DE102009000673A1 - Battery pack and hand tool with a battery pack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Batteriepack (10, 10a, 10b, 10c) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12, 12a, 12b, 12c) und mit einem Gehäuse (14, 14a, 14b, 14c) zur Aufnahme der Batteriezellen (12, 12a, 12b, 12c). Es wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (14, 14a, 14b, 14c) auf einer Mehrzahl von Gehäuseelementen (16, 16a, 16b, 16c) besteht, welche derart angeordnet sind, dass diese mindestens einen Freiraum (18, 18a, 18b, 20, 20a, 20b, 24, 24c) umschließen.The invention is based on a battery pack (10, 10a, 10b, 10c) having a plurality of battery cells (12, 12a, 12b, 12c) and a housing (14, 14a, 14b, 14c) for receiving the battery cells (12, 12). 12a, 12b, 12c). It is proposed that the housing (14, 14a, 14b, 14c) on a plurality of housing elements (16, 16a, 16b, 16c), which are arranged such that this at least one free space (18, 18a, 18b, 20 , 20a, 20b, 24, 24c).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Batteriepack und einer Handwerkzeugmaschine mit einem solchen Batteriepack nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The Invention is based on a battery pack and a hand tool with such a battery pack according to the generic terms of the independent Claims.
Es ist bekannt, dass mehrere Batteriezellen zu einem sogenannten Batteriepack verschaltet werden können, wobei unter einer „Batterie” in diesem Zusammenhang sowohl eine nicht wiederaufladbare als insbesondere eine wiederaufladbare Speichereinheit verstanden werden soll. Gewöhnlich weisen die Batteriepacks ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse mit Aussparungen auf, in welche zumeist zylindrische Batteriezellen eingesetzt sind. Die Querschnittsabmessungen der Aussparungen sind gewöhnlich so gewählt, dass sich die Batteriezellen bequem einsetzen lassen. Häufig werden solche Batteriepacks zur Stromversorgung eines Verbrauchers, wie beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder eines Elektrogerätes, insbesondere eines Elektrowerkzeugs verwendet. Kann dieser Batteriepack über eine mechanische Schnittstelle und einen elektrischen Stecker vom Gerät getrennt werden, so spricht man von einem Wechselpack. Im Betrieb erwärmen sich die Batteriepacks auf Grund hoher Nutzströme, indem sich infolge der Leistungsumsetzung in den Batteriezellen Verlustwärme ergibt. Es kann zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Batteriepack kommen, wenn ein Teil der Batteriezellen, wie beispielsweise die innenliegenden Batteriezellen des Batteriepacks keinen direkten Kontakt zu einer Außenwand des Gehäuses des Batteriepacks hat. Die Kühlung der Batteriezellen erfolgt durch Abgabe von Verlustwärme in Form von Wärmestrahlung und/oder Konvektion durch die Gehäusewand an die Umgebung. Hierdurch ist die Kühlung der innenliegenden Batteriezellen schlechter als die Kühlung der außenliegenden Batteriezellen. Durch diese ungleiche Kühlung können zwischen den Wirkungsgraden der innenliegenden Batteriezellen und den Wirkungsgraden der außenliegenden Batteriezellen Unterschiede bestehen, was wiederum zu ungleichen Ladezuständen der Batteriezellen und damit zu einer möglichen Überhitzung einzelner Batteriezellen führen kann.It It is known that several battery cells to a so-called battery pack can be connected, taking a "battery" in In this context, both a non-rechargeable and in particular a rechargeable storage unit to be understood. Usually the battery packs have a plastic housing with recesses, in which mostly cylindrical battery cells are used. The cross-sectional dimensions of the recesses are usually chosen so that the battery cells convenient to use. Frequently, such battery packs to power a consumer, such as a consumer Electric vehicle or an electrical appliance, in particular used a power tool. Can this battery pack over a mechanical interface and an electrical plug from the device be separated, this is called a change pack. Operational The battery packs heat up due to high utility currents by Loss of heat due to the power conversion in the battery cells results. It can cause an uneven temperature distribution come in the battery pack when part of the battery cells, such as the internal battery cells of the battery pack no direct Contact to an outer wall of the housing of the battery pack Has. The cooling of the battery cells is done by delivery loss heat in the form of heat radiation and / or convection through the housing wall to the environment. This is the Cooling of the internal battery cells worse than the cooling of the external battery cells. Due to this uneven cooling can between the efficiencies of the internal battery cells and the efficiencies the external battery cells are differences, which in turn leads to unequal states of charge of the battery cells and thus to a possible overheating of individual Battery cells can lead.
