BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft eine Batterie für einen Kraftwagen.

Um die Antriebsaggregate von Elektro- oder Hybridfahrzeugen mit Energie zu versorgen, finden Hochvoltbatterien mit hoher Leistungsdichte Anwendung. Um die gewünschte hohe Klemmenspannung zu erreichen, wird bei solchen Batterien eine Vielzahl einzelner elektrochemischer Zellen in einer Reihenschaltung verbunden, so dass sich die relativ niedrigen Klemmenspannungen der einzelnen Zellen zur gewünschten Gesamtklemmenspannung der Batterie addieren. Aufgrund der hohen Lade- und Entladeleistungen im Betrieb solcher Batterien erwärmen sich die einzelnen elektrochemi- sehen Zellen beim Laden beziehungsweise Entladen der Batterie stark. Solche Batterien müssen daher gekühlt werden, um ein Überhitzen zu vermeiden.

Aus der DE 10 2005 047 034 A1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen von Batte- rien eines Fahrzeugs bekannt, bei welchem die einzelnen Zellen einer Batterie in einem Gehäuse aufgenommen sind und mittels eines Gebläses mit Luft umspült werden. Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität von Luft muss eine solche Kühlvorrichtung ein leistungsstarkes und damit schweres Gebläse aufweisen, um den gewünschten Wärmeabtransport sicherzustel- len.

Aus der DE 10 2006 004 419 A1 ist eine weitere Kühlvorrichtung bekannt, bei welcher zwischen jeweils zwei Einzelzellen einer Batterie ein plattenför- miges Kühlelement angeordnet ist, welche mit einem Kühlmedium durch- strömt werden. Solche Vorrichtungen bieten eine gute Kühlleistung, sind jedoch schwer und aufwändig in der Konstruktion. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Batterie für einen Kraftwagen bereitzustellen, welche gut kühlbar ist und gleichzeitig ein geringes Eigengewicht und eine einfache Konstruktion aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Diese Batterie für einen Kraftwagen weist ein Batteriegehäuse auf, in welchem wenigstens eine Zellengruppe mit einer Mehrzahl von elektrochemi- sehen Zellen aufgenommen ist. Die Zellen einer Zellengruppe sind in einem jeweiligen Zellenträger gehalten, wobei ein Deckelteil des Zellenträgers eine Kühlmittelleitung zum Kühlen der Zellen der Zellengruppe umfasst. Die Zellenträger einer solchen Batterie besitzen also zwei Funktionen. Zum einen halten sie die Einzelzellen in ihrer gewünschten Position, zum anderen kann durch die in das Deckelteil integrierten Kühlmittelleitungen Wärme von den einzelnen elektrochemischen Zellen der Batterie abgeführt werden. Durch diese Funktionsintegration wird eine besonders leichte Batterie geschaffen.

Da die elektrochemischen Zellen direkt an dem Zellenträger gehalten sind, besteht zudem ein unmittelbarer Kontakt, so dass Wärme aus den elektrochemischen Zellen direkt durch Wärmeleitung an die Kühlmittelleitung und damit an ein durch diese strömendes Kühlfluid abgegeben werden kann. Dies ermöglicht eine besonders gute Wärmeabfuhr aus der Batterie. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Zellen auf der Seite ihrer Abgriffspole mit dem Deckelteil verbunden. Da auf Seite der Abgriffspole die Stromdichte in den Elektroden einer Zelle besonders hoch ist, fällt dort besonders viel Wärme an. Eine solche Anordnung führt also Wärme genau aus den thermisch besonders belasteten Bereichen der Zelle ab.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen jeweils benachbarten Zellen einer Zellengruppe ein Luftspalt gegeben. Der Luftspalt ermöglicht einerseits eine Wärmeabfuhr durch Konvektion, so dass auch Wärme, die in Bereichen der Zellen anfällt, die nicht direkt mit dem Zellenträ- ger in Verbindung stehen, abtransportiert wird. Gleichzeitig ermöglicht ein solcher Luftspalt aber auch eine gewisse thermische Isolierung zwischen benachbarten Zellen, da sich aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft bei Vorliegen eines solchen Luftspalts benachbarte Zellen kaum gegenseitig aufheizen. Auch zwischen den Zellen einer Zellengruppe und dem Deckelteil kann ein Luftspalt gegeben sein. Das Deckelteil berührt die Zellen dann nur bereichsweise, beispielsweise direkt an ihren Abgriffspolen, wodurch noch immer ein hinreichender thermischer Kontakt vorhanden ist. Durch den Luftspalt kann auch hier per Konvektion Wärme transportiert und an die Zellenträger abgegeben werden. Die Luftspalte stellen zudem Raum für die thermische Ausdehnung von Komponenten der Batterie zur Verfügung, so dass Verspan- nung zwischen einzelnen Zellen und ihren Kontaktelementen bei Erwärmung der Batterie vermieden wird.

