DE102016211122A1

DE102016211122A1 - Batteriemodul mit Wärmetauscher und Verfahren zum Anordnen eines Wärmetauschers auf einem Zellverbinder eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102016211122A1
Application number: DE102016211122.1A
Authority: DE
Inventors: Paul Hund; Klaus-Volker Schuett; Sarah Sitz; Christoph Bantel; Dominik Koch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1), umfassend eine erste Batteriezelle (2a), eine zweite Batteriezelle (2b), einen Zellverbinder (3a), welcher einen Anschlusspol (4a) der ersten Batteriezelle (2a) mit einem Anschlusspol (4b) der zweiten Batteriezelle (2b) elektrisch leitfähig verbindet, und einen Wärmetauscher (5), welcher an dem Zellverbinder (3a) angeordnet ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Anordnen des Wärmetauschers (5) an einem Batteriemodul (1).

Description

Stand der Technik
Die Leistungsfähigkeit von Batteriemodulen ist maßgeblich von deren Temperatur abhängig. Insbesondere bei Mitteltemperatur-Batteriesystemen, wie bspw. Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, ist dies der Fall. Bei schneller Ladung oder Entladung ist ein solches Batteriemodul starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen Batteriemodule, wie z. B. Mitteltemperaturmodule, oberhalb der Raumtemperatur und innerhalb enger Temperaturgrenzen betrieben werden.
Um Batteriemodule zu kühlen, werden zumeist Luft- und Flüssigkeitskühlungen, aber auch Kühlplatten und Kühlfinnen eingesetzt. Auch ist es bekannt, die Wärme eines Batteriemoduls über Ableiter an Kontaktschienen abzuführen, die dann wiederum über eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie an eine Kühlplatte abgeführt wird. Ferner ist es bekannt, flächige Flüssigkeitskühlleitungen an einem Batteriemodul anzuordnen.
Dabei ist es erstrebenswert, die Temperatur von Batteriezellen eines Batteriemoduls weitgehend konstant zu halten.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, einen Zellverbinder, welcher einen Anschlusspol der ersten Batteriezelle mit einem Anschlusspol der zweiten Batteriezelle elektrisch leitfähig verbindet, einen Wärmetauscher, welcher an dem Zellverbinder angeordnet ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist, und eine Vergussmasse, welche zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder eingebracht ist und eine wärmeleitende Verbindung zwischen diesen herstellt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anordnen eines Wärmetauschers auf einem Zellverbinder eines Batteriemoduls umfasst ein Befestigen des Zellverbinders an einem Anschlusspol einer ersten Batteriezelle und einem Anschlusspol einer zweiten Batteriezelle mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung, und ein Anordnen eines Wärmetauschers an dem Zellverbinder, wobei der Wärmetauscher mit dem ersten Zellverbinder thermisch gekoppelt ist. Das erfindungsgemäße Batteriemodul wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Es wird Wärme, welche von den Batteriezellen ausgeht, über die Anschlusspole direkt an den Zellverbinder übertragen. Dadurch, dass an dem Zellverbinder ein Wärmetauscher angeordnet ist, kann den Batteriezellen auf besonders effektive Weise thermische Energie zugeführt werden oder thermische Energie von diesen abgeführt werden. Eine Temperatur der Batteriezellen kann somit auf effiziente Weise konstant gehalten werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine besonders einfache Herstellung eines solchen Batteriemoduls gewährleistet.
Ferner wird eine Herstellung des Batteriemoduls in nur wenigen Arbeitsschritten ermöglicht. Die Batteriezellen werden über die Zellverbinder metallurgisch verbunden, z. B. mittels eines Lasers. Dadurch wird eine hohe Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und ein partieller Wärmeeintrag ermöglicht. Dabei ist die Modulgröße leicht anpassbar. Die dafür benötigten Vergussformen sind einfach, ggf. verstellbar herstellbar. Es kommen dabei insbesondere spezielle Vergussmassen, bspw. mit Sand- und Silikonfüllung zum Einsatz. Solche Vergussmassen weisen eine gute Haftung und insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit, bspw. in etwa 2 W/(m·K) auf. Das Silikon verhindert dabei eine Rissausbreitung.
