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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Akkumulator mit einer Mehrzahl
von Akkumulatorzellen, die voneinander beabstandet in einem Akkumulatorgehäuse angeordnet
sind.
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Derartige
Akkumulatoren bestehen aus einzelnen, zu Packs oder Modulen zusammen
geschalteten Akkumulatorzellen und werden deshalb häufig auch
als Akkupacks oder Akku-Module bezeichnet. In diesen Akkumulatoren
bzw. Akkupacks oder Akku-Modulen sind die einzelnen Akkumulatorzellen
in der Regel in einer symmetrischen Anordnung in einem meist mit
Kunststoff gefüllten
Akkumulatorgehäuse
angeordnet, wobei der Kunststoff die Zellen meist in einer symmetrischen
Füllstruktur
umgibt bzw. umbaut. Die Füllstruktur
legt hierbei die Positionierung der einzelnen Akkumulatorzellen
im Akkumulatorgehäuse
relativ zueinander und relativ zu einer Gehäuseaußenwand des Gehäuses fest.
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Aufgrund
einer Erhitzung im Lade- und Entladebetrieb erzeugen die Akkumulatorzellen
durch die hierbei fließenden
Ströme
Wärme,
die die Funktionsfähigkeit
der Akkumulatoren beeinträchtigen kann.
Diese Wärme
wird über
die Kunststoff-Füllstruktur
aus dem Inneren des Akkumulators über die Gehäuseaußenwand an die Umgebung abgeleitet, um
eine zu starke Erhitzung der Akkumulatorzellen und somit des Akkumulators
zu verhindern.
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Die
Wärmeabfuhr
kann ebenfalls durch eine Verwendung von Luftkanälen erreicht werden, die zwischen
den Akkumulatorzellen ausgebildet sind. Hierbei kann die im Lade-
und Entladebetrieb von den Akkumulatorzellen erzeugte Wär me durch
einen erzwungenen Luftstrom in den Luftkanälen von den Zellen abgeführt werden.
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Nachteilig
am Stand der Technik ist, dass die um den Mittelpunkt des Akkumulatorgehäuses herum
angeordneten Akkumulatorzellen, bzw. Akkumulatorzellen mit einer
größeren Anzahl
benachbarter Zellen, sich meist stärker erhitzen, als die Zellen
am Rand des Gehäuses
bzw. als Zellen mit weniger benachbarten Zellen. Hieraus ergibt
sich eine inhomogene Temperaturverteilung im Akkumulatorgehäuse, wobei
die stärker
erhitzten Akkumulatorzellen stärker bzw.
schneller altern als die weniger erhitzten Zellen. Dies führt mit
zunehmender Anzahl von Lade- und Entladezyklen zu einer frühzeitigen
Alterung der stärker
erhitzten Akkumulatorzellen bis zu einem Zeitpunkt, an dem durch
einen Defekt einer dieser Zellen der Akkumulator vorzeitig unbrauchbar
wird und somit die Lebensdauer des Akkumulators verkürzt wird. Darüber hinaus
heizen sich die einzelnen Akkumulatorzellen im Lade- und Entladebetrieb
auch gegenseitig auf. Dies kann insbesondere bei Akkumulatorzellen
mit einer vergleichsweise großen
Anzahl von unmittelbar benachbarten Akkumulatorzellen zu einer lokalen Überhitzung
des Akkumulators führen, die
die Sicherheit bei dessen Benutzung beeinträchtigen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen neuen Akkumulator mit
verbessertem Thermomanagement bereit zu stellen.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch einen Akkumulator mit einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen, die
voneinander beabstandet in einem Akkumulatorgehäuse angeordnet sind. In dem
Akkumulatorgehäuse
ist ein die Akkumulatorzellen umgebendes, wärmeleitfähiges Fluid vorgesehen, wobei
durch eine Bewegung des Akkumulators eine unkontrollierte Bewegung
des Fluids im Akkumulatorgehäuse
erreichbar ist.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit im Betrieb des Akkumulators eine verbesserte Wärmeableitung von
den Akkumulatorzellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
dient das Fluid dazu, eine im Betrieb des Akkumulators von den Akkumulatorzellen
erzeugte Wärme
an das Akkumulatorgehäuse
abzuführen.
Das Fluid ist bevorzugt elektrisch isolierend.
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Somit
kann auf einfache Art und Weise eine Homogenisierung der Temperaturverteilung
im Akkumulatorgehäuse
erreicht werden.
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Das
Fluid weist bevorzugt eine thermische Kapazität von mehr als 1 kJ/kgK und
eine Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 0,3 W/mK auf.
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Somit
kann im Betrieb des Akkumulators eine verbesserte Ableitung der
von den Akkumulatorzellen erzeugten Wärme an das Akkumulatorgehäuse erreicht
werden.
