DE102008056859A1

DE102008056859A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008056859A1
Application number: DE200810056859
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Meijering; Micha Dirmeier; Philipp Petz; Nicolas Flahaut; Frank Eckstein; Björn LATH; Hubertus Goesmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: US20100119921A1; US9269500B2; DE102008056859B4; CN101740841B; CN101740841A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkw oder eines Motorrads, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren. Die Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren weisen eine Mantelfläche sowie in axialer Richtung eine durch die Mantelfläche verbundene Grund- und Deckfläche mit jeweiligen Elektroden auf. Benachbart zu der Mantelfläche zumindest einer der Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren ist eine Wärme leitende Kühleinrichtung (10, 20, 30; 60, 70, 80, 90) angeordnet, die, von der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder dem Doppelschichtkondensator elektrisch isoliert, in thermischen Kontakt mit einem ersten Umfangsabschnitt der Mantelflächen steht und die von den Mantelflächen der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder des Doppelschichtkondensators zugeführte Wärmeenergie abführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkw oder eines Motorrads, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren, wobei die Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren eine Mantelfläche sowie in axialer Richtung eine durch die Mantelfläche verbundene Grund- und Deckfläche mit jeweiligen Elektroden aufweisen.
Elektrochemische Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren können im Betrieb erhebliche Temperaturen erreichen, so dass eine Kühlung notwendig ist. Die Kühlung der elektrochemischen Speicherzellen erfolgt von außen. Kann eine ausreichende Kühlung nicht mit hinreichender Sicherheit gewährleistet werden, so können rasch Defekte auftreten, die mit den Anforderungen an die Lebensdauer bei einer Verwendung in Automobilen wirtschaftlich nicht vereinbar sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für den temporären elektromotorischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, bereitzustellen, bei der durch eine Kühleinrichtung eine ausreichende Kühlung mit hoher Sicherheit gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkw oder eines Motorrads, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren, wobei die Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren eine Mantelfläche in radialer Richtung sowie in axialer Richtung eine durch die Mantelfläche verbundene Grund- und Deckfläche mit jeweiligen Elektroden aufweisen. Erfindungsgemäß ist benachbart zu der Mantelfläche zumindest einer der Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren eine Wärme leitende Kühleinrichtung angeordnet, die, von der zumindest einen Speicherzelle und/oder dem zumindest einen Doppelschichtkondensator elektrisch isoliert, in thermischem Kontakt mit einem ersten Umfangsabschnitt der Mantelflächen steht und die von den Mantelflächen der zu mindest einen Speicherzelle und/oder Doppelschichtkondensators zugeführte Wärmeenergie abführt.
In vorteilhafter Weise kann so die Wärme unmittelbar am Entstehungsort bei einem automobilen Einsatz in radialer Richtung der Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators abgeführt werden. Der konstruktive Aufwand ist verhältnismäßig gering. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine hohe Lebensdauer aus. Die erfindungsgemäße radiale Anordnung der Kühlvorrichtung ermöglicht insbesondere durch die große anbindbare Fläche eine gute thermische Anbindung der Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators an die Kühlvorrichtung. Darüber hinaus wird ein einfacher, modularer Aufbau ermöglicht, bei dem viele Gleichteile eingesetzt werden können.
Bei den elektrochemischen Speicherzellen handelt es sich bevorzugt um Litium-basierte Batteriezellen oder Nickel-Metall-Hybrid-Akkumulatoren, die sich durch eine hohe Speicherkapazität bei geringem Volumen auszeichnen. Die Speicherzellen oder Doppelschichtkondensatoren weisen jeweils einen kreisförmigen, prismatischen bzw. rechteckigen oder quadratischen, ovalen oder flachovalen Querschnitt auf. Entsprechend den Anforderungen können so Module aus mehreren Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren gebildet werden, die eine hohe Packungsdichte aufweisen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei der Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren ein Träger aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere PP, derart angeordnet ist, dass dieser an jeweils einen zweiten Umfangsabschnitt der Mantelfläche der zwei Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren grenzt. Der Träger kann optional aus einem Wärme leitenden Material, z. B. einem gefüllten Kunststoff, gebildet sein. Zweckmäßigerweise ist eine jeweilige Speicherzelle und/oder ein jeweiliger Doppelschichtkondensator entlang seines gesamten Umfangs entweder in Kontakt mit der Kühleinrichtung oder dem Träger. Hierdurch ergibt sich neben einer guten Kühlung der Vorteil einer mechanisch belastbaren Lagerung der Speicherzellen und/oder der Doppelschichtkondensatoren. Ist die Elastizität des Trägers einstellbar, so ist ferner ein Toleranzausgleich durch diesen gegeben.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kühleinrichtung eine Wärme leitende Halbschale auf, die eine zu der Mantelfläche der zumindest einen Speicherzelle und/oder dem Doppelschichtkondensator negative Oberflächengestalt aufweist und mit der Mantelfläche der zumindest einen Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators in thermischem Kontakt steht. Durch die negative Oberflächengestalt der Wärme leitenden Halbschale zu der Speicherzelle und/oder dem Doppelschichtkondensator ist eine hervorragende Kühlung möglich. Gleichzeitig werden die Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren durch die Gestalt der Halbschalen zusätzlich fixiert.