Als Maßnahme zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen eines Batteriepacks ist es bereits bekannt, die Batteriezellen im Gehäuse von einem Füllmaterial zu umgeben, das so beschaffen ist, dass es die Wärme, die beim Laden und Entladen der Batteriezellen entsteht, schnell abführen bzw. speichern kann. Ebenfalls sind Luftkanäle zwischen den Batteriezellen bekannt, in denen die Wärme durch einen erzwungenen Luftstrom abgeführt werden kann.When Measure to equalize the temperature distribution between the battery cells of a battery pack it is already known the battery cells in the housing of a filling material to surround, which is such that it the warmth, which at the Charging and discharging of the battery cells occurs, dissipate quickly or save. There are also air channels between known the battery cells, in which the heat through a forced airflow can be dissipated.
In
der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht aus von einem Batteriepack mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einem Gehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen.The The invention is based on a battery pack with a plurality of Battery cells and a housing for receiving the battery cells.
Es wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass zwischen den Batteriezellen wenigstens eine Wärmeleitungseinheit angeordnet ist, die sich bereichsweise parallel zu einer Längsachse der Batteriezellen erstreckt. Vorteilhaft können so Temperaturunterschiede entlang der Längserstreckung und entlang der Stapelrichtung sehr gering gehalten werden, z. B. höchstens 4, vorzugsweise höchstens 3 Kelvin. Auch bei geringer Erwärmung ist damit bereits ein sehr guter Temperaturausgleich möglich. Die Wärmeleitungseinheit kann insbesondere eine konvektive Wärmeleitungseinheit sein wie ein Wärmerohr, eine so genannte „Hegt Pipe”.It is proposed according to a first aspect of the invention, that between the battery cells at least one heat conduction unit is arranged, which is partially parallel to a longitudinal axis the battery cells extends. Advantageously, so temperature differences along the longitudinal extent and along the stacking direction very be kept low, z. B. at most 4, preferably at most 3 Kelvin. Even with low warming is thus already a very good temperature compensation possible. The heat conduction unit can in particular be a convective one Heat conduction unit be like a heat pipe, a so called "Heats Pipe".
Sind Batteriezellen und Wärmeleitungseinheit alternierend entlang einer Stapelrichtung der Batteriezellen angeordnet, können günstigerweise Temperaturunterschiede besonders effektiv ausgeglichen werden und entstehende Wärme sehr schnell zu einem zur Kühlung vorgesehenen Bereich abgeführt werden. Ein solcher Bereich kann z. B. durch Kühlrippen gebildet sein, der am Gehäuse des Batteriepacks angeordnet sind, und/oder durch einen luftdurchströmten Kanal im Gehäuse gebildet sein. Bei geeigneter Größe des Batteriepacks kann auch ein separater Lüfter zur Kühlung der Wärmeleitungseinheit vorgesehen sein.are Battery cells and heat conduction unit alternately along arranged a stacking direction of the battery cells can Conveniently, temperature differences are particularly effective be balanced and resulting heat very fast too discharged for cooling intended area become. Such an area may, for. B. by cooling fins be formed, which is arranged on the housing of the battery pack are, and / or through an air-flow channel in the housing be formed. With a suitable size of the battery pack can also use a separate fan to cool the Be provided heat conduction unit.
Es wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass das Gehäuse aus einer Mehrzahl von Gehäuseelementen besteht, welche derart angeordnet sind, dass diese mindestens einen Freiraum umschließen. In der Regel befindet sich der Batteriepack während der Entladung in einem Verbraucher, wobei die größte Verlustwärme entsteht. In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein zweistufiges Abkühlungs- bzw. Entwärmungskonzept, indem der Freiraum zur Speicherung der Verlustwärme der Batteriezellen und/oder zur Kühlung des Batteriepacks bzw. der Batteriezellen eingesetzt werden kann. Hierdurch wird sowohl eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Batteriepack beim Laden und Entladen als auch eine schnelle Abkühlung des Batteriepacks nach der Entladung ermöglicht, so dass der Batteriepack schnell wieder geladen werden kann.It is proposed according to a further aspect of the invention that the housing consists of a plurality of housing elements, which are arranged such that they enclose at least one free space. In general, the battery pack is located during the discharge in a consumer, with the largest heat loss arises. Advantageously, the embodiment of the invention enables a two-stage cooling or Entwärmungskonzept by the free space for storing the heat loss of the battery cells and / or for cooling the battery pack or the battery cells can be used. As a result, both a uniform Temperaturver division in the battery pack during charging and discharging as well as a rapid cooling of the battery pack after discharge allows, so that the battery pack can be quickly recharged.
