DE102007024869B4

DE102007024869B4 - Energiespeichermodul sowie Elektrogerät mit mindestens einem Energiespeichermodul

Info

Publication number: DE102007024869B4
Application number: DE102007024869.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuthner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: DE102007024869A1; WO2008145452A1

Abstract

Energiespeichermodul mit mindestens einer Zelle (11) zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung (12), wobei die mindestens eine Zelle (11) in der Ummantelung (12) einer Kühlmedienströmung (15) ausgesetzt ist, wobei die Ummantelung (12) an einem Kühlmedieneintritt (13) und/oder einem Kühlmedienaustritt (14) zumindest bereichsweise eine vom Kühlmedium durchströmbare poröse Struktur (16, 17) aufweist, wobei die Kühlmedienströmung (15) mit einem Verdampfungsmittel (20) beaufschlagbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul sowie einem Elektrogerät mit mindestens einem Energiespeichermodul nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, dass moderne Handwerkzeugmaschinen, wie beispielsweise Handbohrmaschinen oder Akku-Schrauber, oftmals durch Akku-Packs bzw. durch Batteriepacks mit Strom versorgt werden, wobei die Akku-Packs aus mehreren Zellen bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind und beispielsweise durch eine Kunststoffummantelung zusammengehalten werden.
Beim Betrieb derartiger Akku-Packs entsteht sowohl während des Ladens als auch während des Entladens eine erhebliche Verlustwärme in den Zellen, was zu einer Erhöhung der Zellentemperatur und damit zu einer vorzeitigen Alterung der Zellen führt.
Darüber hinaus weist ein solcher Akku-Pack nach einem Entladevorgang aufgrund der dabei entstandenen Verlustwärme meist eine so hohe Temperatur auf, dass nicht sofort mit dem Entladen begonnen werden kann. Vielmehr muss ein dafür vorgesehenes Ladegerät erst abwarten, bis die Temperatur des Akku-Packs wieder abgesunken ist, wodurch der Ladevorgang verzögert wird. Um einen höheren Ladestrom und folglich eine kurze Ladezeit des Batteriepacks zu erzielen, sollte eine starke Aufwärmung des Batteriepacks weitgehend vermieden werden.
Zudem können die einzelnen Zellen eines solchen Akku-Packs im Betrieb erhebliche Temperaturunterschiede aufweisen, da die Verlustwärme von den außen liegenden Zellen relativ gut abgeführt wird, wohingegen sich in der Mitte des Akku-Packs meist ein Wärmestau bildet.
Die thermische Speicherung erfolgt bisher in dem Batteriematerial an sich und angrenzenden, meist aus Kunststoff gebildeten Materialien. Um die thermische Speicherung zu vergrößern, bieten sich Materialien mit einer größeren Wärmekapazität an oder Materialien, die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Phasenumwandlung erfahren.
Bisherige Lösungen zur Wärmeabfuhr basieren auf dem Prinzip, die Wärme mittels Wärmeleitung zunächst an die Außenhaut der Ummantelung des Akku-Packs abzuführen und dort direkt mit oder ohne Rippen an die Umgebungsluft abzugeben.
Eine alternative Lösung nach dem Stand der Technik schlägt vor, Wärme während der Ladung des Akku-Packs durch einen mittels eines Ventilators durch den Akku-Pack geblasenen Luftstrom an die Umgebung abzugeben.
Eine Variante zu diesem Lösungsvorschlag wird in der Offenlegungsschrift EP 0 940 864 A2 vorgeschlagen, wobei ein Gehäuse eines Akku-Packs von einer Flüssigkeit durchströmbar ist, um Wärme abzuleiten. Dadurch, dass eine Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnung makroskopisch ausgebildet sind, kann jedoch Schmutz in das Innere des Batteriepacks eindringen und dessen elektrische Funktion beeinträchtigen. Von Nachteil ist außerdem, dass ein zusätzlicher Ventilator erforderlich ist, der für eine Zirkulation der Luft im Akku-Pack sorgt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 38 654 A1 ist beispielsweise ein Batteriepack mit Mitteln zur Wärmeableitung offenbart, wobei die die Batteriezellen umgebende Wandung des Gehäuses so geformt ist, dass sie mindestens eine gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abgeschlossene Durchführung für ein wärmeableitendes Medium bildet.
Stand der Technik bildet auch die Druckschrift US 2002 / 0 197 527 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul, insbesondere einem Akku-Pack zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine, mit mindestens einer Zelle zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung, wobei die mindestens eine Zelle in der Ummantelung einer Kühlmedienströmung ausgesetzt ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung an einem Kühlmedieneintritt und/oder einem Kühlmedienaustritt zumindest bereichsweise eine vom Kühlmedium durchströmbare poröse Struktur aufweist. Vorteilhafterweise weist die vorgeschlagene Lösung eine hohe wärmeableitende Wirkung auf, ohne die Funktion des Batteriepacks zu beeinträchtigen.
In einer bevorzugten Variante ist die poröse Struktur im Bereich einer unteren Stirnseite der wenigstens einen Zelle vorgesehen. Der Kühlmedieneintritt kann dabei eine Ansaugseite für das Kühlmedium bilden. Ist das Medium an der unteren Stirnseite kühl, wird dieses durch die poröse, als Wand ausgebildete Struktur entlang der Zellen nach oben in Richtung zur oberen Stirnseite der Zellen gezogen und nimmt dabei Wärme von den Zellen auf. Es entsteht günstiger Weise eine freie Strömung, wobei warme Luft nach oben abgegeben und kalte Luft aufgrund eines Druckunterschieds durch die poröse Struktur der Ummantelung nachgezogen wird.
Die poröse Struktur kann beispielsweise aus Kunststoff oder Metall hergestellt sein.