Insbesondere erstreckt sich die Wärme leitende Halbschale (in axialer Richtung) über eine Länge der Mantelfläche, die mindestens der Länge eines aktiven Teils der Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators entspricht. Der aktive Teil einer Speicherzelle wird auch als Wickel oder Jelly Roll bezeichnet. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit der Kühlung weiter erhöht.
Die Wärme leitende Halbschale ist (in radialer Richtung) gemäß einer weiteren Ausgestaltung über einen Umfangswinkel von bevorzugt 150° bis 180° mit einer jeweiligen Mantelfläche thermisch gekoppelt. Gemäß dieser Ausgestaltung wird eine hervorragende Fixierung der Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators bei maximierter Wärmeabfuhr gewährleistet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das die Wärme leitende Halbschale mit einer Kühlwand der Kühleinrichtung thermisch verbunden ist, wobei die Wärme leitende Halbschale zwischen der Kühlwand und der zumindest einen Speicherzelle und/oder dem Doppelschichtkondensator angeordnet ist. Die Kühleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist damit zweiteilig ausgebildet. In unmittelbarem thermischen Kontakt mit den zu kühlenden Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren stehen die Halbschalen, welche die Wärme ihrerseits an eine Kühlwand abgeben. Die zweiteilige Ausgestaltung der Kühleinrichtung ermöglicht einen konstruktiv einfachen, insbesondere modularen Aufbau, gemäß dem die Halbschalen thermisch optimiert an die Gestalt der Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren angepasst werden können. Auch die Wärmeübergabe an die Kühlwand kann optimiert und insbesondere für eine große Anzahl an Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren auf einfache Weise erfolgen.
Die Kühlwand kann insbesondere Kühlkanäle aufweisen, die von einem Wärme abführende Medium, insbesondere einem Kältemittel, wie R 134a, Kohlendioxid R 744, Wasser oder Luft, durchströmt oder umströmt werden. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr stets in zuverlässiger und ausreichender Weise, auch bei kurzzeitigen Spitzenbelastungen der Speicherzelle, sichergestellt werden. Die Kühlkanäle können z. B. einen Kreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs eingebunden sein.
Die Kühlwand kann ferner von einer thermischen Isolierung umschlossen sein. Beispielsweise ist die Kühlwand mit einer vorzugsweise elektrisch betriebenen Klimatisierungsvorrichtung versehen, die die Wärmeenergie abführt, die vorzugsweise nach dem Verdampfer- oder Peltier-Verfahren arbeitet. Hierdurch kann die Vorrichtung weitgehend unbeeinflusst von der Umgebungstemperatur an der konkreten Stelle im Fahrzeug, an der die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet ist, mit geringem Aufwand zuverlässig gekühlt werden.
Zweckmäßigerweise ist die Wärme leitende Halbschale und/oder die Kühlwand aus Aluminium, Kupfer, einem gefüllten Kunststoff oder einem anderen gut Wärme leitenden Material gebildet.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen der Wärme leitenden Halbschale und den Mantelflächen der zumindest einen Speicherzelle und/oder des Doppelschichtkondensators eine Isolationsschicht angeordnet ist. Die Isolationsschicht dient dazu, eine elektrisch Isolierung der aus elektrisch leitendem Material bestehenden Halbschale zu den Mantelflächen der Speicherzelle(n) und/oder Doppelschichtkondensator(en) zu gewährleisten. Die Isolationsschicht kann z. B. aus gefülltem Silikon, einem Epoxidharz oder einem anderen Kunststoff, wie Polyurethan, Polyimid oder Polyacrylat gebildet sein. Die Materialstärke der Isolationsschicht hängt von Toleranzen der Speicherzelle und der Spannungslage der Vorrichtung ab. Zweckmäßigerweise wird die Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt typischerweise λ = 0,5 bis 5 W/(Km).
