Daimler AG

Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte zum

Temperieren der Batterie

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie.

Aus der DE 197 24 020 Al ist eine Batterie bekannt, welche mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, welche auf einer Wärmeleitplatte aufgesetzt und mit dieser Wärme leitend verbunden sind. In der Wärmeleitplatte ist ein Kondensationsabschnitt eines Wärmerohres angeordnet. Das Wärmerohr ist aus der Wärmeleitplatte, insbesondere aus einem Batteriegehäuse heraus geführt. Dadurch befindet sich der

Kondensationsabschnitt außerhalb der Wärmeleitplatte. Die entstehende Wärme bei Laden und Entladen der Einzelzellen wird mittels der Wärmeleitplatte und deren angeschlossenen Kreislauf abgeführt.

Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien können eine überladung und/oder ein Kurzschluss zu einer Explosion der Einzelzelle führen. Deshalb weist üblicherweise jede Einzelzelle am Zellboden eine gezielt ausgebildete Schwächung

der Wandstärke (einen so genannten Berstscheibenbereich) als eine Sollbruchstelle auf, um bei einer Druckerhöhung in der Einzelzelle, beispielsweise durch überladung und/oder Kurzschluss, einen definierten Druckabbau vorzunehmen. Für eine Sicherstellung des Druckabbaus sind in der Wärmeleitplatte im Aufsetzbereich einer jeden Einzelzelle Bohrungen (so genannte Berstbohrung) ausgebildet. Diese Bohrungen weisen einen geringeren Durchmesser gegenüber einem Einzelzellenboden auf. Nachteilig dabei ist, dass durch die Bohrungen der wirksame Wärmeleitungsquerschnitt der Wärmeleitplatte verringert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte anzugeben, welche einfach und kostengünstig aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäße Batterie umfasst eine, insbesondere bodenseitig angeordnete Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie sowie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen, die Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind. Die Wärmeleitplatte weist innerhalb dieser eine Kanalstruktur auf, welche mit einem Wärmeleitmedium durchströmt ist, um die Batterie effizient zu kühlen. Die Einzelzellen weisen in Längsrichtung eine Wärme leitfähige Ummantelung, vorzugsweise aus Aluminium bestehend, auf und sind mit den Längsachsen parallel zueinander auf die Wärmeleitplatte, welche jeweils in einem Aufsetzbereich Bohrungen aufweist, aufgesetzt. Um einen wirksamen Wärmeleitungsquerschnitt der Wärmeleitpatte mit Bohrungen zum Temperieren der Batterie sicherzustellen, ist zwischen Wärmeleitplatte und Einzelzellen eine Abdeckung angeordnet. Dabei deckt diese die Wärmeleitplatte in Richtung der Einzelzellen vollständig ab. Mittels dieser vollständigen

Abdeckung ist eine Einstellung eines Wärmeleitspaltes zwischen Einzelzellenboden und Wärmeleitplatte realisiert. Für eine effiziente Abführung der Wärme ist die Abdeckung vorzugsweise aus einem Wärme leitenden Material gebildet.

Für die Sicherstellung des definierten Druckabbaus durch den so genannten Berstscheibenbereich weist das Material der Abdeckung zumindest im Berstscheibenbereich einen bevorzugt geringen mechanischen Widerstand auf. Durch diese Eigenschaft reißt die Abdeckung bei Explosion einer Einzelzelle, beispielsweise durch überladung und/oder Kurzschluss, vorzugsweise in dem dafür vorgesehenen Bereich auf. Dabei wird der mechanische Widerstand der Abdeckung bei der Auslegung des so genannten Berstscheibenbereichs berücksichtigt .

Des Weiteren erweist sich als vorteilhaft, dass die Abdeckung elektrisch isoliert ist. Dadurch werden Kriechströme zwischen Einzelzelle, deren Pluspol auf der Außenwand angeordnet ist, und Wärmeleitplatte, welche auf der Masse angeordnet ist, verhindert. Darüber hinaus kann bei öffnen einer Einzelzelle, bei welchem Elektrolyten und/oder andere Substanzen auslaufen können, ein Kurzschluss weiterer verschalteter Einzelzellen über deren Einzelzellenböden verursacht werden. Durch die elektrische Isolierung mittels der Abdeckung ist ein solcher Kurzschluss vermieden.

