DE102017201015A1 - battery means - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung (1) mit wenigstens einer Batteriezelle (2), die ein Zellengehäuse (4) aufweist, und mit einer Temperiereinrichtung (3) zum Temperieren der jeweiligen Batteriezelle (2), die mehrere Kanäle (10) zum Führen eines Temperiermittels (6) aufweist.Ein verbesserter Thermomanagement ergibt sich, wenn zumindest bei einer Batteriezelle (2) zumindest ein Kanal (10) zumindest teilweise in einer Wand (11) des Zellengehäuses (4) integral ausgeformt ist.The present invention relates to a battery device (1) having at least one battery cell (2), which has a cell housing (4), and with a tempering device (3) for controlling the respective battery cell (2), the plurality of channels (10) for guiding a An improved thermal management is obtained if at least one battery cell (2) has at least one channel (10) integrally formed at least partially in a wall (11) of the cell housing (4).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a battery device having the features of the preamble of
Batterien, also elektrochemische Speicher, kommen insbesondere bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Für eine optimale Leistung und eine möglichst lange Lebenszeit dieser Batterien ist ein leistungsfähiges Thermomanagement erforderlich, das einen Betrieb der Batterien in einem vorbestimmten, optimalen Temperaturfenster ermöglicht. Dabei müssen die Batterien bei hoher Belastung möglichst homogen gekühlt werden. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen müssen die Batterien möglichst homogen beheizt werden. Problematisch ist dabei die Sicherstellung eines dauerhaften und effizienten Kontakts zur Wärmeübertragung zwischen den Batterien und entsprechenden Temperierelementen.Batteries, so electrochemical storage, are used in particular in electric vehicles and hybrid vehicles. For optimum performance and the longest possible life of these batteries, efficient thermal management is required that allows operation of the batteries in a predetermined optimal temperature window. The batteries must be cooled as homogeneously as possible under high load. At low ambient temperatures, the batteries must be heated as homogeneously as possible. The problem here is to ensure a durable and efficient contact for heat transfer between the batteries and the corresponding temperature control.
Eine Batterieeinrichtung umfasst im vorliegenden Zusammenhang wenigstens eine Batterie bzw. Batteriezelle und eine Temperiereinrichtung zum Kühlen bzw. zum Erwärmen der jeweiligen Batteriezelle.A battery device in the present context comprises at least one battery or battery cell and a tempering device for cooling or for heating the respective battery cell.
Eine gattungsgemäße Batterieeinrichtung ist bspw. aus der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Batterieeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kompakte Bauform auszeichnet.The present invention addresses the problem of providing for a battery device of the type described above, an improved or at least another embodiment, which is characterized in particular by a compact design.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest bei einer Batteriezelle innerhalb der Batterieeinrichtung zumindest einen Kanal der Temperiereinrichtung wenigstens teilweise in einer Wand des Zellengehäuses integral auszuformen. Mit anderen Worten, die Wand des Zellengehäuses bildet zumindest einen Teil einer seitlichen Einfassung eines Kanalquerschnitts des jeweiligen Kanals. Insbesondere bildet die Wand dadurch nicht nur eine seitliche Begrenzung des jeweiligen Kanals. Dementsprechend baut die Temperiereinrichtung zumindest teilweise nach innen in die Wand des Zellengehäuses hinein. Durch diese zumindest teilweise Integration der Temperiereinrichtung bzw. des jeweiligen Kanals in die Wand des Zellengehäuses wird letztlich weniger Bauraum benötigt. Dies wirkt sich insbesondere bei einem Batteriezellenstapel aus, bei dem mehrere Batteriezellen in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind.The invention is based on the general idea, at least in one battery cell inside the battery device, of integrally forming at least one channel of the tempering device at least partially in a wall of the cell housing. In other words, the wall of the cell housing forms at least part of a lateral enclosure of a channel cross-section of the respective channel. In particular, the wall thereby forms not only a lateral boundary of the respective channel. Accordingly, the tempering device builds at least partially inwards into the wall of the cell housing. As a result of this at least partial integration of the tempering device or of the respective channel into the wall of the cell housing, ultimately less space is required. This particularly affects a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked in a stacking direction.