Zwischen der Wärme leitenden Halbschale und der Kühlwand ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung vorgese hen. Diese sorgt für eine definierte Wärmeübertragung. Darüber hinaus können Lufteinschlüsse an der Übergangsfläche vermieden werden, welche zu einer lokalen Überhitzung und damit eventuell zu einem Defekt der Vorrichtung führen können. Die Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung (coating) ist vorzugsweise elektrisch isolierend und gleicht zudem Fertigungstoleranzen des Abstands aus bzw. füllt Abstände auf. Hierdurch wird ein guter thermischer Kontakt auch bei üblichen Fertigungstoleranzen und bei Vibrationen erreicht. Eine Wärmeleitfolie weist bevorzugt Silikon mit Wachs und/oder Keramik als Füllstoff oder ein Gemisch verschiedener Wärme leitender Substrate auf und kann mehrlagige Beschichtungen aufweisen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger in Bereichen, die keine Haltefunktion übernehmen, mit einer oder mehreren Aussparungen versehen ist. Die eine oder mehreren Aussparungen können zur aktiven Kühlung mit einem hier durchgeführten Kühlmedium oder zur passiven Kühlung durch Wärmekonvektion dienen. Ferner wird eine Gewichtsreduktion erzielt.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Wärme leitende Halbschale zur Ausbildung definierter Wärmeübergangsflächen zu der Kühlwand im Bereich jeweils zweier übereinander angeordneter Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren eine oder mehrere Aussparungen aufweist. Neben einer Gewichtsreduktion dienen die Aussparungen im Wesentlichen dazu, die Wärmeübergangsflächen der Halbschale zu der Kühlwand derart zu optimieren, dass eine vorgegebene Kraft, mit der die Anordnung beaufschlagt werden muss, um einen bestimmten Anpressdruck zu gewährleisten und um die erforderliche Kühlung sicherzustellen, nicht überschritten wird. Je kleiner die Wärmeübergangsfläche gewählt wird, desto geringer kann die Kraft, mit der die Kühlwand gegen die Halbschale gepresst werden muss, ausgeführt werden. Die Größe der Wärmeübergangsflächen und damit die Größe der Aussparungen sind damit in Abhängigkeit einer aufzubringenden Kraft zu wählen. Zweckmäßigerweise wird die Wärmeübergangsfläche möglichst klein ausgebildet, damit die notwendige Kraft klein gehalten werden kann.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Mehrzahl an Speicherzellen in einem Modul in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, wobei ein Modul aus jeweils zwei benachbarten und einer Anzahl an übereinander angeordneten Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren gebildet ist, wobei ein gemeinsamer Träger und zumindest eine gemeinsame Wärme leitende Halbschale für die in Zweiergruppen übereinander angeordneten Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine zwischen der Kühlwand und der Wärme leitenden Halbschale ausgebildete Ebene, in der der Wärmeübergang erfolgt, in Bezug auf die Schwerkraftrichtung schräg angeordnet, so dass das Modul, insbesondere die Wärme leitende Halbschale, durch die Schwerkraft an die Kühlwand gepresst wird. Durch Aufbringen einer definierten Kraft in Schwerkraftrichtung, kann damit die zwischen der Halbschale und der Kühlwand benötigte Kraft eingestellt werden. Sollte es zusätzlich erforderlich sein, kann zusätzlich eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche die zwischen Halbschale und Kühlwand herrschende Kraft in Kraftrichtung verstärkt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine der in den Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren jeweils angeordneten Elektroden (im sog. Wickel) aus Metall besteht und weitgehend ganzflächig mit einer Metallschicht versehen ist und die Metallelektrode oder die Metallschicht, insbesondere eine Metallfolie, über ein Anschlusselement mit einer außerhalb der Speicherzelle oder außerhalb des Doppelschichtkondensators vorgesehenen Anschlussklemme elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist zur weiteren Verbesserung der Kühlung vorgesehen, dass eine Wärme leitende Kühlplatte, die in thermischem Kontakt mit einer Vielzahl der Anschlussklemmen der Speicherzellen oder der Doppelschichtkondensatoren steht, die von den Metallelektroden oder den Metallschichten der Elektroden an die Anschlussklemme über das Anschlusselement zugeführte Wärmeenergie abführt. Gemäß dieser Ausgestaltung wird die radiale Kühlung der Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren durch eine axiale Kühlung unterstützt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. In der einzigen Figur ist in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsversorgung dargestellt.