Die Batteriezellen sind dabei elektrochemische Energiespeicherelemente. Dabei sind die Batteriezellen beispielsweise prismatische Zellen, zylindrische Zellen oder Pouch-Zellen. Der Zellverbinder ist ein elektrisch leitfähiges Element, insbesondere ein metallisches Element, bspw. eine Metallplatte. Der Wärmetauscher ist mit dem Zellverbinder thermisch gekoppelt. Das bedeutet, dass diese entweder in direktem Kontakt zueinander stehen, oder aber eine thermisch leitfähige Schicht zwischen diesen angeordnet ist, welche bspw. eine elektrische Isolation zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder ermöglicht. Die Vergussmasse ist ein Material, welches in fließfähigen Zustand aufgebracht wird und nach dem Aufbringen aushärtet. Bevorzugt wird eine Vergussmasse mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebracht. Thermisch gekoppelt bedeutet, dass kein wesentlicher Temperaturabfall zwischen den thermisch gekoppelten Komponenten erfolgt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist eine Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder eingebracht und stellt eine wärmeleitende Verbindung zwischen diesen her. Es wird somit eine besonders effiziente thermische Anbindung der Batteriezellen an den Zellverbinder geschaffen, da durch die Vergussmasse ein zusätzlicher Pfad geschaffen wird, über den Wärme zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder transportiert werden kann. Es wird eine intensive Kühlung und/oder Beheizung der Batteriezellen ermöglicht, da ein idealer, großflächiger Kontakt über die Vergussmasse mit dem Wärmetauscher besteht, der nicht nur auf eine Wärmeübertragung mittels des Zellverbinders beschränkt ist. Ein solches System ist zudem sehr robust und somit auch Crashtest-beständig.
Weiter bevorzugt umschließt die Vergussmasse den Wärmetauscher teilweise oder vollständig. Somit wird über die Vergussmasse ein direkter Wärmeleitpfad zwischen den Batteriezellen und dem Wärmetauscher geschaffen. Das Zu- oder Abführen von thermischer Energie zu oder von Batteriezellen wird weiter optimiert. Zugleich wird der Wärmetauscher somit fixiert und ein robustes Batteriemodul geschaffen.
Bevorzugt umhüllt die Vergussmasse die erste und die zweite Batteriezelle vollständig. Auf diese Weise wird das Zu- und/oder Abführen von Wärme weiter optimiert und zugleich ein mechanischer Schutz für die Batteriezellen geschaffen.
Ebenso bevorzugt ist der Wärmetauscher mittels eines Klebstoffes an dem Zellverbinder fixiert. Somit ist eine besonders einfache aber solide Befestigung des Wärmetauschers an dem Zellverbinder gewährleistet. Dabei können durch den Klebstoff eventuelle Zwischenräume gefüllt werden und eine besonders gute Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Zellverbinder wird geschaffen.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher dazu eingerichtet, ein Fluid zu leiten und/oder der Wärmetauscher weist Kühlrippen auf. Auf diese Weise kann dem Wärmetauscher und somit den Batteriezellen auf besonders effektive Weise Wärmeenergie zu- oder abgeführt werden.
Ebenso bevorzugt ist eine elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder angeordnet. Es wird somit vermieden, dass eine elektrische Spannung an dem Wärmetauscher und einem evtl. an diesem angeschlossenen Kühlsystem anliegt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder ein Abstandselement, insbesondere eine Folie, umfasst. Durch ein solches Abstandselement kann ein gleichmäßiger Abstand zwischen Wärmetauscher und Zellverbinder gewährleistet werden. Das Abstandselement kann sich dabei über den gesamten Bereich zwischen Wärmetauscher und Zellverbinder erstrecken oder lediglich über einen Teilbereich. Erstreckt sich das Abstandselement lediglich über einen Teilbereich, so kann in den übrigen Bereichen mittels der Vergussmasse die thermische Kopplung zwischen Wärmetauscher und Zellverbinder gewährleistet werden. Eine Folie, die auch eine Netzfolie sein kann, ist dafür besonders geeignet. Durch eine Folie wird ein geringer Abstand zwischen Zellverbinder und Wärmetauscher sichergestellt, wodurch ebenfalls eine effiziente thermische Kopplung zwischen diesen Elementen gewährleistet wird. Eine solche Folie ist insbesondere aus einer Vergussmasse gefertigt, die bevorzugt der Vergussmasse entspricht, die auch zwischen die Batteriezellen und den Zellverbinder eingebracht wird. Die Folie weist insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit, bspw. in etwa 2 W/(m·K) auf. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Abstandselement mit dem Zellverbinder verklebt ist und/oder von der Vergussmasse umschlossen ist. Beides gewährleistet eine vorteilhafte Positionierung des Abstandselements bei einer Herstellung des Batteriemoduls.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder zumindest teilweise durch die Vergussmasse und/oder eine Beschichtung des Wärmetauschers (5) gebildet. Dabei wird die elektrisch isolierende Schicht bevorzugt durch dieselbe Vergussmasse gebildet, die zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder eingebracht wird. Dies ist vorteilhaft, da die Vergussmasse typischerweise nicht elektrisch leitfähig ist und zugleich eine effiziente thermische Kopplung zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder gewährleistet. Alternativ oder zusätzlich weist der Wärmetauscher eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, durch welche die elektrisch isolierende Schicht gebildet wird. Eine solche Beschichtung ist bevorzugt eine Al₂O₃-Schicht.