Zweckmäßig kann der jeweilige Kanal einen Kanalquerschnitt besitzen, der zu mindestens 50% direkt durch die Wand des Zellengehäuses definiert bzw. begrenzt ist. Hierdurch wird die Integration des jeweiligen Kanals in die Wand des Zellgehäuses verbessert.Suitably, the respective channel may have a channel cross-section which is defined or limited to at least 50% directly through the wall of the cell housing. As a result, the integration of the respective channel is improved in the wall of the cell housing.
Ferner kann die jeweilige Wand des Zellengehäuses eine Kanalstruktur aufweisen, die zumindest einen Teil eines Kanalquerschnitts des jeweiligen Kanals definiert. Die Wand des Zellengehäuses besitzt dann Vertiefungen und/oder Aussparungen, um den Integrationsgrad des Kanals bzw. der Temperiereinrichtung zu erhöhen.Furthermore, the respective wall of the cell housing may have a channel structure which defines at least a part of a channel cross-section of the respective channel. The wall of the cell housing then has recesses and / or recesses in order to increase the degree of integration of the channel or the tempering device.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Kanalstruktur an der jeweiligen Wand integral ausgeformt oder daran angespritzt sein. Eine integrale Ausformung wird dann bevorzugt, wenn es sich beim Zellengehäuse um ein Metallgussteil oder um ein Kunststoffteil handelt, das in Spritzformtechnik hergestellt wird. Wird das Zellengehäuse dagegen mittels Tiefziehtechnik aus Kunststoff oder Metall hergestellt, lässt sich die Kanalstruktur besonders einfach mittels eines additiven Verfahrens anbringen, z. Bsp. mittels 3D-Druck oder durch Anspritzen.According to a development, the channel structure can be integrally formed on the respective wall or molded onto it. Integral molding is preferred when the cell housing is a metal casting or plastic part made by injection molding. If the cell housing, however, made by means of thermoforming technique made of plastic or metal, the channel structure can attach very easily by means of an additive method, eg. Example by means of 3D printing or by spraying.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der jeweilige Kanal vollständig in die jeweilige Wand des Zellengehäuses integriert sein. Mit anderen Worten, der Kanalquerschnitt ist dann zu 100% direkt durch die Wand des Zellengehäuses gebildet. Auf diese Weise können zusätzliche Bauteile zur Realisierung des jeweiligen Kanals entfallen. Die Batterieeinrichtung baut dadurch extrem kompakt. Sind mehrere Batteriezellen in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt, entspricht die Höhe des Batteriezellenstapels der Summe der Höhen der einzelnen Zellengehäuse. Zwischengeschaltete Elemente zur Realisierung der Kanäle sind nicht erforderlich.According to a particularly advantageous embodiment, the respective channel can be completely integrated in the respective wall of the cell housing. In other words, the channel cross section is then 100% directly through the wall of the Cell housing formed. In this way, additional components for the realization of the respective channel can be omitted. The battery device builds extremely compact. If several battery cells are stacked in a stacking direction, the height of the battery cell stack is the sum of the heights of the individual cell housing. Intermediate elements to realize the channels are not required.
Die vollständige oder teilweise Integration des jeweiligen Kühlkanals in die Wand des Zellengehäuses lässt sich durch geeignete Herstellungsverfahren realisieren. Denkbar ist auch hier ein additives Herstellungsverfahren, vorzugsweise 3D-Drucktechnik.The complete or partial integration of the respective cooling channel into the wall of the cell housing can be realized by suitable manufacturing methods. Also conceivable here is an additive production process, preferably 3D printing technology.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Zellengehäuse einen Zuführanschluss zum Zuführen des Temperiermittels und einen Abführanschluss zum Abführen des Temperiermittels aufweist. Somit lassen sich die Fluidanschlüsse zum Zu- und Abführen des Temperiermittels an der jeweiligen Batteriezelle bzw. an deren Zellengehäuse realisieren, was den Integrationsgrad auf Seite des Zellengehäuses erhöht und die Herstellungskosten reduziert.Particularly advantageous is an embodiment in which the cell housing has a supply port for supplying the temperature control and a discharge port for discharging the temperature control. Thus, the fluid connections for supplying and removing the temperature control can be realized at the respective battery cell or at the cell housing, which increases the degree of integration on the side of the cell housing and reduces the manufacturing cost.