Die schematisch dargestellte Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs umfasst beispielhaft zwei Module 100, 200. Das Speicherzellen-Modul 100 weist Speicherzellen 101 bis 112 auf, die im Ausführungsbeispiel zu jeweils sechs Speicherzel len übereinander in zwei Reihen angeordnet sind. Entsprechend hierzu weist das Speicherzellen-Modul 200 Speicherzellen 201 bis 212 auf, die zu jeweils sechs Speicherzellen übereinander in zwei Reihen angeordnet sind. Jede der bekannten Speicherzellen 101 bis 112 und 201 bis 212 weist mindestens eine in der Speicherzelle angeordnete Elektrode (nicht dargestellt) aus Metall auf, wobei diese weitgehend ganzflächig mit einer Metallschicht versehen sein kann, was aus der Figur ebenfalls nicht erkennbar ist. In bekannter Weise ist deren innen liegendes Anschlusselement (ebenfalls nicht dargestellt) mit einer außerhalb der jeweiligen Speicherzelle auf der Vorderseite versehenen Anschlussklemme bzw. mit einer außerhalb der Speicherzelle auf der Rückseite vorgesehenen Anschlussklemme elektrisch leitend verbunden. Bei der Anschlussklemme kann es sich um eine Kontaktfläche in Form eines Sockels, wie bei einem Batteriepol, der durch eine Kontaktfeder kontaktiert wird, handeln. Über die Anschlussklemmen sind die jeweiligen Speicherzellen eines Moduls 100 bzw. 200 in Reihe und/oder parallel geschaltet, so dass an (nicht dargestellten) Anschlussstiften eine Gesamtspannung des jeweiligen Moduls abgreifbar ist.
Zwischen den zwei Speicherzellen-Reihen eines Moduls 100, 200 ist ein jeweiliger Träger 40, 50 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Der Träger kann insbesondere aus Kunststoff, z. B. PP, gebildet sein. Das Kunststoffmaterial ermöglicht eine Elastizität in der Horizontalen, d. h. in einer Ebene senkrecht zur Zeichnungsebene. Der Träger 40, 50 weist in radialer Richtung eine zu den Mantelflächen der Speicherzellen negative Oberflächengestalt auf und grenzt an einen jeweiligen Umfangsabschnitt der Mantelfläche jeder Speicherzelle der zwei Speicherzellen-Reihen. Dabei beträgt der Umschließungswinkel, in dem der Träger an eine jeweilige Mantelfläche einer Speicherzelle grenzt, bevorzugt zwischen 150° und 180°. Wie aus der Figur gut zu erkennen ist, erstreckt sich der Träger 40, 50 in etwa über die gesamte Länge der sechs übereinander angeordneten Speicherzellen einer Speicherzellen-Reihe. In Bereichen, in denen der Träger 40, 50 keine Haltefunktion übernimmt, ist dieser mit Aussparungen 41 bis 45 sowie 51 bis 55 versehen. Die beispielhaft einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Aussparungen können dahingehend optimiert sein, eine maximale Materialersparnis zu erzielen, um das Gewicht der Vorrichtung gering zu halten. Andererseits können die Aussparungen auch dazu verwendet werden, ein Kühlmedium durch diese zu leiten, um Wärme von den Speicherzellen abzuführen.
Die in den Speicherzellen 101 bis 112; 201 bis 212 entstehende Wärme wird über eine Wärme leitende Kühleinrichtung abgeführt, welche benachbart zu jeweiligen Mantelflächen der Speicherzellen 101 bis 112; 201 bis 212 angeordnet ist. Die Kühleinrichtung ist zweiteilig aufgebaut und umfasst Wärme leitende Halbschalen 60, 70, 80, 90, die in radialer Richtung eine zu den Mantelflächen negative Oberflächengestalt aufweisen und mit jeweiligen Mantelflächen der Speicherzellen 101 bis 112, 202 bis 212 in thermischem Kontakt stehen. Als zweiten Teil umfasst die Kühleinrichtung Kühlwände 10, 20, 30, welche mit den Wärme leitenden Halbschalen 60, 70, 80, 90 thermisch verbunden sind. Dabei ist eine jeweilige Wärme leitende Halbschale zwischen einer Kühlwand und einer Speicherzellen-Reihe angeordnet. Die Wärme leitenden Halbschalen können aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen gut Wärme leitenden Material, insbesondere einem Metall, gebildet sein. In entsprechender Weise kann das Material der Kühlwände 10, 20, 30 gewählt sein.