Zusätzlich sind für eine Einstellung eines vorgebbaren Mindestabstandes für eine ausreichende elektrische Isolation vorzugsweise zwischen Einzelzelle und Abdeckung Einlegestücke angeordnet. Diese Einlegestücke sind bevorzugt am Einzellenboden befestigt, beispielsweise geklebt. Des Weiteren sind die Einlegestücke aus Kunststoff gebildet.

Vorzugsweise ist die Batterie mit deren verschalteten Einzelzellen von einem Gehäuse umfasst. Das Gehäuse umfasst Seitenwände sowie einen Boden, welcher die Wärmeleitplatte bildet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie weist das Gehäuse nach außen eine Oberflächenstruktur, insbesondere eine rillenförmige Oberflächenstruktur, auf, wodurch die entstehende Wärme bei Laden und Entladen der Batterie abführbar ist. Darüber hinaus ist die Batterie durch das Gehäuse vor Witterungseinflüssen und mechanischen Einwirkungen von außen geschützt.

Für eine effiziente Wärmeableitung der Einzelzellen, welche beispielsweise eine zulässige maximale Temperatur von insbesondere 50°Celsius aufweisen können, sind in den Zwischenräumen der Einzelzellen Wärmeleitstäbe, bevorzugt aus Aluminium, angeordnet. Durch die Anordnung der Wärmeleitstäbe wird die entstehende Wärme der Einzelzellen direkt über die Abdeckung zur Wärmeleitplatte geführt. Vorzugsweise ist auf eine Lackierung der Wärmeleitstäbe durch Einsatz der Abdeckung zwischen Wärmeleitplatte und Einzelzellen verzichtbar .

Um eine elektrische Isolation der in dem Batteriegehäuse angeordneten Bauteile sicherzustellen, sind in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Gehäuse, die Zwischenräume zwischen Wärmeleitplatte und Einzelzellen sowie die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen mit einer, insbesondere elektrisch isolierenden und bevorzugt Wärme leitfähigen Vergussmasse und/oder einem elektrisch isolierenden und bevorzugt Wärme leitfähigen Schaum versehen. Dabei füllen die Vergussmasse und/oder der Schaum das Batteriegehäuse vollständig aus. Hierbei erweist sich die

angeordnete Abdeckung der Wärmeleitplatte als besonders vorteilhaft, da diese bei Ausfüllen des Batteriegehäuses ein Auslaufen der Vergussmasse und/oder des Schaums und ein Eindringen dieser in die Bohrungen des Berstscheibenbereichs verhindert. Nach Aushärten der Masse verbleibt die Abdeckung im Gehäuse. Mit Hilfe der Abdeckung ist ein Einsatz von weiteren Hilfsmitteln zum Vermeiden des Auslaufens beim Vergussprozess verzichtbar. Hierdurch werden die oben genannten Zwischenräume innerhalb des Batteriegehäuses effizient zur Wärmeleitung genutzt, wobei gleichzeitig die Stabilität des gesamten Batteriegehäuses erhöht ist.

Die erfindungsgemäße Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, ist bevorzugt in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, einsetzbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer

Batterie mit Gehäuse und Wärmeleitplatte nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 schematisch eine Batterie in Draufsicht nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 schematisch in einer Schnittdarstellung eine Batterie nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 schematisch eine Schnittdarstellung eine Batterie nach dem Stand der Technik,

Fig. 5 schematisch eine Schnittdarstellung des Bodenbereichs einer Einzelzelle der erfindungsgemäßen Batterie mit Abdeckung einer Wärmeleitplatte,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Bodenbereichs einer Einzelzelle der erfindungsgemäßen Batterie mit einer möglichen Ausführungsform einer Abdeckung,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Bodenbereichs einer Einzelzelle der erfindungsgemäßen Batterie mit einer weiteren möglichen Ausführungsform einer Abdeckung, und

Fig. 8 eine Schnittdarstellung des Bodenbereichs einer Einzelzelle der erfindungsgemäßen Batterie mit einer möglichen Ausführungsform der Abdeckung mit Einlegestücken.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batterie 1 nach dem Stand der Technik. Die Batterie 1 weist mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen 2, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen auf, welche in einem Gehäuse 3, beispielsweise aus einem Hüllblech gebildet, angeordnet sind.