Eine alternative Ausführungsform schlägt vor, dass der jeweilige Kanal nur zum Teil in die jeweilige Wand des Zellengehäuses integriert ist, während ein restlicher Teil des jeweiligen Kanals in eine Zusatzwand integriert ist, die außen an der jeweiligen Wand des Zellengehäuses angebracht ist. Die jeweilige Zusatzwand, die den restlichen Teil des jeweiligen Kanals enthält, ist dann außen auf die Wand des Zellengehäuses aufgebaut. Durch die Zusatzwand lässt sich die innenliegende Kanalstruktur einfacher realisieren.An alternative embodiment proposes that the respective channel is only partially integrated in the respective wall of the cell housing, while a remaining part of the respective channel is integrated in an additional wall, which is externally attached to the respective wall of the cell housing. The respective additional wall, which contains the remaining part of the respective channel, is then constructed externally on the wall of the cell housing. The additional wall makes it easier to realize the internal channel structure.
Bei einer Weiterbildung kann zumindest eine solche Zusatzwand ein separates Bauteil sein, das an die jeweilige Wand des Zellengehäuses angebaut ist. Beispielsweise kann die jeweilige Zusatzwand mittels Spritzgusstechnik hergestellt werden und auf geeignete Weise mit der jeweiligen Wand des Zellengehäuses verschweißt oder verklebt sein.In a development, at least one such additional wall may be a separate component that is attached to the respective wall of the cell housing. For example, the respective additional wall can be produced by means of injection molding technology and be welded or glued in a suitable manner to the respective wall of the cell housing.
Ebenso ist denkbar, zumindest eine solche Zusatzwand an die jeweilige Wand des Zellengehäuses mittels 3D-Druck aufzubringen. Insbesondere lassen sich dadurch vergleichsweise filigrane Strukturen innerhalb eines Kanalsystems realisieren.It is also conceivable to apply at least one such additional wall to the respective wall of the cell housing by means of 3D printing. In particular, comparatively filigree structures within a channel system can thereby be realized.
Eine andere Ausführungsform schlägt vor, dass zumindest zwei Batteriezellen, nämlich eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle benachbart angeordnet sind. In diesem Fall kann zumindest eine solche Zusatzwand an der jeweiligen Wand des Zellengehäuses der ersten Batteriezelle durch eine Wand eines Zellengehäuses der zweiten Batteriezelle gebildet sein. Die beiden Batteriezellen werden dann so aneinander angebracht, dass sich der jeweilige Kanal, der an den einander zugewandten Wänden der Zellengehäuse der benachbarten Batteriezellen jeweils nur teilweise ausgebildet ist, im montierten Zustand komplettiert wird. Das bedeutet, dass die Wand des Zellengehäuses der einen Batteriezelle die Zusatzwand für das Zellengehäuse der anderen Batteriezelle bildet, um dort den jeweiligen Kanal zu komplettieren. Auf eine separate Zusatzwand kann dadurch verzichtet werden.Another embodiment proposes that at least two battery cells, namely a first battery cell and a second battery cell are arranged adjacent. In this case, at least one such additional wall may be formed on the respective wall of the cell housing of the first battery cell by a wall of a cell housing of the second battery cell. The two battery cells are then attached to one another in such a way that the respective channel, which is only partially formed on the mutually facing walls of the cell housing of the adjacent battery cells, is completed in the mounted state. This means that the wall of the cell housing of a battery cell forms the additional wall for the cell housing of the other battery cell to complete there the respective channel. On a separate additional wall can be dispensed with.