Vorteilhaft kann zwischen den Batteriezellen wenigstens eine Wärmeleitungseinheit angeordnet sein, die sich bereichsweise parallel zu einer Längsachse der Batteriezellen erstreckt. Günstigerweise können damit Temperaturunterschiede entlang der Längserstreckung und entlang der Stapelrichtung sehr gering gehalten werden, z. B. höchstens 4, vorzugsweise höchstens 3 Kelvin. Auch bei geringer Erwärmung ist bereits ein sehr guter Temperaturausgleich innerhalb und zwischen den Batteriezellen möglich. Die Wärmeleitungseinheit kann insbesondere eine konvektive Wärmeleitungseinheit sein wie ein Wärmerohr, eine so genannte „Heat Pipe”.Advantageous may be between the battery cells at least one heat conduction unit be arranged, which is partially parallel to a longitudinal axis the battery cells extends. Conveniently thus temperature differences along the longitudinal extent and are kept very low along the stacking direction, z. B. at most 4, preferably at most 3 Kelvin. Even with low warming is already a very good Temperature compensation within and between the battery cells possible. The heat conduction unit can in particular be a convective one Heat conduction unit be like a heat pipe, a so-called "heat pipe".
Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei der das Gehäuse aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen hexaedrischen Gehäuseelementen besteht, welche jeweils in einem Sechseck bzw. welche in einem Oval angeordnet sind. Die Gehäuseelemente sind dadurch so angeordnet, dass ein Element maximal an drei Nachbarelemente grenzt, wobei in den ersten beiden Ausführungsbeispielen ein Großteil der Elemente nur an zwei Nachbarelemente und lediglich zwei Elemente an drei Nachbarelemente grenzen und im dritten Ausführungsbeispiel alle Elemente nur an zwei Nachbarelemente grenzen. Insbesondere grenzt jedes Gehäuseelement an mindestens einen Freiraum. Durch diese besondere Ausgestaltung wird eine homogene Temperaturverteilung im Batteriepack erreicht, da die Batteriezellen in einer gleichmäßigen Weise ihre Verlustwärme an die Umgebung abgeben können.Especially expedient is an embodiment in which the Housing of a plurality of substantially hexahedral Housing elements consists, each in a hexagon or which are arranged in an oval. The housing elements are thereby arranged so that one element at most to three neighboring elements bordered, wherein in the first two embodiments a large part of the elements only at two neighboring elements and only border two elements to three neighboring elements and in the third embodiment all elements border on two neighboring elements only. Especially Each housing element adjoins at least one free space. This particular embodiment is a homogeneous temperature distribution in Battery pack achieved because the battery cells in a uniform Ways to release their heat loss to the environment.
Es wird vorgeschlagen, dass das Gehäuseelement mindestens eine Batteriezelle aufnimmt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Abgabe der Verlustwärme der Batteriezellen innerhalb des Batteriepacks ermöglicht.It It is suggested that the housing element at least picks up a battery cell. This will be advantageous a uniform release of heat loss allows the battery cells within the battery pack.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen weist der mindestens eine Freiraum eine Füllung mit einer guten thermischen Leitfähigkeit und/oder einer hohen Wärmekapazität, eine aus mindestens einem Material bestehende Füllung, welches bei einer vorgegebenen Temperatur der Batteriezellen einen Phasenübergang durchführt, oder eine poröse Füllung, in deren Poren ein Material vorgesehen ist, welches bei einer vorgegebenen Temperatur der Batteriezellen einen Phasenübergang durchführt, auf. Ein Großteil der beim Laden oder Entladen der Batteriezellen entstehenden Verlustwärme wird in dem Phasenwechsel gespeichert. In vorteilhafter Weise kann hierdurch der Freiraum zur Speicherung und/oder aktiven Kühlung des Batteriepacks bzw. der Batteriezellen verwendet werden. Die Füllungen sind jeweils derart beschaffen, dass sie die Verlustwärme, die beim Laden oder Entladen der Batteriezellen entsteht, schnell abführen bzw. speichern können. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Batteriepack sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batteriezellen.According to advantageous Embodiments, the at least one free space has a filling with a good thermal conductivity and / or a high heat capacity, one of at least one material existing filling, which at a given temperature the battery cells makes a phase transition, or a porous filling, in whose pores a material is provided, which at a predetermined temperature of the battery cells a Phase transition, on. Much of the when charging or discharging the battery cells resulting heat loss is stored in the phase change. In an advantageous way thus the space for storage and / or active cooling the battery pack or the battery cells are used. The Fillings are each such that they Loss of heat when charging or discharging the battery cells arises, can dissipate or store quickly. This results in a uniform temperature distribution in the battery pack both when loading and unloading the Battery cells.