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Das
Fluid ist bevorzugt ein Silikonöl.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit eine kostengünstige
Realisierung einer Wärmeableitung
von den Akkumulatorzellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist in dem Akkumulatorgehäuse
Luft eingeschlossen, die eine von dem Fluid begrenzte Luftkammer
ausbildet. Die Luftkammer ist bei einer Bewegung des Akkumulators
im Akkumulatorgehäuse
bevorzugt frei beweglich, wobei bei einer Bewegung der Luftkammer
die unkontrollierte Bewegung des Fluids erfolgt. Die Luftkammer
ist vorzugsweise eine Luftblase.
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Somit
kann auf einfache Art und Weise eine freie, turbulente Bewegung
des Fluids im Akkumulatorgehäuse
erreicht werden.
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Das
Akkumulatorgehäuse
weist bevorzugt eine in Richtung der Akkumulatorzellen ausgebildete Oberflächenvergrößerung auf.
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Somit
kann die Wärmeaufnahme
der im Betrieb des Akkumulators von den Akkumulatorzellen erzeugten
Wärme durch
das Akkumulatorgehäuse verbessert
werden.
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Das
Eingangs genannte Problem wird darüber hinaus gelöst durch
eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem Akkumulator, der eine Mehrzahl
von Akkumulatorzellen aufweist, die voneinander beabstandet in einem
Akkumulatorgehäuse
angeordnet sind. In dem Akkumulatorgehäuse ist ein die Akkumulatorzellen
umgebendes, wärmeleitfähiges Fluid vorgesehen.
Durch eine Bewegung des Akkumulators ist eine unkontrollierte Bewegung
des Fluids im Akkumulatorgehäuse
erreichbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Schnittansicht einer Elektrowerkzeugmaschine mit einem Akkumulator
gemäß einer Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine Elektrowerkzeugmaschine 100 mit einem zu deren Stromversorgung
vorgesehenen Akkumulator 110, der eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 aufweist.
Diese sind in einem Akkumulatorgehäuse 111 beispielhaft
symmetrisch angeordnet und zu einem Pack oder Modul zusammen geschaltet.
Die Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 können von
einem beliebigen Akkumulatortyp sein, wie z. B. NiCd, NiMh und Li-Ion.
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Es
wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Verwendung des Akkumulators 110 zur
Stromversorgung der Elektrowerkzeugmaschine 100 lediglich beispielhaft
beschrieben ist, die Verwendung des Akkumulators 110 jedoch
nicht hierauf beschränkt
ist. Vielmehr kann der Akkumulator 110 in vielen unterschiedlichen
Vorrichtungen Anwendung finden, insbesondere in einem mobilen Energiespeicher,
z. B. einem Energiespeicher in Fahrzeugen. Derartige und weitere
Modifikationen und Variationen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung
möglich.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 über ein Trägerelement 140 in
dem Akkumulatorgehäuse 111 befestigt.
Hierbei sind die Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 bevorzugt
derart mechanisch stabil im Akkumulatorgehäuse 111 aufgehängt, dass zwischen
den Zellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 jeweils
ein Spaltausgebildetist. Z. B. ist zwischen den Zellen 117 und 118 ein
Spalt 131 ausgebildet, zwischen den Zellen 114 und 115 ein
Spalt 132 und zwischen den Zellen 116 und 119 ein
Spalt 133. Zwecks besserer Übersichtlichkeit sind die Spalte
zwischen den Zellen 114 und 117, 114 und 118, 115 und 118, 115 und 116 sowie 118 und 119 nicht
gekennzeichnet.
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Das
Akkumulatorgehäuse 111 hat
eine Gehäuseaußenwand 121,
an der vorzugsweise eine den Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 zugewandte
Oberflächenvergrößerung 113 vorgesehen
ist. Diese weist beispielhaft eine Vielzahl rippenartiger Vorsprünge 112 auf.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass andere, äquivalente Oberflächenvergrößerungen
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls realisierbar sind.
Z. B. können
an der Gehäuseaußenwand 121 wulstartige
Ausbuchtungen vorgesehen sein. Diese können darüber hinaus porös sein,
wie unten stehend beschrieben.
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Das
Akkumulatorgehäuse 111 ist
in seinem Inneren mindestens teilweise mit einem elektrisch isolierenden
Fluid 120, z. B. einer Kühlfüssigkeit, gefüllt. Dieses
Fluid 120 umgibt die Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 in
jeder möglichen
Ausrichtung des Akkumulators 110 bevorzugt vollständig, zumindest
jedoch einen Bereich von deren Mantelflächen, in dem im Betrieb des
Akkumulators 110 eine vergleichsweise große Wärme erzeugt
wird. Hierbei füllt
das Fluid 120 die zwischen den Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 ausgebildeten
Spalte 131, 132, 133 etc. aus.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dient das Fluid 120 dazu, eine im Betrieb
des Akkumulators 110 durch Erwärmung der Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 im
Akkumulatorgehäuse 111 entstehende
Temperaturverteilung zumindest teilweise zu homogenisieren. Da eine
im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung mit einer gebräuchlichen
Kunststoff-Füllstruktur
wie oben beschrieben nicht erreicht werden kann, weist das Fluid 120 vorzugsweise
eine größere Wärmeleitfähigkeit
auf als Kunststoff, jedoch mindestens eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,3 W/mK.