Zweckmäßig kann der jeweilige Kanal zur Hälfte an der jeweiligen Wand und zur Hälfte an der jeweiligen Zusatzwand integral ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere für den vorstehend genannten Fall, dass die Zusatzwand durch die Wand des Zellengehäuses der benachbarten Batteriezelle gebildet ist.Suitably, the respective channel may be integrally formed halfway to the respective wall and half to the respective additional wall. This applies in particular to the above-mentioned case that the additional wall is formed by the wall of the cell housing of the adjacent battery cell.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei der mindestens zwei Batteriezellen in einer Stapelrichtung aneinander grenzen und einen Batteriezellenstapel bilden. Jede Batteriezelle weist an zwei in der Stapelrichtung voneinander abgewandten Seiten jeweils eine Wand auf, in die jeweils wenigstens ein solcher Kanal zur Hälfte integriert ist. Im Inneren des Batteriezellenstapels ist dann zumindest ein solcher Kanal durch die aneinander anliegenden Wände von zwei benachbarten Batteriezellen gebildet. Außen am Batteriezellenstapel ist zumindest ein solcher Kanal durch die Wand der in der Stapelrichtung außenliegenden Batteriezelle und die daran angebrachte separate Zusatzwand gebildet. Zweckmäßig können dann an der bezüglich der Stapelrichtung ersten und letzten Batteriezelle jeweils eine separate Zusatzwand angebracht sein, während zwischen benachbarten Batteriezellen keine solche separate Zusatzwand erforderlich ist, da diese jeweils durch die Wand des Zellengehäuses der benachbarten Batteriezelle gebildet ist.Particularly advantageous is an embodiment in which at least two battery cells adjoin one another in a stacking direction and form a battery cell stack. Each battery cell has two walls facing away from one another in the stacking direction, each of which has a wall in each of which at least one such channel is half integrated. In the interior of the battery cell stack, at least one such channel is then formed by the adjoining walls of two adjacent battery cells. On the outside of the battery cell stack, at least one such channel is formed by the wall of the battery cell located outside in the stacking direction and the separate additional wall attached thereto. Expediently, a separate additional wall can then be attached to the first and last battery cell with respect to the stacking direction, while no separate additional wall is required between adjacent battery cells, since this is formed by the wall of the cell housing of the adjacent battery cell.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass in der jeweiligen Wand mindestens zwei parallele Kanäle, ein Verteilerkanal, der einen Zuführanschluss mit den parallelen Kanälen fluidisch verbindet, und ein Sammelkanal, der einen Abführanschluss mit den parallelen Kanälen fluidisch verbindet, jeweils wenigstens teilweise integriert sind. Hierdurch lässt sich in bzw. an der jeweiligen Wand ein Kanalsystem realisieren, was eine besonders effiziente Wärmeübertragung ermöglicht.Another embodiment provides that in the respective wall at least two parallel channels, a distribution channel, which fluidly connects a supply port to the parallel channels, and a collecting channel, which fluidly connects a discharge port to the parallel channels, are each at least partially integrated. As a result, a channel system can be realized in or on the respective wall, which enables particularly efficient heat transfer.
Eine andere Ausführungsform schlägt vor, dass das jeweilige Zellengehäuse prismatisch und flach ist, so dass das Zellengehäuse zwei zueinander parallele große Wände und zwei mal zwei zueinander parallele kleine Wände aufweist, wobei der jeweilige Kanal zumindest teilweise in einer der großen Wände ausgeformt ist. Durch die flache Bauweise ergeben sich große Flächen für die Wärmeübertragung, wodurch diese besonders effizient erfolgen kann.Another embodiment proposes that the respective cell housing is prismatic and flat, so that the cell housing has two parallel large walls and two times two small walls parallel to each other, wherein the respective channel at least partially in one of the large Walls is formed. The flat design results in large areas for heat transfer, which can be done very efficiently.