Erfindungsgemäß ist die Kühlmedienströmung mit einem Verdampfungsmittel beaufschlagbar, wobei ein Verdampfungsmittel-Reservoir mit der Ummantelung koppelbar ist. Das Reservoir ist dabei bevorzugt im Bereich der Ansaugseite für das Kühlmedium angeordnet, wobei das Reservoir mit einer einfachen Clippverbindung befestigt sein kann. Als Verdampfungsmittel kann insbesondere Wasser vorgesehen sein. Wird das Reservoir in Fluidverbindung mit der porösen Struktur gebracht, kann eine besonders effiziente Zusatzkühlung durch die Verdampfung von Wasser bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann die spezifische Wärmekapazität des Luft-Wassergemischs zusätzlich gesteigert werden. Hierdurch kann die Lebensdauer eines Akku-Packs deutlich gesteigert werden. Aufgrund der porösen Fläche kann das Wasser aus dem Reservoir zweckmäßigerweise großflächig verteilt werden, wodurch die Kühlung noch zusätzlich verbessert werden kann. In einer bevorzugten Variante kann das Wasser aus dem Reservoir über Kapillarkräfte nachgezogen werden. Hierfür kann günstiger Weise eine Verteilereinrichtung für das Verdampfungsmittel in der Kühlmedienströmung angeordnet sein. Als Verteilermittel kann beispielsweise eine Matte mit kleinen Öffnungen vorgesehen sein, wobei Wasser durch Kapillareffekt automatisch nachgezogen wird. Zweckmäßigerweise ist die Verteilereinrichtung am Kühlmedieneintritt angeordnet.
In einer günstigen Variante kann vorgesehen sein, dass die poröse Struktur auch in der oberen Stirnseite der Zelle angeordnet ist, so dass die erwärmte Luft und der Wasserdampf wieder aus dem Akku-Pack austreten können. Dadurch, dass die Wände hochporös sind, entsteht eine sehr große Fläche, durch welche Luft angesaugt und wieder abgegeben werden kann. Eine Strömungsgeschwindigkeit der Kühlmedienströmung ist aufgrund der porös ausgebildeten Strukturen am Kühlmedieneintritt und -austritt sehr gering, so dass vorteilhafterweise Staub- und Schmutzpartikel der Umgebungsluft nicht oder nicht sehr stark angezogen werden. Vorteilhafterweise kann erzielt werden, dass keine Schmutzpartikel in das Innere des Akku-Packs eindringen können. Der Einsatz eines Ventilators erübrigt sich daher vorteilhafterweise. Ebenso erübrigt sich ein Filter, so dass mit einer relativ einfachen Bauweise eine wirkungsvolle Kühlung erzielt werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Elektrogerät weist ein solches Energiespeichermodul auf. Die Kühlmedienströmung wird durch einen Temperaturunterschied zwischen Kühlmedieneintritt und Kühlmedienaustritt angetrieben, wodurch sich vorteilhafterweise eine Zwangsbelüftung einstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt die einzige Figur schematisch einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls.
Ausführungsform der Erfindung
In der Figur ist ein Energiespeichermodul 10 in Form eines Akku-Packs zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine dargestellt, das drei Zellen 11 zur Energiespeicherung umfasst. Eine Verbindung zwischen dem Akku-Pack 10 und der nicht gezeigten Handwerkzeugmaschine erfolgt über einen Stecker 23. Die Zellen 11 des Energiespeichermoduls 10 sind von einer Modul-Ummantelung 12 umgeben und mit dieser an einer Hauptwärmeableitfläche thermisch verbunden. Die Zellen 11 sind in der Ummantelung 12 einer Kühlmedienströmung 15 ausgesetzt, wobei eine Hauptströmungsrichtung mit einem Pfeil gekennzeichnet ist und von einem Kühlmedieneintritt 13 im Bereich einer unteren Stirnseite 19 der Zellen 11 zu einem an einem Kühlmedienaustritt 14 im Bereich einer oberen Stirnseite 18 der Zellen 11 gerichtet ist. Der Kühlmedieneintritt 13 und/oder der Kühlmedienaustritt 14 weisen zumindest bereichsweise eine vom Kühlmedium durchströmbare poröse Struktur 16, 17 auf. Insbesondere ist die poröse Struktur 16 im Bereich der unteren Stirnseite 19 der Zellen 11 und die poröse Struktur 17 im Bereich der oberen Stirnseite 18 der Zellen 11 angeordnet. Der Kühlmedieneintritt 13 bildet eine Ansaugseite für das Kühlmedium, wobei als Kühlmedium bevorzugt Luft vorgesehen ist.
Eine Strömungsbewegung der Kühlmedienströmung erfolgt über Dichteunterschiede, welche wiederum durch Temperaturunterschiede der Luft zwischen den Batteriezellen 11 bedingt ist. Dadurch, dass die Batteriezellen 11 Wärme abgeben, erwärmt sich die Kühlmedienströmung 15 beim Hochsteigen entlang der Batteriezellen 11 entlang der Hauptströmungsrichtung, wobei warme Luft am Kühlmedienaustritt 14 abgegeben wird. Aufgrund des Druckunterschieds innerhalb des Akku-Packs 10 wird kalte Luft am Kühlmedieneintritt 13 nachgezogen, wobei diese durch die poröse Struktur 16 strömt.
Die Kühlmedienströmung 15 ist mit einem in einem Reservoir 21 vorgesehenen Verdampfungsmittel 20 beaufschlagbar, wobei das Verdampfungsmittel-Reservoir 21 mit der Ummantelung 12 koppelbar ist, beispielsweise über eine nicht dargestellte Clippverbindung. Das Reservoir 21 kann bei Bedarf wieder mit Verdampfungsmittel aufgefüllt werden. Als Verdampfungsmittel ist bevorzugt Wasser vorgesehen. Das Reservoir 21 kann in Fluidverbindung mit der porösen Struktur 16 und/oder 17 gebracht werden. Hierfür ist eine Verteilereinrichtung 22 für das Verdampfungsmittel in der Kühlmedienströmung 15 angeordnet. Die Verteilereinrichtung 22 ist bevorzugt am Kühlmedieneintritt 13 angeordnet und als Matte mit kapillaren Eigenschaften ausgebildet, wodurch das Wasser durch Kapillareffekt automatisch nachgefördert werden kann. Die Luft, die aufgrund des Druckunterschieds innerhalb des Akku-Packs 10 von unten über den Kühlmedieneintritt 13 nachgezogen wird, verdampft das über Kapillarkräfte eingebrachte Wasser und kühlt dabei ab. Außerdem steigt die spezifische Wärmekapazität des Luft-Wasser-Gemischs. Dadurch wird die wärmeableitende Wirkung erhöht, so dass mehr Wärme an den Batteriezellen 11 abgeführt werden kann. Die beschriebene Wirkungsweise ist mit dem in der Natur vorkommenden Prinzip der Klimatisierung eines speziellen Termitenbaus vergleichbar, was im Zuge der Grundlagenforschung der Bionik herausgefunden wurde.
Die Lebensdauer des Akku-Packs 10 wird durch dir vorgeschlagene Lösung günstiger Weise verlängert. Gleichzeitig kann der Akku-Pack 10 stärker belastet werden, als dies über eine reine Luftkühlung möglich wäre.