Es ist vorteilhaft, wenn bei dem Anordnen des Wärmetauschers auf dem Zellverbinder ein Einbringen einer Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder erfolgt, welche eine wärmeleitende Verbindung zwischen diesen herstellt. Es wird somit eine besonders effiziente thermische Anbindung der Batteriezellen an den Zellverbinder geschaffen, da durch die Vergussmasse ein zusätzlicher Pfad geschaffen wird, über den Wärme zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder transportiert werden kann.
Des Weiteren ist es bei dem Anordnen des Wärmetauschers auf dem Zellverbinder vorteilhaft, wenn bei dem Einbringen der Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder die Vergussmasse den Zellverbinder vollständig umschließt und das Anordnen des Wärmetauschers an dem Zellverbinder nach dem Einbringen der Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder erfolgt, wobei der Wärmetauscher auf der zumindest teilweise erhärteten Vergussmasse angeordnet wird. Auf diese Weise wird die elektrisch isolierende Schicht allein durch die Vergussmasse geschaffen.
Auch ist es beim Anordnen des Wärmetauscher auf dem Zellverbinder vorteilhaft, wenn bei dem Einbringen der Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder die Vergussmasse den Zellverbinder so weit umschließt, dass eine ebene Oberfläche entsteht, die aus dem Zellverbinder und der Vergussmasse gebildet ist, und das Anordnen des Wärmetauschers an den Zellverbinder nach dem Einbringen der Vergussmasse zwischen den Batteriezellen und dem Zellverbinder erfolgt, wobei der Wärmetauscher auf der ebenen Oberfläche angeordnet wird. Dabei wird der Wärmetauscher entweder mit der ebenen Oberfläche verklebt oder durch ein weiteres Einbringen von Vergussmasse mit dieser vergossen. Insbesondere wird dabei das Abstandselement zwischen dem Wärmetauscher und der ebenen Oberfläche angeordnet. Auf diese Weise wird ein besonders präzises Anordnen des Wärmetauschers auf den Zellverbinder ermöglicht.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn bei dem Anordnen des Wärmetauschers auf dem Zellverbinder ein Aufbringen eines Klebstoffes zum Fixieren des Wärmetauschers an dem Zellverbinder umfasst. Dabei wird eine besonders gute Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Zellverbinder geschaffen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn bei dem Anordnen des Wärmetauschers auf dem Zellverbinder das Abstandselement, insbesondere die Folie, zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder angeordnet wird. Auf diese Weise wird bei dem folgenden Anordnen des Wärmetauschers ein korrekter, insbesondere sehr geringer, Abstand zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder gewährleistet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, in welcher der Wärmetauscher mit einem Zellverbinder verklebt ist,
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, in welcher der Wärmetauscher nur teilweise von der Vergussmasse umschlossen ist,
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, in welcher der Wärmetauscher vollständig von der Vergussmasse umschlossen ist,
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, in welcher die Batteriezellen nur teilweise von der Vergussmasse umschlossen sind,
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, und
6 das Batteriemodul gemäß der fünften Ausführungsform in einem Zwischenschritt bei dessen Herstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einer ersten Ausführungsform. Dabei ist ein Querschnitt durch das Batteriemodul 1 gezeigt. Das Batteriemodul 1 umfasst eine erste Batteriezelle 2a, eine zweite Batteriezelle 2b, eine dritte Batteriezelle 2c und eine vierte Batteriezelle 2d. Jede der Batteriezellen 2a bis 2d weist im Wesentlichen die Form eines Quaders auf. Die erste bis vierte Batteriezelle 2a bis 2d sind aneinander angrenzend, nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Jede der Batteriezellen 2a bis 2d weist jeweils einen ersten Anschlusspol und einen zweiten Anschlusspol auf. Alle Anschlusspole der Batteriezellen 2a bis 2d liegen auf einer gemeinsamen Seite der in Reihe angeordneten Batteriezellen 2a bis 2d. Ein erster Anschlusspol 4a der ersten Batteriezelle 2a ist über einen ersten Zellverbinder 3a mit einem ersten Anschlusspol 4b der zweiten Batteriezelle 2b elektrisch leitfähig verbunden. Der erste Zellverbinder 3a ist eine metallische Platte, welche auf einer ihrer Seiten sowohl mit dem ersten Anschlusspol 4a der ersten Batteriezelle 2a als auch mit dem ersten Anschlusspol 4b der zweiten Batteriezelle 2b verschweißt ist.
In entsprechender Weise ist ein erster Anschlusspol 4c der dritten Batteriezelle 2c über einen zweiten Zellverbinder 3b mit dem ersten Anschlusspol 4d der vierten Batteriezelle 2d elektrisch leitfähig verbunden. Zudem ist der zweite Anschlusspol der zweiten Batteriezelle 2b über einen dritten Zellverbinder mit dem zweiten Anschlusspol der dritten Batteriezelle 2c elektrisch leitfähig verbunden. Die erste bis vierte Batteriezelle 2a bis 2d sind über den ersten bis dritten Zellverbinder 3a, 3b in Reihe geschaltet.