Vorzugsweise ist das Batteriegehäuse luftdicht abgeschlossen. Damit wird verhindert, dass bei einem Defekt einer Zelle ein Elektrolyt an die Umgebung abgegeben wird. Die Luft in einem gegebenenfalls vorhandenen geringen Luftvolumen des Batteriegehäuses muss in der Regel nicht mittels Gebläsen oder dergleichen bewegt werden, da aufgrund der hohen Wärmeabfuhrleistung der Zellenträger die Konvektion im Luftraum zur Wärmeverteilung vollständig ausreicht. Um eine besonders gute Wärmeverteilung innerhalb des Batteriegehäuses zu erzielen, kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dennoch wenigstens ein Lüfter zum Umwälzen von Luft innerhalb des Batteriegehäuses vorgesehen werden. Ein solcher Lüfter dient der Unterstützung der konvektionsgetriebenen Wärmeverteilung innerhalb des Bat- teriegehäuses. Da die eigentliche Wärmeabfuhr über die Kühlmittelkanäle erfolgt, kann ein solcher Lüfter besonders klein und leicht dimensioniert werden.

Vorzugsweise weist die Batterie wenigstens zwei Zellengruppen auf, welche in einer Einbaulage der Batterie vertikal übereinander angeordnet sind. Zwischen den Zellengruppen ist dabei jeweils ein Deckelteil eines jeweiligen Zellenträger angeordnet. Eine solche Batterie ist also modular aufgebaut und entsteht durch Stapeln von jeweils mit einem zugeordneten Zellenträger verbundenen Zellengruppen übereinander. Da jeder Zellenträger Kühlkanäle aufweist, wird eine solche Batterie über ihr gesamtes Volumen hinweg besonders gut gekühlt.

Vorzugsweise erstreckt sich die Kühlmittelleitung schlangenförmig durch das Deckelteil. Hierdurch steht eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Zellenträger selbst und dem die Kühlmitteleitung durchströmenden Kühlmedium zur Verfügung, so dass eine besonders gute Kühlleistung erzielt wird. Es ist dabei besonders zweckmäßig, die Kühlmittelleitung durch Eingießen in einen Kunststoffgrundkörper des Deckelteils zu integrieren.

Vorzugsweise sind die Kühlmittelleitungen aller Deckelteile der Batterie mit einem gemeinsamen Kühlmittelanschluss des Batteriegehäuses verbunden. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage der Batterie, da nach außen hin lediglich eine Kühlmittelzufuhrleitung und eine Kühlmittelabfuhrlei- tung mit der Batterie verbunden werden muss, so dass gegebenenfalls auch Batterien mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zellengruppen mit ansonsten identischen externen Komponenten eines Kühlsystems verbunden werden können. Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftwagen mit einer Batterie der beschriebenen Art.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine perspektivi- sehe Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie.

Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Hochvoltbatterie für einen Kraftwagen ist aus einer Mehrzahl einzelner Lithiumionenzellen 12 aufgebaut, die der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht alle bezeichnet sind. Um die gewünsch- te Klemmenspannung von mehreren hundert Volt zu erreichen, sind die Lithiumionenzellen 12 in Reihe geschaltet.

