindestens einen Kanal verbindbar ist. Derartige Haltenasen bieten eine einfache und praktische Möglichkeit der reversiblen Verbindung von Anschluss und Kanal.Preferably, the hollow tube has on its open side at least one retaining lug, with which the connection with the at least one channel is connectable. Such retaining lugs offer a simple and practical way of reversible connection of port and channel.
Ferner wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.Further, a battery is provided with a battery module according to the invention, wherein the battery is particularly preferably designed as a lithium-ion battery. Advantages of such batteries include their comparatively high energy density and their high thermal stability. Another advantage of lithium-ion batteries is that they are not subject to memory effect.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.Furthermore, a motor vehicle is provided with a battery having a battery module according to the invention, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden Kanäle
In diesem Ausführungsbeispiel weist das thermische Element
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das thermische Element
Die
In dem Ausführungsbeispiel der
Ferner weist das Hohlrohr in diesem Ausführungsbeispiel an seiner offenen Seite rein beispielhaft zwei Haltenasen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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