Das Batteriemodul 1 besteht somit aus mehreren Batteriezellen 2a bis 2d, die untereinander elektrisch verbunden werden müssen. Mehrere solche Batteriemodule 1 können zu einem Batteriepack zusammengefügt sein. Bei Batteriemodulen 1, z. B. für einen Mitteltemperaturbereich, muss die Temperatur der Batteriezellen 2a bis 2d in einem engen Bereich gehalten werden. Je nach Betriebszustand muss von den Batteriezellen 2a bis 2d Wärme abgeführt bzw. zugeführt werden.
An dem ersten Zellverbinder 3a ist daher ein Wärmetauscher 5 angeordnet. Der Wärmetauscher 5 erstreckt sich dabei ebenfalls über den zweiten Zellverbinder 3b und den dritten Zellverbinder hinweg und ist somit ebenfalls an diesen angeordnet. Zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b ist dabei ein Abstandselement 8 angeordnet. Der Wärmetauscher 5 liegt somit auf dem Abstandselement 8 auf, wobei das Abstandselement 8 auf den Zellverbindern 3a, 3b aufliegt. Das Abstandselement 8 ist eine Kunststofffolie 9, die auch eine teilvernetzte Folie sein kann. Alternativ dazu ist das Abstandselement 8 eine Beschichtung des Wärmetauschers, die aus einer AL₂O₃-Schicht gebildet wird. Der Wärmetauscher ist dabei mittels eines Klebstoffes 14 an den Zellverbindern 3a, 3b fixiert. Da das Abstandselement 8 zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b liegt, ist der Klebstoff 14 dazu beidseitig auf das Abstandselement 8 aufgebracht.
Alternativ kommt als Klebstoff eine teilvernetzte Folie aus einer speziellen Vergussmasse, die mit Sand und Silikon gefüllt ist zum Einsatz. Sie wird auf die Zellverbinder 3a, 3b aufgelegt. Ein zusätzliches Abstandselement (Spacer) ist nicht erforderlich. Dann wird der Wärmetauscher 5 aufgesetzt und die Folie 9 wird bei ca. 60°C ausgehärtet. Die Temperierung des Batteriemoduls 1 erfolgt über den Wärmetauscher 5, der mit einem geeigneten Kühlmedium betrieben wird.
Die elektrischen Verbindungen der Batteriezellen 2a bis 2d werden über die Zellverbinder 3a, 3b, wie bspw. ebene Bleche aus Kupfer bzw. Aluminium, die auch Ableiter genannt werden, mittels Laserschweißen realisiert. Es besteht somit eine Schweißverbindung 13 zwischen jedem der Zellverbinder 3a, 3b und den dem jeweiligen Zellverbinder zugehörigen Anschlusspolen. Damit wird eine mechanisch feste, elektrisch und thermisch gut leitende Verbindung erreicht. Aufgrund der partiellen Wärmeeinbringung wird die Batteriezelle, bspw. die Batteriezelle 2a, nicht zu warm.
Der Wärmetauscher 5, welcher auch als Wärmeübertrager bezeichnet werden kann, wird in dieser ersten Ausführungsform von einer Kühlflüssigkeit durchflossen. Dazu umfasst der Wärmetauscher 5 eine Leitung 11. Somit ist der Wärmetauscher 5 dazu eingerichtet, ein Fluid zu leiten. Ferner sind 5 auf der den Zellverbindern 3a, 3b abgewandten Seite des Wärmetauschers Kühlrippen angeordnet, über welche ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und der die Kühlrippen umgebenden Atmosphäre erfolgt. Da der Wärmetauscher 5 auf den Zellverbindern 3a, 3b aufliegt und lediglich durch das Abstandselement 8 von diesem getrennt ist, ist ein einfacher Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b möglich und diese sind somit thermisch gekoppelt.
Durch das Abstandselement 8 ist eine elektrisch isolierende Schicht 7 zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder gebildet.
In einigen Ausführungsformen bildet das Abstandselement 8 keine durchgängige Schicht zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b. So ist in alternativen Ausführungsformen bspw. auf jedem der Zellverbinder 3a, 3b ein Kunststoffelement angeordnet, welches den jeweils zugehörigen Zellverbinder 3a, 3b nicht vollständig bedeckt. Der Wärmetauscher 5 liegt auf diesen Kunststoffelementen auf. Der zwischen den Zellverbindern 3a, 3b und dem Wärmetauscher 5 durch solche Abstandselemente 8 verursachte Hohlraum ist jedoch durch den Klebstoff gefüllt. Somit wird die elektrisch isolierende Schicht 7 zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b zumindest teilweise durch den Klebstoff gebildet.