Claims

Energiespeichermodul mit mindestens einer Zelle (11) zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung (12), wobei die mindestens eine Zelle (11) in der Ummantelung (12) einer Kühlmedienströmung (15) ausgesetzt ist, wobei die Ummantelung (12) an einem Kühlmedieneintritt (13) und/oder einem Kühlmedienaustritt (14) zumindest bereichsweise eine vom Kühlmedium durchströmbare poröse Struktur (16, 17) aufweist, wobei die Kühlmedienströmung (15) mit einem Verdampfungsmittel (20) beaufschlagbar ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur (16, 17) im Bereich einer oberen und/oder unteren Stirnseite (18, 19) der wenigstens einen Zelle (11) vorgesehen ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmedieneintritt (13) eine Ansaugseite für das Kühlmedium bildet.
Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsmittel-Reservoir (21) mit der Ummantelung (12) koppelbar ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (21) in Fluidverbindung mit der porösen Struktur (16, 17) bringbar ist.
Energiespeichermodul nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilereinrichtung (22) für das Verdampfungsmittel in der Kühlmedienströmung (15) angeordnet ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinrichtung (22) am Kühlmedieneintritt (13) angeordnet ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdampfungsmittel Wasser vorgesehen ist.
Energiespeichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul ein Akku-Pack zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine ist
Elektrogerät mit mindestens einem Energiespeichermodul nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrogerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmedienströmung (15) durch einen Temperaturunterschied zwischen Kühlmedieneintritt (13) und Kühlmedienaustritt (14) antreibbar ist.