Das Gehäuse 3 weist eine äußere, insbesondere rillenförmige Oberflächenstruktur auf. An den Einzelzellen 2 sind in Längsrichtung nach oben Pole 5 ausgebildet. Die verschalteten Einzelzellen 2 sind mit einer Ummantelung 6, beispielsweise aus Aluminium, zur gezielten Wärmeableitung versehen. Die Ummantelung 6 ist beispielsweise als ein Kreiszylinder ausgebildet.

Darüber hinaus ist die Einzelzelle 2 mit Ummantelung 6 auf eine Wärmeleitplatte 7, welche gleichzeitig den Boden des Gehäuses 3 bildet, aufgesetzt. Die Wärmeleitplatte 7 weist eine Kanalstruktur, welche mittels eines Wärmeleitmediums durchströmt ist, mit Anschlüssen 8 zum Zu- und Abführen des Wärmeleitmediums auf.

In den Zwischenräumen 9 der miteinander verschalteten Einzelzellen 2 sind darüber hinaus Wärmeleitstäbe 10 angeordnet, die ebenfalls zur Wärmeableitung von Wärme eingesetzt und mit der Wärmeleitplatte 7 verbunden sind. Die Wärme leitende Anbindung der Einzelzellen 2 an die Wärmeleitstäbe 10 wird mittels einer Vergussmasse 11 und/oder eines Schaums realisiert. Dabei füllen die Vergussmasse 11 und/oder der Schaum die Zwischenräume 9 sowie das Gehäuse 3 vollständig aus. Die Vergussmasse 11 und/oder der Schaum weisen bevorzugt eine elektrisch isolierende sowie Wärme leitende Eigenschaft auf. Als Vergussmasse 11 sind beispielsweise Polyurethan-Schäume, Epoxidharze und/oder Silikone in die Zwischenräume 9 eingefüllt.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht der in Figur 1 gezeigten Batterie 1 nach dem Stand der Technik. Dabei sind die Einzelzellen 2 in dem Gehäuse 3 derart versetzt angeordnet, dass die rechteckige Grundfläche des Gehäuses 3 optimal

genutzt ist. Die Grundfläche bildet dabei die in Figur 3 dargestellte Wärmeleitplatte 7 mit Kanalstruktur und Anschlüssen 8 für ein Wärmeleitmedium. Die in Figur 2 dargestellte Batterie 1 umfasst beispielsweise fünf Reihen von Einzelzellen 2, die mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind. Dabei weisen die erste, dritte und fünfte Reihe jeweils fünf Einzelzellen 2 auf. Die zweite und vierte Reihe weisen jeweils vier Einzelzellen 2 auf. Die Zwischenräume 9 der Einzelzellen 2 sind gleichermaßen ausgebildet sowie deren Abstände zu den Wärmeleitstäben 10. Die Wärmeleitstäbe 10 sind so angeordnet, dass einer Einzelzelle 2 mehrere Wärmeleitstäbe 10 hexagonal zugeordnet sind. Die äußeren, zum Gehäuse 3 hin angeordneten Einzelzellen 2 sind von weniger Wärmeleitstäben 10 umfasst, da diese Einzelzellen 2 vom Gehäuse 3 selbst durch die ausgebildeten Oberflächenstruktur gekühlt werden. Jeder Einzelzelle 2 sind hinsichtlich der Anordnung mindestens drei Wärmeleitstäbe 10 zugeordnet. Die Zwischenräume 9 sowie das Gehäuse 3 sind mit der Wärme leitfähigen sowie elektrisch isolierenden Vergussmasse 11 und/oder Schaum vollständig ausgefüllt .