Die Temperierung der Batteriezellen 2a bis 2d erfolgt somit durch ein Verkleben der Zellverbinder 3a, 3b mit dem Wärmetauscher 5. Die Batteriemodule 2a bis 2d werden über die Zellverbinder 3a, 3b mittels Laserschweißen verbunden.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einer zweiten Ausführungsform. Dabei ist ein Querschnitt durch das Batteriemodul 1 gezeigt. Die zweite Ausführungsform gleicht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Jedoch ist in dieser zweiten Ausführungsform zwischen den Batteriezellen 2a bis 2d und den Zellverbindern 3a, 3b eine Vergussmasse 6 eingebracht. Diese umschließt alle Anschlusspole der ersten bis vierten Batteriezelle 2a bis 2d. Die Vergussmasse füllt dabei einen Raum zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle 2a, 2b und dem ersten Zellverbinder 3a vollständig aus und bildet somit eine thermisch leitende Brücke zwischen diesen Elementen. Entsprechendes gilt für den zweiten Zellverbinder 3b und den dritten Zellverbinder und die jeweils zugehörigen Anschlusspole und Batteriezellen.
Ferner werden die erste bis vierte Batteriezelle 2a bis 2d vollständig von der Vergussmasse 6 umhüllt. Dabei kann diese vollständige Umhüllung jedoch einzelne funktionale Ausnehmungen aufweisen, wie z. B. eine Öffnung zum Entlüften der Batteriezellen 2a bis 2d. Ferner wird ein unterer Bereich des Wärmetauschers 5, welcher aufseiten der Batteriezellen 2a bis 2d liegt, an seinem äußeren Rand ebenfalls von der Vergussmasse umschlossen und der Wärmetauscher 5 somit an den Batteriezellen 2a bis 2d fixiert. Der Wärmetauscher 5 ist somit von der Vergussmasse 6 teilweise umschlossen.
Durch das Abstandselement 8 ist eine elektrisch isolierende Schicht 7 zwischen dem Wärmetauscher und dem Zellverbinder gebildet.
In alternativen Ausführungsformen bildet das Abstandselement 8 keine durchgängige Schicht zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b. So ist in alternativen Ausführungsformen bspw. auf jedem der Zellverbinder 3a, 3b ein Kunststoffelement angeordnet, welches den jeweils zugehörigen Zellverbinder 3a, 3b nicht vollständig bedeckt. Der Wärmetauscher 5 liegt auf diesen Kunststoffelementen auf. Der zwischen den Zellverbindern 3a, 3b und dem Wärmetauscher 5 durch solche Abstandselemente 8 verursachte Hohlraum ist jedoch durch die Vergussmasse 6 gefüllt. Somit wird die elektrisch isolierende Schicht 7 zwischen dem Wärmetauscher 5 und den Zellverbindern 3a, 3b zumindest teilweise durch die Vergussmasse 6 gebildet.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einer dritten Ausführungsform. Dabei ist ein Querschnitt durch das Batteriemodul 1 gezeigt. Die dritte Ausführungsform gleicht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform. In dieser dritten Ausführungsform wird der Wärmetauscher 5 durch ein Rohr gebildet, welches sich in einem mäanderförmigen Verlauf über alle Zellverbinder 3a, 3b hinweg erstreckt. Der Wärmetauscher 5 ist entsprechend der ersten Ausführungsform auf den Zellverbindern 3a, 3b angeordnet, jedoch ist auch eine von den Batteriezellen 2a bis 2d abgewandte Seite des Wärmetauschers 5 von der Vergussmasse 6 bedeckt. Die Vergussmasse 6 umschließt den Wärmetauscher 5 vollständig. Dies schließt jedoch nicht aus, dass in der Vergussmasse 6 Zugangsöffnungen befindlich sind, über welche der Wärmetauscher 5 mit der Kühlflüssigkeit versorgt werden kann.