Des Weiteren hat das Fluid 120 bevorzugt eine größere thermische
Kapazität
als Kunststoff, jedoch mindestens ei ne thermische Kapazität von mehr
als 1 kJ/kgK. Ein geeignetes Fluid 120 ist z. B. Silikonöl.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist in dem Akkumulatorgehäuse 111 Luft
eingeschlossen. Diese bildet beispielhaft eine von dem Fluid 120 begrenzte Luftkammer 130 aus,
die sich bei einer Bewegung des Akkumulators 100 im Akkumulatorgehäuse 111 bevorzugt
frei bewegen kann. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Luftkammer 130 nicht
notwendigerweise ein räumlich
von den Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 getrennter
Bereich sein muss, sondern vielmehr in einer einfachen Ausgestaltung
eine Luftblase ist.
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Im
Betrieb der Elektrowerkzeugmaschine 100, die beispielsweise
als Akku-Schrauber
oder Akku-Bohrer ausgebildet sein kann, wird diese in der Regel
in vielen unterschiedlichen Positionen verwendet. Z. B. kann die
als Akku-Schrauber ausgebildete Elektrowerkzeugmaschine 100 von
einer Schraube zur nächsten
geschwenkt, gedreht und/oder gekippt werden, sodass die Maschine 100 in
Abhängigkeit von
einer jeweiligen Ausrichtung einer entsprechenden Schraube abwechselnd
vertikal, wie in 1 dargestellt, horizontal oder
schräg
eingesetzt wird. Hierbei wird auch der mit der Elektrowerkzeugmaschine 100 verbundene
Akkumulator 110 jeweils unterschiedlich ausgerichtet, sodass
auch die Luftkammer 130 im Akkumulatorgehäuse 111 im
Betrieb des Akkumulators 110 ihre Position ändern kann.
Der bei einer Positionsänderung
von der Luftkammer 130 freigegebene Raum im Akkumulatorgehäuse 111 wird
jeweils von dem Fluid 120 eingenommen, das hierzu eine
freie und turbulente Ausgleichsbewegung ausführt, bei der der freigegebene
Raum ausgefüllt wird.
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Bei
dieser unkontrollierten Bewegung des Fluids 120 werden
die Akkumulatorzellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 von
dem Fluid 120 bevorzugt vollständig umspült, wobei die von den Zellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 erzeugte
Wärme zumindest
teilweise von dem Fluid 120 aufgenommen und zur Gehäuseaußenwand 121 abtransportiert
wird. Zumindest wird die erzeugte Wärme durch die unkontrollierte
Bewegung des Fluids 120 im Akkumulatorgehäuse 111 verteilt,
sodass eine Homogenisierung der Temperaturverteilung erfolgt.
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Für den Fall,
dass das Fluid 120 wie oben beschrieben lediglich eine
thermische Kapazität
von mehr als 1 kJ/kgK und eine Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 0,3 W/mK aufweist, die geringer sind als die thermische
Kapazität
und Wärmeleitfähigkeit
von verschiedenen Kunststoffen, kann dennoch ein verbessertes Thermomanagement
im Akkumulatorgehäuse 111 mit
dem Fluid 120 im Vergleich zum Kunststoff erreicht werden.
Dies beruht auf einer Unterstützung
der Wärmeleitfähigkeit
des Fluids 120 durch einen konvektiven Wärmetransport
bei der Umspülung der
Zellen 114, 115, 116, 117, 118, 119,
wobei die Dynamik des Wärmetransports
durch eine aktive Bewegung des Fluids 120 vergrößert wird
und die von den Zellen 114, 115, 116, 117, 118, 119 erzeugte
Wärme vergleichsweise
schnell zur Gehäuseaußenwand 121 abgeführt werden
kann.
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Hierbei
wird die Wärmeaufnahme
durch die Gehäuseaußenwand 121 von
der Oberflächenvergrößerung 113 vergrößert. Deren
spezifische Ausgestaltung kann den Wärmeaustausch weiter verbessern.
Z. B. kann durch die rippenartigen Vorsprünge 112 eine weitere
Verwirbelung des Fluids 120 bei dessen Ausgleichsbewegung
an den Vorsprüngen 112 erreicht
werden, sodass das Fluid 120 mehr Wärme an die Vorsprünge 112 abgeben
kann. Bei einer anderen Ausgestaltung der Oberflächenvergrößerung 113, z. B.
in Form von porösen,
wulstartigen Ausbuchtungen, kann das Fluid 120 in die Poren
der Ausbuchtungen eintreten und somit ebenfalls vergleichsweise
mehr Wärme
an die Oberflächenvergrößerung 113 abgeben.