Figur 3 zeigt eine Batterie 1 in einer Schnittdarstellung nach dem Stand der Technik. In dieser Figur ist eine Reihe von fünf parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen 2 dargestellt. Die Einzelzellen 2 weisen im Bezug auf deren Längsachsen nach oben gerichtet Pole 5 auf. Jede Einzelzelle 2 weist an deren Boden eine gezielt ausgebildete Schwächung der Wandstärke, den so genannten Berstscheibenbereich 12, als eine definierte Bruchstelle auf. Die definierte Bruchstelle dient einem definierten Druckabbau bei einer Druckerhöhung in der Einzelzelle 2, beispielsweise durch überladung und/oder Kurzschluss. Die Einzelzellen 2

sind zur effizienten Wärmeleitung auf die Wärmeleitplatte 7 aufgesetzt. Die Wärmeleitplatte 7 weist im jeweiligen Aufsetzbereich der Einzelzellen 2 so genannte Berstbohrungen 13 auf. Der Durchmesser der Berstbohrungen 13 ist gegenüber dem Durchmesser der Einzelzellen 2 geringer ausgebildet. Durch die Berstbohrungen 13 ist der wirksame Wärmeleitungsquerschnitt der Wärmeleitplatte 7 verringert.

Bei einem Vergussprozess, d. h. bei Einfüllen der Vergussmasse 11 und/oder des Schaums nach dem Stand der Technik sind die Berstbohrungen 13 mit nicht näher dargestellten Gummistopfen ausgefüllt, um ein Auslaufen der eingefüllten Vergussmasse 11 und/oder des Schaums zu vermeiden. Nach dem Aushärten der Masse 11 wird der Gummistopfen entfernt.

In Figur 4 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik zur Vermeidung des Auslaufens der Vergussmasse 11 und/oder des Schaums dargestellt. In dieser Ausführungsform ist zwischen Zellboden der Einzelzelle 2 und Wärmeleitplatte 7 (dem so genannten Vergussspalt) ein Einlegestück 14 zum Verhindern des Auslaufens der Vergussmasse 11 und/oder des Schaums angeordnet. Diese Maßnahme erweist sich als sehr aufwändig und wenig prozesssicher.

Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Bodenbereichs einer Einzelzelle 2 einer erfindungsgemäßen Batterie 1. Die dargestellte Einzelzelle 2 weist an deren Zellenboden den Berstscheibenbereich 12 auf. Des Weiteren ist die Einzelzelle 2 auf die Wärmeleitplatte 7 aufgesetzt, welche in dem Aufsetzbereich der Einzelzelle 2 die Berstbohrung 13

aufweist. Dadurch ist ein definierter Druckabbau bei Explosion der Einzelzelle 2 realisierbar.

Die erfindungsgemäße Batterie 1 weist eine Abdeckung 15 der Wärmeleitplatte 7 auf, wobei die Abdeckung 15 zwischen Einzelzelle 2 und Wärmeleitplatte 7 angeordnet ist. Die Abdeckung 15 deckt die in Richtung der Einzelzellen 2 gerichtete Fläche der Wärmeleitplatte 7 vollständig ab und ist vorzugsweise als Folie ausgebildet, welche eine Wärme leitende Eigenschaft aufweist. Durch die Anordnung der Abdeckung 15 ist der wirksame Wärmeleitungsquerschnitt vorteilhaft vergrößert, da durch vollständige Abdeckung der Berstbohrungen 13 auch in diesem Bereich über die Abdeckung 15 die Wärme abgeleitet werden kann. Die Abdeckung 15 ist auf der Wärmeleitplatte 7 stoffschlüssig befestigt, insbesondere geklebt. Vorzugsweise weist die Abdeckung 15 an der Unterseite eine selbstklebende Schicht auf. Das Aufkleben der Abdeckung 15 erfolgt vor dem Einsetzen der Einzelzellen 2, der Wärmeleitstäbe 10 sowie vor dem Vergussprozess .

Eine Alternative zu der als selbstklebende Folie ausgebildeten Abdeckung 15 ist eine becherartige Ausführung. Dabei ist die Abdeckung 15 in den Aufsetzbereich der Einzelzelle 2 zwischen den hexagonal angeordneten Wärmeleitstäben 10 angeordnet. Dadurch ist kein Kleben erforderlich.