Die Temperierung der Batteriezellen 2a bis 2d erfolgt somit durch komplettes Vergießen des Batteriemoduls 1 mit mittels Laserschweißen verbundenen Zellverbindern 3a, 3b. Wird ein rohrförmiger Wärmetauscher 5 eingesetzt, wird dieser gleich mit vergossen. Es kommt eine spezielle Vergussmasse 6 und Vergussform zum Einsatz. Vor dem Vergießen wird ein elektrisch isolierendes Abstandselement 8 (Spacer) z. B. aus Kunststoff, auf die Zellverbinder 3a, 3b gelegt. Das Abstandselement 8 ist erforderlich, um später einen elektrischen Nebenschluss zu verhindern. Dann werden die in der Vergussform 10 positionierten und ggf. fixierten Batteriezellen 2a bis 2d bis über das Abstandselement 8 vergossen. Im Anschluss wird der Wärmetauscher 5, welcher insbesondere auch ein mäanderförmiges Rohr sein kann, in die Vergussmasse 6 gedrückt und bei ca. 60 ° ausgehärtet. Ein Rohr als Wärmetauscher 5, das auch abgeflacht sein kann, wird dabei voll umschlossen. Die Temperierung des Batteriemoduls 1 erfolgt über den Wärmetauscher 5, der mit einem geeigneten Kühlmedium betrieben wird.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einer vierten Ausführungsform. Dabei ist ein Querschnitt durch das Batteriemodul 1 gezeigt. Die vierte Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen der zweiten und dritten Ausführungsform. In dieser vierten Ausführungsform ist die Vergussmasse 6 lediglich auf einer in Richtung der Anschlusspole 4a bis 4d gelegenen Seite der Batteriezellen 2a bis 2d aufgebracht. Das bedeutet, dass die den Anschlusspolen abgewandte Seite der Batteriezellen 2a bis 2d nicht von der Vergussmasse bedeckt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Gussform 10 an die in einer Reihe angeordneten ersten bis vierten Batteriezelle 2a bis 2d angelegt wird, welche bspw. in einem oberen Drittel der Batteriezellen 2a bis 2d, bündig mit diesen abschließt. Als oberes Ende wird dabei die Seite der Batteriezellen 2a bis 2d betrachtet, auf welcher die Anschlusspole 4a bis 4d angeordnet sind. Der Wärmetauscher 5 ist entsprechend der ersten oder der zweiten Ausführungsform der Erfindung angeordnet.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einer fünften Ausführungsform. Dabei ist ein Querschnitt durch das Batteriemodul 1 gezeigt. In dieser fünften Ausführungsform ist die Vergussmasse derart auf die Batteriezellen 2a bis 2d, die Anschlusspole 4a bis 4d und die Zellverbinder 3a, 3b aufgebracht, sodass eine ebene Oberfläche 12 entsteht, die aus dem Zellverbindern 3a, 3b, nämlich der den Batteriezellen 2a bis 2d abgewandten Seiten der Zellverbinder 3a, 3b, und der Vergussmasse 6 gebildet ist. 6 zeigt einen entsprechenden Zwischenschritt bei der Herstellung des Batteriemoduls 1 gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Schritt zeigt einen Zustand, bei dem die Zellverbinder 3a, 3b und die Anschlusspole 4a bis 4d bereits von der Vergussmasse 6 umhüllt sind und die ebene Oberfläche 12 aus den Zellverbindern 3a, 3b und der Vergussmasse 6 gebildet ist.
Auf die ebene Oberfläche 12 wird eine teilvernetzte Folie aufgebracht, die aus dem gleichen Material wie die Vergussmasse 6 besteht. Alternativ wird eines der zuvor beschriebenen Abstandselemente 8, bspw. die Folie 9 oder die Kunststoffelemente, auf die ebene Oberfläche 12 aufgelegt und mit dieser verklebt. Diese bilden die elektrisch isolierende Schicht 7 in dieser vierten Ausführungsform. Dabei kann auch der verwendete Klebstoff ein Teil der isolierenden Schicht 7 sein. Der Wärmetauscher 5 wird auf die elektrisch isolierende Schicht 7 und somit auf die Zellverbinder 3a, 3b geklebt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Anordnen des Wärmetauschers 5 auf den Zellverbindern 3a, 3b des Batteriemoduls 1 beschrieben. Dabei erfolgt zunächst ein Befestigen des ersten Zellverbinders 3a an dem ersten Anschlusspol 4a der ersten Batteriezelle 2a und dem ersten Anschlusspol 4b der zweiten Batteriezelle 2b mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung. So wird der Zellverbinder 3a bspw. mittels Punktschweißen mit diesen Anschlusspolen 4a, 4b verschweißt. Entsprechend wird der zweite Zellverbinder 3b an dem ersten Anschlusspol 4c der dritten Batteriezelle 2c und dem ersten Anschlusspol 4d der vierten Batteriezelle 2d befestigt. Entsprechend wird der dritte Zellverbinder an dem zweiten Anschlusspol 4c der zweiten Batteriezelle 2b und dem zweiten Anschlusspol der dritten Batteriezelle 2c befestigt.
In einem folgenden Schritt wird das Abstandselement 8, bspw. die Folie 9, auf die den Batteriezellen 2a, 2b abgewandte Seite des ersten bis dritten Zellverbinders 3a, 3b gelegt.