Eine jeweilige Wärme leitende Halbschale 60, 70, 80, 90 steht aufgrund ihrer negativen Oberflächengestalt zu den Speicherzellen einer Speicherzellen-Reihe in thermischem Kontakt mit einem jeweiligen Umfangsabschnitt der Mantelflächen einer jeweiligen Speicherzelle, so dass die von den Mantelflächen der Speicherzellen zugeführte Wärmeenergie radial aus den Speicherzellen abgeführt werden kann.
Eine jede der Wärme leitenden Halbschalen 60, 70, 80, 90 erstreckt sich in axialer Richtung (d. h. aus der Blattebene heraus) über eine Länge der Mantelfläche, die mindestens der Länge eines aktiven Teils der Speicherzelle 101 bis 112, 201 bis 212 entspricht. Der aktive Teil einer Speicherzelle wird auch als Wickel oder Jelly Roll bezeichnet. Vorzugsweise entspricht die Länge einer jeweiligen Wärme leitenden Halbschale der Länge der Speicherzellen, um eine optimale Wärmeabfuhr und mechanisch stabile Lagerung zu gewährleisten. Eine jeweilige Wärme leitende Halbschale ist über einen Umfangswinkel von maximal 180°, bevorzugt 150° bis 180°, mit einer jeweiligen Mantelfläche einer Speicherzelle thermisch gekoppelt. Bevorzugt ist eine jeweilige Speicherzelle über den gesamten Umfangswinkel von 360° von dem Träger und der Wärme leitenden Halbschale umschlossen.
Zwischen dem Mantel einer jeweiligen Speicherzelle 101 bis 112; 201 bis 212 und der betreffenden Wärme leitenden Halbschale 60, 70, 80, 90 ist eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende Isolationsschicht 120, 121, 220, 221 angeordnet. Durch die elektrische Isolation ist es möglich, die Mantelflächen der Speicherzellen elektrisch leitend auszuführen und mit Potential zu beaufschlagen. Die Wärme leitende Isolationsschicht kann aus einer oder mehreren übereinander angeordneten Folien gebildet sein. Als Material kann beispielsweise gefülltes Silikon, Epoxydharz oder ein anderer Kunststoff, wie Polyurethan, Polyimid, Polyacrylat oder PTFE geringer Dicke verwendet werden. Vorzugsweise werden eine oder mehrere Folien verwendet. Bei der Verwendung von zwei oder mehr übereinander angeordneten Wärmeleitfolien kann mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden, dass ein lokal begrenzter Materialdefekt in jeder der Wärmeleitfolien genau übereinander dem anderen Materialdefekt liegt. Hierdurch können elektrische Kurzschlüsse durch nie auszuschließende Materialdefekte wirkungsvoll verhindert werden.
Zwischen einer jeweiligen Wärme leitenden Halbschale 60, 70, 80, 90 und einer jeweils benachbarten Kühlwand 10, 20, 30 ist optional eine Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung angeordnet. Diese dient dazu, Lufteinschlüsse zwischen der Wärme leitenden Halbschale und der Kühlwand zu verhindern, da hierdurch lokale Temperaturspitzen auftreten könnten. Durch die Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung wird ein Toleranzausgleich bereitgestellt, der die Gefahr von Lufteinschlüssen zwischen einer jeweiligen Wärmehalbschale 60, 70, 80, 90 und der benachbarten Kühlwand 10, 20, 30 vermindert. Darüber hinaus kann die zur Herstellung eines gut Wärme leitenden Kontakts sowie der Vermeidung von Lufteinschlüssen notwendige Anpresskraft zwischen Wärme leitender Halbschale und Kühlwand geringer ausgeführt werden im Vergleich zu einer Anordnung, bei welcher auf die Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung verzichtet wird.
In diesem Zusammenhang ist es zur Ausbildung definierter Wärmeübergangsflächen von einer jeweiligen Wärme leitenden Halbschale 60, 70, 80, 90 zu einer benachbarten Kühlwand 10, 20, 30 zweckmäßig, wenn im Bereich jeweils zweier übereinander angeordneter Speicherzellen 101 bis 112, 201 bis 212 eine oder mehrere Aussparungen 61 bis 65, 71 bis 75, 81 bis 85, 91 bis 95 vorgesehen sind. Neben einer Materialersparnis wird hierdurch die Wärmeübergangsfläche zu einer jeweiligen Kühlwand verringert, wodurch die notwendige Anpresskraft verringert werden kann und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von Lufteinschlüssen vermindert wird.