Eine andere Ausführungsform schlägt vor, dass zumindest eine solche Batteriezelle in ihrem prismatischen Zellengehäuse mehrere zylindrische elektrochemische Zellen enthält. Die jeweilige Zelle kann dabei ein zylindrisches Innengehäuse aufweisen, das eine Zellkammer zur Aufnahme einer elektrochemischen Substanz der jeweiligen elektrochemischen Zelle begrenzt und unmittelbar mit der elektrochemischen Substanz in Kontakt steht. Das prismatische Zellengehäuse ermöglicht eine vereinfachte Wärmeübertragung und erleichtert eine Stapelbildung, auch wenn zylindrische Zellen zum Einsatz kommen.Another embodiment proposes that at least one such battery cell contains a plurality of cylindrical electrochemical cells in its prismatic cell housing. The respective cell may have a cylindrical inner housing which delimits a cell chamber for receiving an electrochemical substance of the respective electrochemical cell and is in direct contact with the electrochemical substance. The prismatic cell housing allows for simplified heat transfer and facilitates stacking, even when cylindrical cells are used.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass bei zumindest einer solchen Batteriezelle das jeweilige Zellengehäuse eine Zellkammer zur Aufnahme einer elektrochemischen Substanz der jeweiligen Batteriezelle begrenzt und unmittelbar mit der elektrochemischen Substanz in Kontakt steht. Die elektrochemische Substanz ist dabei in der Regel ein Elektrolyt.Another embodiment provides that, in at least one such battery cell, the respective cell housing delimits a cell chamber for receiving an electrochemical substance of the respective battery cell and is in direct contact with the electrochemical substance. The electrochemical substance is usually an electrolyte.
Im vorliegenden Zusammenhang werden unter einer „Batterie“ elektrochemische Energiespeicher verstanden, die mit Primärzellen, also nicht-wiederaufladbaren Speicherelementen, oder mit Sekundärzellen, also mit aufladbaren Speicherelementen gebildet sind. Der Begriff „Batterie“ umfasst somit auch wiederaufladbare Batterien, also Akkumulatoren. Auch wenn üblicherweise eine Batterie mehrere Speicherelemente bzw. Zellen aufweist, kann im vorliegenden Zusammenhang unter einer Batterie auch eine einzelne Zelle bzw. ein einzelnes Speicherelement verstanden werden.In the present context, a "battery" is understood to mean electrochemical energy stores which are formed by primary cells, that is to say non-rechargeable storage elements, or by secondary cells, that is to say with rechargeable storage elements. The term "battery" thus also includes rechargeable batteries, ie accumulators. Even if a battery usually has a plurality of memory elements or cells, in the present context a battery can also be understood to be a single cell or a single memory element.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Ansicht einer Batterieeinrichtung mit einem Batteriezellenstapel aus mehreren Batteriezellen, -
2 bis 5 jeweils ein stark vereinfachter Querschnitt einer Batteriezelle bei verschiedenen Ausführungsformen, -
6 ein Querschnitt durch einen Batteriezellenstapel mit zwei Batteriezellen, -
7 und8 jeweils einen Längsschnitt einer Batteriezelle im Bereich einer Kanalstruktur bei verschiedenen Ausführungsformen.
-
1 a view of a battery device with a battery cell stack of a plurality of battery cells, -
2 to5 in each case a greatly simplified cross-section of a battery cell in various embodiments, -
6 a cross section through a battery cell stack with two battery cells, -
7 and8th in each case a longitudinal section of a battery cell in the region of a channel structure in various embodiments.
Entsprechend
Im Beispiel der
In den
Die Temperiereinrichtung
Im Beispiel der
In den Beispielen der
Die Kanäle
Die jeweilige Zusatzwand
Gemäß den
Mit Bezug auf
Somit bildet die der linken oder ersten Batteriezelle
Gemäß den
In
Bei den hier gezeigten Beispielen ist die jeweilige Batteriezelle
Die Batteriezellen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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