Im Folgenden wird der Wärmetauscher 5 auf dem Abstandselement 8 und somit auf dem ersten bis dritten Zellverbinder 3a, 3b angeordnet. Dadurch, dass der Wärmetauscher 5 auf dem ersten Zellverbinder 3a aufliegt, sind diese zu diesem Zeitpunkt bereits thermisch gekoppelt. Dies gilt auch für den zweiten und dritten Zellverbinder 3b. Optional wird der Wärmetauscher 5 dabei mit den Zellverbindern 3a, 3b verklebt, indem der Klebstoff 14 zwischen diesen Elementen eingebracht wird.
In einem weiteren Schritt erfolgt ein Einbringen der Vergussmasse 6 zwischen den Batteriezellen 2a, 2b und dem ersten Zellverbinder 3a. Dazu wird das Batteriemodul 1 bspw. in eine Gussform gesetzt, welche mit der flüssigen Vergussmasse 6 aufgefüllt wird. Die Vergussmasse fließt in ihrem flüssigen Zustand zwischen die Zellverbinder 3a, 3b und die Batteriezellen 2a bis 2d und härtet dort aus. Es wird somit eine zusätzliche Wärmebrücke zwischen den Batteriezellen 2a bis 2d und den Zellverbindern 3a, 3b und somit mit dem Wärmetauscher 5 geschaffen.
Im Folgenden sei ein Verfahren zum Anordnen des Wärmetauschers 5 auf den Zellverbindern 3a, 3b des Batteriemoduls 1 in einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Dabei erfolgt das Befestigen des ersten Zellverbinders 3a an dem ersten Anschlusspol 4a der ersten Batteriezelle 2a und dem ersten Anschlusspol 4b der zweiten Batteriezelle 2b entsprechend der ersten Ausführungsform des Verfahrens. Dies gilt auch für das Befestigen des zweiten und dritten Zellverbinders 3b.
In einem folgenden Schritt erfolgt das Einbringen der Vergussmasse 6 zwischen den Batteriezellen 2a bis 2d und den Zellverbindern 3a, 3b. Dazu wird das Batteriemodul 1, zu diesem Zeitpunkt ohne den Wärmetauscher 5, in eine Gussform eingebracht, welche dann mit der Vergussmasse 6 gefüllt wird. Dabei wird die Vergussform 10 so weit angefüllt, dass die Zellverbinder 3a, 3b vollkommen von der Vergussmasse 6 umschlossen werden. Die Vergussform wird dabei so weit mit Vergussmasse 6 angefüllt, dass lediglich eine dünne Schicht von Vergussmasse 6 auf der den Batteriezellen 2a, 2b abgewandten Seite des ersten Zellverbinders 3a befindlich ist.
In einem folgenden Schritt erfolgt das Anordnen des Wärmetauschers 5 auf dem ersten Zellverbinder 3a. Dies erfolgt jedoch erst, nachdem die Vergussmasse 6 zumindest teilweise erhärtet ist. Der Wärmetauscher 5 wird mit der Vergussmasse verklebt, oder die Gussform wird weiter mit Vergussmasse 6 gefüllt, um den Wärmetauscher 5 über dem ersten Zellverbinder 3a zu fixieren.
Optional wird die Vergussform 10 dabei so weit gefüllt, dass der Wärmetauscher 5 vollkommen von der Vergussmasse 6 umschlossen wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Anordnen des Wärmetauschers 5 auf den Zellverbindern 3a, 3b des Batteriemoduls 1 in einer dritten Ausführungsform beschrieben. Dabei erfolgt das Befestigen des ersten Zellverbinders 3a an dem ersten Anschlusspol 4a der ersten Batteriezelle 2a und dem ersten Anschlusspol 4b der zweiten Batteriezelle 2b entsprechend der ersten Ausführungsform des Verfahrens. Dies gilt auch für das Befestigen des zweiten und dritten Zellverbinders 3b.
In einem folgenden Schritt erfolgt das Einbringen der Vergussmasse 6 zwischen den Batteriezellen 2a, 2b und den Zellverbindern 3a, 3b. Dazu wird das Batteriemodul 1 in der Gussform 10 angeordnet. Die Gussform wird mit Vergussmasse 6 angefüllt, sodass diese bis zu einer Oberkante der Zellverbinder 3a, 3b reicht. Das bedeutet, dass genau eine ebene Fläche von jedem der plattenförmigen Zellverbinder 3a, 3b frei liegt, wobei alle anderen Seitenflächen von der Vergussmasse umschlossen sind. Auf diese Weise wird die ebene Oberfläche 12 gebildet, die aus den Zellverbindern 3a, 3b und der Vergussmasse 6 gebildet ist.
Es erfolgt somit ein Teilverguss des Batteriemoduls 1 bis zur Oberkante des Zellverbinders 3a. Danach wird die Vergussmasse 6 ausgehärtet.