Jede der Kühlwände 10, 20, 30 weist Kühlkanäle 11, 12, 21, 22, 31, 32, 33, 34 auf, die von einem Wärme abführenden Medium, insbesondere einem Kältemittel, wie R 134a, Kohlendioxid R 744, Wasser oder Luft, durchströmt oder umströmt werden. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr stets in zuverlässiger und ausreichender Weise, auch bei kurzzeitigen Spitzenbelastungen der Speicherzelle, sichergestellt werden. Die Kühlkanäle können als Rohr oder sog. Multiporttube ausgebildet und auf eine Platte geklebt oder gelötet sein. Die Kühlwände können gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ von einer thermischen Isolierung umschlossen sein. Hierbei können die Kühlwände mit einer elektrisch oder mechanisch betriebenen Klimatisierungsvorrichtung versehen werden, die die Wärmeenergie abführt, die vorzugsweise nach dem Verdampfer- oder Peltier-Verfahren arbeitet. Die Kühlkanäle können z. B. einen Kreislauf einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs eingebunden sein.
Um einen guten mechanischen und damit thermischen Kontakt zwischen den Wärme leitenden Halbschalen 60, 70, 80, 90 und den Kühlwänden 10, 20, 30 zu erhalten, ist zumindest eine zwischen einer Kühlwand 10, 20, 30 und der zugeordneten Wärme leitenden Halbschale 60, 70, 80, 90 ausgebildete Ebene, in der der Wärmeübergang erfolgt, in Bezug auf die Schwerkraftrichtung 300 schrägt angeordnet, so dass das Modul 100, 200 durch die Schwerkraft an die betreffende Kühlwand 10, 20, 30 gepresst wird. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwischen der Kühlwand 30 und den Wärme leitenden Halbschalen 70, 90 gebildeten Ebenen schräg in Relation zur Schwerkraftrichtung 300 angeordnet. Die zwischen den Kühlwänden 10 bzw. 20 und den Wärme leitenden Halbschalen 60 bzw. 80 gebildeten Ebenen liegen hingegen parallel zur Schwerkraftrichtung 300. In einer Ausgestaltungsvariante könnten auch diese Ebenen die beschriebene Keilform aufweisen. Durch die Schrägung der Ebenen und die Gewichtskraft der Module 100, 200, eventuell verstärkt durch einen in der Figur nicht dargestellten Deckel auf der Oberseite der Vorrichtung, werden die Module 100, 200 an die Kühlwände 10, 20, 30 gepresst, wodurch Seitenkräfte auf das Modul 100, 200 mit den Speicherzellen 101 bis 112, 201 bis 212 resultieren. Hierdurch wird die vorher erwähnte Anpresskraft auf die Wärmeübergangsflächen von den Wärme leitenden Halbschalen 60, 70, 80, 90 zu den jeweiligen Kühlwänden 10, 20, 30 hergestellt.
Der nicht dargestellte Gehäusedeckel weist zweckmäßigerweise elektrische Verbinder auf, die die Module 100, 200 in Reihe und/oder parallel schalten, wenn der Gehäusede ckel die Module abdeckt und die die Reihenschaltung aufheben, wenn der Gehäusedeckel entfernt wird.
Gemäß dem in der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Speicherzellen 101 bis 112, 201 bis 212 radial über ca. die Hälfte der Mantelfläche der Speicherzellen gekühlt. Der Wärmefluss weist hierbei folgenden Pfad auf: elektrochemisch aktiver Teil (Wickel oder Jelly Roll) – Zellhülle (Mantelfläche) – elektrisch isolierende Wärmeleiffolie – thermisch leitende Halbschale – Wärmeleitpaste – Kühlwand. Eine Kühlung über die Elektroden in axialer Richtung ist damit entbehrlich, kann jedoch zusätzlich auch vorgesehen sein.
So kann zur weiteren Verbesserung der Kühlung z. B. vorgesehen sein, dass eine Wärme leitende Kühlplatte, die in thermischem Kontakt mit einer Vielzahl der Anschlussklemmen der Speicherzellen oder der Doppelschichtkondensatoren steht, die von den Metallelektroden oder den Metallschichten der Elektroden (in dem Wickel, auch Jelly-Roll genannt) an die Anschlussklemme über das Anschlusselement zugeführte Wärmeenergie abführt. Gemäß dieser Ausgestaltung wird die radiale Kühlung der Speicherzellen und/oder Doppelschichtkondensatoren durch eine axiale Kühlung unterstützt.