Die einzelnen Zellen 12 sind zu Zellengruppen 14 zusammengefasst und durch jeweilige gemeinsame Träger 15 gehalten. Die Träger 15 bestehen aus einem Grundgerüst 17 sowie einer Deckelplatte 16. Stege 19, die von einem Boden 21 des Grundgerüsts 17 abragen, begrenzen Aufnahmen für die einzelnen Zellen 12. Die Deckelplatte 16 besitzt einen Kunststoffgrundkörper 18 mit schlangenförmige Kühlmittelleitungen 32, die sich über die gesamte Fläche der Deckelplatte 16 erstrecken. Im Betrieb der Batterie 10 werden diese mit einem Kühlmedium durchströmt, um die in den Einzelzellen 12 anfallende Wärme abzuführen. Zweckmäßigerweise sind die Kühlmittelleitungen 32 in die Deckelplatte 16 eingegossen. Die Anordnung der Kühlmittelleitungen 32 in den Deckelplatten 16, die auf Seiten der Abgriffspole 24 der Einzelzellen 12 auf die Einzelzellen 12 aufgesetzt sind, ist besonders zweckmäßig, da in der unmittelbaren Umgebung der Abgriffspole 24 besonders viel Wärme anfällt. Um auch aus anderen Be- reichen der Einzelzellen Wärme abführen zu können, ist zwischen benachbarten Einzelzellen 12 ein Luftspalt 34 vorgesehen. Auch zwischen einer Stirnfläche 36 der Einzelzellen und der Deckelplatte 16 ist ein Luftspalt 38 vorgesehen. Durch die Luftspalte 34, 38 kann Wärme zusätzliche durch Konvektion von den Einzelzellen 12 abgeführt werden. Die Luftspalte 34, 38 dienen nicht der eigentlichen Wärmeabfuhr aus der Batterie 10, welche über die Kühlmittelleitungen 32 erfolgt, sondern vielmehr der gleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der Batterie 10. Gegebenfalls kann die Wärmeverteilung durch Konvektion noch über einen nicht gezeigten Lüfter unterstützt werden.

Die einzelnen Zellengruppen 14 sind in einem Gehäuse 40 untergebracht und können mit diesem an Karosseriebauteilen des Kraftwagens befestigt werden. Zwischen den einzelnen Zellengruppen 14 sind keine weiteren mechanischen Verbindungen notwendig, sie können einfach innerhalb des Ge- häuses 40 aufeinander gestapelt werden, was eine besonders einfache Herstellung der Batterie 10 ermöglicht. Das Gehäuse 40 ist zweckmäßigerweise flüssigkeits- und luftdicht, so dass beim Auslaufen einer Zelle 12 kein Elektrolytmaterial an die Umgebung abgegeben werden kann. In die Deckelplatten 16 sind elektrische Kontaktelemente 20 eingegossen, die ebenfalls in der Figur nicht alle bezeichnet sind. Die Kontaktelemente 20 weisen Öffnungen 22 auf, in die Anschlusspole 24 der Einzelzellen 12 eingeführt sind. Die Öffnungen der Kontaktelemente 20 besitzen eine Einführschräge, die das Einführen der Anschlusspole 24 erleichtert.

Um eine Zellengruppe 14 zusammenzufügen, brauchen die Einzelzellen 12 der Zellengruppe 14 daher im Grundgerüst 17 des Zellenträgers 15 nur grob vororientiert werden. Beim Aufsetzen der Deckelplatte 16 werden die Einzelzellen 12 durch die Wechselwirkung zwischen ihren Abgriffspolen 24 und der Einführschräge der Kontaktelemente 20 selbsttätig korrekt ausgerichtet. Dadurch ist die Herstellung einer solchen Batterie 10 besonders gut automatisierbar. Die Kontaktelemente 22, die benachbarte Einzelzellen 12 kontaktieren, sind über Brücken 28 elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass sich eine Reihenschaltung der Einzelzellen 12 in den Zellengruppen 14 ergibt. Durch weitere Verbindungselemente 30 sind die einzelnen Zellengruppen 14 wie- derum im Sinne einer Reihenschaltung miteinander verbunden, so dass trotz der geringen Klemmenspannung üblicher Einzelzellen, beispielsweise etwa 1 ,7 V bei Lithiumionenzellen, eine Gesamtspannung der Batterie von mehreren hundert Volt erreicht werden kann. In die Deckelplatte 16 können noch weitere Elemente der Batterie 10 integriert werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Steuervorrichtung mit dem Kunststoffgrundkörper 18 der Deckelplatte 16 zu vergießen, die es ermöglicht, beim Laden oder Entladen der Batterie 10 den Ladezustand der Einzelzellen 12 zu balancieren, was die Lebensdauer solcher Batterien 10 be- trächtlich erhöht. Jede Deckelplatte 16 bildet so zusammen mit den zugeordneten Zellen 12 und dem Grundgerüst 17 des Zellenträgers ein Modul, welches alle zum Betrieb der Zellen 12 notwendigen Funktionen zur Verfügung stellt. Aus den einzelnen Modulen können auf einfachste Art unterschiedlich dimensionierte Batterien 10 konstruiert werden.