Danach wird die Vergussmasse 6 ausgehärtet. Das Abstandselement 8 wird auf die Zellverbinder 3a, 3b oder die gesamte Oberseite des Batteriemoduls aufgelegt. Es wird ein Klebstoff 14 auf die Zellverbinder 3a, 3b oder die gesamte Oberfläche des Moduls aufgetragen und ausgehärtet. Daher wird in einem folgenden Schritt das Abstandselement 8, bspw. die Folie 9 auf die ebene Oberfläche 12 geklebt und der Wärmetauscher 5 auf den noch flüssigen Klebstoff 14 auf das Abstandselement 8 aufgesetzt. Der Wärmetauscher 5 wird somit an den Zellverbindern 3a, 3b angeordnet. Dabei liegt der Wärmetauscher 5 auf der ebenen Oberfläche 12 auf, wobei dieser durch das Abstandselement 8 von dieser getrennt ist. Der beispielsweise kasten- oder rohrförmiger Wärmetauscher 5 wird somit mit der Folie 9, welche insbesondere eine teilvernetzter Folie ist, die aus einem gleichen Material wie die Vergussmasse 6 besteht, verbunden.
Durch die beschriebenen Ausführungsformen wird somit eine elektrische Anbindung der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2d über mehrere Zellverbinder 3a, 3b des Batteriemoduls 1 geschaffen und eine Temperierung der Batteriezellen 2a bis 2d des Batteriemoduls 1, unabhängig von der Zellchemie der Batteriezellen 2a bis 2d, mittels eines Vergießens geschaffen.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 6 verwiesen.

Claims

Batteriemodul (1), umfassend: – eine erste Batteriezelle (2a), – eine zweite Batteriezelle (2b), – einen Zellverbinder (3a), welcher einen Anschlusspol (4a) der ersten Batteriezelle (2a) mit einem Anschlusspol (4b) der zweiten Batteriezelle (2b) elektrisch leitfähig verbindet, und – einen Wärmetauscher (5), welcher an dem Zellverbinder (3a) angeordnet ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist.
Batteriemodul (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a) eingebracht ist und eine wärmeleitende Verbindung zwischen diesen herstellt.
Batteriemodul (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (6) den Wärmetauscher (5) teilweise oder vollständig umschließt.
Batteriemodul (1) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (6) die erste und die zweite Batteriezelle (2a, 2b) vollständig umhüllt.
Batteriemodul (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) mittels eines Klebstoffes (14) an dem Zellverbinder (3a) fixiert ist.
Batteriemodul (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) dazu eingerichtet ist, ein Fluid zu leiten und/oder dass der Wärmetauscher (5) Kühlrippen aufweist.
Batteriemodul (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch isolierende Schicht (7) zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Zellverbinder (3a) angeordnet ist, welche insbesondere ein Abstandselement (8), insbesondere eine Folie (9), umfasst.
Batteriemodul (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (7) zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Zellverbinder (3a) zumindest teilweise durch eine Vergussmasse (6) und/oder eine Beschichtung des Wärmetauschers (5) gebildet wird.
Verfahren zum Anordnen eines Wärmetauschers auf einem Zellverbinder eines Batteriemoduls (1), umfassend: – Befestigen eines Zellverbinders (3a) an einem Anschlusspol (4a) einer ersten Batteriezelle (2a) und einem Anschlusspol (4b) einer zweiten Batteriezelle (2b) mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung, und – Anordnen eines Wärmetauschers (5) an dem Zellverbinder (3a), wobei der Wärmetauscher (5) mit dem Zellverbinder (3a) thermisch gekoppelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner umfassend ein Einbringen einer Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a), welche eine wärmeleitende Verbindung zwischen diesen herstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – bei dem Einbringen der Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a) die Vergussmasse (6) den Zellverbinder (3a) vollständig umschließt, und – das Anordnen des Wärmetauschers (5) an dem Zellverbinder (3a) nach dem Einbringen der Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a) erfolgt, wobei der Wärmetauscher (5) auf der zumindest teilweise erhärteten Vergussmasse (6) angeordnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – bei dem Einbringen der Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a) die Vergussmasse (6) den Zellverbinder (3a) so weit umschließt, dass eine ebene Oberfläche (12) entsteht, die aus einer Oberfläche des Zellverbinders (3a) und einer Oberfläche der Vergussmasse (6) gebildet ist, und – das Anordnen des Wärmetauschers (5) an dem Zellverbinder (3a) nach dem Einbringen der Vergussmasse (6) zwischen den Batteriezellen (2a, 2b) und dem Zellverbinder (3a) erfolgt, wobei der Wärmetauscher auf der ebenen Oberfläche (12) angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend ein Aufbringen eines Klebstoffes (14) zum Fixieren des Wärmetauschers (5) an dem Zellverbinder (3a).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anordnen des Wärmetauschers (5) an dem Zellverbinder (3a) ein Abstandselement (8), insbesondere eine Folie (9), zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Zellverbinder (3a) angeordnet wird.