Zwischen der Kühlplatte und den Anschlussklemmen kann z. B. eine elektrisch isolierende, Wärme leitende Schicht vorgesehen sein, um die Kühlung zu verbessern, ohne dass die Gefahr von Kurzschlüssen besteht. Die Wärme leitende Schicht kann aus einer oder mehreren übereinander angeordneten Wärmeleitfolien gebildet sein, insbesondere aus Polyimid oder PTFE geringer Dicke. Bei der Verwendung von zwei oder mehr übereinander angeordneten Wärmeleitfolien kann mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden, dass selbst ein lokal begrenzter Materialdefekt in jeder der Wärmeleitfolien genau über dem anderen Materialdefekt liegt. Hierdurch können elektrische Kurzschlüsse durch nie auszuschließende Materialdefekte wirkungsvoll verhindert werden. Dabei kann die Wärmeleitfolie mit ihrer ersten Seite auf den Anschlussklemmen fixiert sein, vorzugsweise durch eine Klebung. Die zweite Schicht kann eine gleitende Beschichtung aufweisen, insbesondere eine PVDF- bzw. PTFE-Beschichtung. Hierdurch ist einerseits die Lage der Wärmeleitfolie örtlich fixiert und andererseits kann die Wärmeleitfolie an der thermischen Kontaktfläche zu der Kühlplatte vorbeigleiten, so dass auch bei Vibrationen bzw. Relativbewegungen zwischen der Speicherzelle oder dem Doppelschichtkondensator und der Kühlplatte keine Beschädigung der Wärmeleitfolie auftritt. Insbesondere kann die zwischen den Anschlussklemmen der Speicherzellen und der Kühlplatte vorgesehene Wärmeleitfolie unter Druck plastisch oder elastisch verformbar ausgebildet sein. Die Wärmeleitfolie ist vorzugsweise elektrisch isolierend und gleicht Fertigungstoleranzen des Abstands aus bzw. füllt Abstände auf.

1: Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs
10: Kühlwand
11: Kühlkanal
12: Kühlkanal
13: Wärmeleitpaste
20: Kühlwand
21: Kühlkanal
22: Kühlkanal
23: Wärmeleitpaste
30: Kühlwand
31: Kühlkanal
32: Kühlkanal
33: Kühlkanal
34: Kühlkanal
35: Wärmeleitpaste
36: Wärmeleitpaste
40: Träger
41: Aussparung
42: Aussparung
43: Aussparung
44: Aussparung
45: Aussparung
50: Träger
51: Aussparung
52: Aussparung
53: Aussparung
54: Aussparung
55: Aussparung
60: wärmeleitende Halbschale
61: Aussparung
62: Aussparung
63: Aussparung
64: Aussparung
65: Aussparung
70: wärmeleitende Halbschale
61: Aussparung
62: Aussparung
63: Aussparung
64: Aussparung
75: Aussparung
80: wärmeleitende Halbschale
81: Aussparung
82: Aussparung
83: Aussparung
84: Aussparung
85: Aussparung
90: wärmeleitende Halbschale
91: Aussparung
92: Aussparung
93: Aussparung
94: Aussparung
95: Aussparung
100: Modul
101: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
102: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
103: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
104: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
105: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
106: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
107: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
108: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
109: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
110: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
111: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
112: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
120: Isolationsschicht
121: Isolationsschicht
130: Wärmeübergangsfläche
131: Wärmeübergangsfläche
132: Wärmeübergangsfläche
133: Wärmeübergangsfläche
134: Wärmeübergangsfläche
135: Wärmeübergangsfläche
136: Wärmeübergangsfläche
137: Wärmeübergangsfläche
138: Wärmeübergangsfläche
139: Wärmeübergangsfläche
140: Wärmeübergangsfläche
141: Wärmeübergangsfläche
200: Modul
201: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
202: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
203: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
204: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
205: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
206: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
207: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
208: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
209: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
210: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
211: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
212: Speicherzelle/Doppelschichtkondensator
220: Isolationsschicht
221: Isolationsschicht
230: Wärmeübergangsfläche
231: Wärmeübergangsfläche
232: Wärmeübergangsfläche
233: Wärmeübergangsfläche
234: Wärmeübergangsfläche
235: Wärmeübergangsfläche
236: Wärmeübergangsfläche
237: Wärmeübergangsfläche
238: Wärmeübergangsfläche
239: Wärmeübergangsfläche
240: Wärmeübergangsfläche
241: Wärmeübergangsfläche
300: Schwerkraftrichtung

Claims

Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkw oder eines Motorrads, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren, wobei die Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren eine Mantelfläche in radialer Richtung sowie in axialer Richtung eine durch die Mantelfläche verbundene Grund- und Deckfläche mit jeweiligen Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der Mantelfläche zumindest einer der Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren eine Wärme leitende Kühleinrichtung (10, 20, 30; 60, 70, 80, 90) angeordnet ist, die, von der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder dem Doppelschichtkondensator elektrisch isoliert, in thermischen Kontakt mit einem ersten Umfangsabschnitt der Mantelflächen steht und die von den Mantelflächen der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder des Doppelschichtkondensators zugeführte Wärmeenergie abführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei der Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren ein Träger (40, 50) aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere PP, derart angeordnet ist, dass dieser an jeweils einen zweiten Umfangsabschnitt der Mantelfläche der zwei Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren grenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (10, 20, 30, 60, 70, 80, 90) eine Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) aufweist, die eine zu der Mantelfläche der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder dem Doppelschichtkondensator negative Oberflächengestalt aufweist und mit der Mantelfläche der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder des Doppelschichtkondensators in thermischen Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) sich über eine Länge der Mantelfläche erstreckt, die mindestens der Länge eines aktiven Teils der Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder des Doppelschichtkondensators entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) über einen Umfangswinkel von bevorzugt 150° bis 180°, mit einer jeweiligen Mantelfläche thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) mit einer Kühlwand (10, 20, 30) der Kühleinrichtung (10, 20, 30, 60, 70, 80, 90) thermisch verbunden ist, wobei die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) zwischen der Kühlwand (10, 20, 30) und der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensator angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwand (10, 20, 30) Kühlkanäle (11, 12; 21, 22; 31, 32, 33, 34) aufweist, die von einem Wärme abführenden Medium, insbesondere einem Kältemittel, wie R 134a, Kohlendioxid R 744, Wasser oder Luft, durchströmt oder umströmt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) und/oder die Kühlwand (10, 20, 30) aus Aluminium, Kupfer, einem gefüllten Kunststoff oder einem anderen gut Wärme leitenden Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärme leitenden Halbschale (60, 70, 80, 90) und den Mantelflächen der zumindest einen Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder des Doppelschichtkondensators eine Isolationsschicht (120, 121; 220, 221) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärme leitenden Halbschale (60, 70, 80, 90) und der Kühlwand (10, 20, 30) eine Wärmeleitpaste oder -folie oder -beschichtung (13, 23, 35, 36) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (40, 50) in Bereichen, die keine Haltefunktion übernehmen, mit einer oder mehreren Aussparungen (41 bis 45; 51 bis 55) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) zur Ausbildung definierter Wärmeübergangsflächen zu der Kühlwand (10, 20, 30) im Bereich jeweils zweier übereinander angeordneter Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren eine oder mehrere Aussparungen (61 bis 65, 71 bis 75, 81 bis 85, 91 bis 95) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) in einem Modul (100, 200) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, wobei ein Modul (100, 200) aus jeweils zwei benachbarten und einer Anzahl an übereinander angeordneten Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren gebildet ist, wobei ein gemeinsamer Träger (40, 50) und zumindest eine gemeinsame Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90) für die in Zweiergruppen übereinander angeordneten Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen der Kühlwand (10, 20, 30) und der Wärme leitenden Halbschale (60, 70, 80, 90) ausgebildete Ebene, in der der Wärmeübergang erfolgt, in Bezug auf die Schwerkraftrichtung schräg angeordnet ist, so dass das Modul (100, 200), insbesondere die Wärme leitende Halbschale (60, 70, 80, 90), durch die Schwerkraft an die Kühlwand (10, 20, 30) gepresst wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in den Speicherzellen (101 bis 112; 201 bis 212) und/oder Doppelschichtkondensatoren jeweils angeordneten Elektroden aus Metall besteht oder weitgehend ganzflächig mit einer Metallschicht versehen ist und die Metallelektrode oder die Metallschicht, insbesondere eine Metallfolie, über ein Anschlusselement mit einer außerhalb der Speicherzelle (101 bis 112; 201 bis 212) oder außerhalb des Doppelschichtkondensators vorgesehenen Anschlussklemme elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine Wärme leitende Kühlplatte, die in thermischem Kontakt mit einer Vielzahl der Anschlussklemmen steht, die von den Metallelektroden oder den Metallschichten der Elektroden an die Anschlussklemme über das Anschlusselement zugeführte Wärmeenergie abführt.