Für eine Sicherstellung des Aufreißens der Abdeckung 15 beim Bersten weist diese zumindest im Berstscheibenbereich 12 einen geringen mechanischen Widerstand auf. Der mechanische Widerstand der Abdeckung 15 ist bei Auslegung des

Berstscheibenbereiches 12 im Zellboden berücksichtigt und stellt einen definierten Druckabbau sicher.

Um Kriechströme zwischen den Einzelzellen 2 und der abgedeckten Wärmeleitplatte 7 zu vermeiden, weist die Abdeckung 15 zusätzlich eine elektrisch isolierende Eigenschaft auf. Dadurch ist ein Lackieren der Wärmeleitstäbe 10, die auf die Abdeckung 15 aufgesetzt sind, nicht notwendig.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die Abdeckung 15 beim Vergussprozess . Hierbei wird Vergussmasse 11 und/oder Schaum in die Zwischenräume 9 der Einzelzellen 2 sowie in die Zwischenräume 9 der Einzellzellen 2 und des Gehäuses 3 eingefüllt. Mittels der Abdeckung 15 wird ein Auslaufen der Masse 11 verhindert.

Die Vergussmasse 11 und/oder der Schaum weisen bevorzugt eine elektrisch isolierende sowie Wärme leitende Eigenschaft auf. Als Vergussmasse 11 sind beispielsweise Polyurethan-Schäume, Epoxidharze und/oder Silikone in die Zwischenräume 9 eingefüllt .

Zusätzlich sind für eine effiziente Wärmeleitung in den Zwischenräumen 9 der Einzelzellen 2 Wärmeleitstäbe 10 einsetzbar. Dabei ist die Wärme leitende Anbindung der Einzelzellen 2 an die Wärmeleitstäbe 10 mittels der Vergussmasse 11 und/oder des Schaums realisiert.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie 1 mit Wärmeleitplatte 7 ist in Figur 6 dargestellt.

Gegenüber der in Figur 5 dargestellten Abdeckung 15 weist diese nach dem Ausfϋhrungsbeispiel zu Figur 6 zur Unterstützung des definierten Aufreißens der Abdeckung 15 im Bereich der Berstbohrung 13 Sollbruchstellen 16 in Form von Kerben auf.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 1 mit Abdeckung der Wärmeleitplatte 7.

Für einen definierten Druckabbau bei Explosion der Einzelzelle 2 weist die Abdeckung 15 zusätzlich einen geringen mechanischen Widerstand auf. Hierzu weist die Abdeckung 15 im Ausführungsbeispiel nach Figur 7 zumindest im Bereich der Berstbohrung 13 eine geringere Dicke auf als im Bereich außerhalb der Berstbohrung 13. Die Dicke der Abdeckung 15 wird bei der Auslegung des Berstscheibenbereichs 12 berücksichtigt.

In Figur 8 ist ein Bodenbereich einer Einzellzelle 2 der erfindungsgemäßen Batterie 1, welche die Abdeckung 15 der Wärmeleitplatte 7 mit Berstbohrungen 13 aufweist, dargestellt. Dabei sind zusätzlich für eine Einstellung eines vorgebbaren Mindestabstandes zwischen Einzelzelle 2 und abgedeckter Wärmeleitplatte 7 zur Erhöhung der elektrischen Isolation vorzugsweise Einlegestücke 14 angeordnet. Diese Einlegestücke 14 sind bevorzugt am Zellboden befestigt, beispielsweise geklebt. Des Weiteren sind die Einlegestücke 14 aus Kunststoff gebildet.

Daimler AG

Bezugszeichenliste

1 Batterie

2 Einzelzellen

3 Gehäuse

4 Kühlrippen

5 Pole

6 Ummantelung

7 Wärmeleitplatte

8 Anschluss für Wärmeleitmedium

9 Zwischenräume

10 Wärmeleitstäbe

11 Vergussmasse

12 Berstscheibenbereich

13 Berstbohrung

14 Einlegestück

15 Abdeckung

16 Sollbruchstelle