Bevorzugt ist die mindestens eine Füllung in mindestens einem Aufnahmegehäuse aufgenommen, welches in dem mindestens einen Freiraum angeordnet ist. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise die beim Laden oder Entladen der Batteriezellen entstehende Verlustwärme gespeichert werden. Das Aufnahmegehäuse ermöglicht beispielsweise eine große Freiheit bei der Auswahl der Füllungen oder der Gestaltung der Oberfläche der Füllung.Prefers is the at least one filling in at least one receiving housing taken, which arranged in the at least one free space is. This can be in a particularly advantageous manner when loading or discharging the battery cells resulting heat loss get saved. The receiving housing allows, for example a great freedom in the selection of fillings or the design of the surface of the filling.
Die mindestens eine Füllung und/oder das mindestens eine Aufnahmegehäuse kann dabei entnehmbar in dem mindestens einen Freiraum vorgesehen sein. Die Füllung bzw. das Aufnahmegehäuse mit der Füllung ist somit nicht fest mit dem restlichen Batteriepack verbunden, so dass sich diese in vorteilhafter Weise entnehmen lässt. Hierdurch kann beispielsweise vor dem Laden eines heißen Batteriepacks ein Großteil der Wärme bzw. Verlustwärme durch Herausnehmen der Füllung bzw. dem Aufnahmegehäuse mit der Füllung dem Batteriepack entzogen werden. Sowohl die entnommene Füllung bzw. das entnommene Aufnahmegehäuse als auch der Batteriepack mit leeren Freiräumen haben nun eine größere Oberfläche als der gefüllte Batteriepack, so dass über eine z. B. konvektive Kühlung der Batteriepack schnell abgekühlt werden kann.The at least one filling and / or the at least one receiving housing can be provided removably in the at least one free space be. The filling or the housing with The filling is thus not fixed to the rest of the battery pack connected, so that it can be removed in an advantageous manner. As a result, for example, before loading a hot Battery packs a large part of the heat or heat loss through Remove the filling or the housing with the filling removed from the battery pack. Either the removed filling or the removed receiving housing as well as the battery pack with empty spaces have now a larger surface than the filled one Battery pack, so that over a z. B. convective cooling the battery pack can be cooled down quickly.
Bevorzugt weist das Aufnahmegehäuse eine Mehrzahl von Kammern auf, so dass ein Einbringen unterschiedlicher, auf den Anwendungsfall abgestimmter Füllungen in das Ausnahmegehäuse möglich ist.Prefers the receiving housing has a plurality of chambers, so that introducing different, on the application case matched fillings in the exception housing is possible.
Es wird vorgeschlagen, dass der Batteriepack mindestens eine Wärmeleitungseinheit aufweist, welche den Freiraum mit einer Ladeeinheit für den Batteriepack verbindet. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise nach Entnahme der Füllung bzw. des Aufnahmegehäuses über eine z. B. konvektive Wärmeabfuhr eine schnelle Abkühlung der Batteriezellen herbeigeführt werden. Besonders vorteilhaft kann als Wärmeleitungseinheit ein Wärmerohr (Heat Pipe) eingesetzt werden. Das Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, so dass auf kleiner Querschnittsfläche große Mengen Wärme transportiert werden können. So kann die Verlustleistung eines Batteriepacks effektiv auf kleinsten Bauraum abgeführt werden. Zur Umwälzung des Transportmediums benötigen Wärmerohre keine zusätzliche Hilfsenergie wie z. B. eine Umwälzpumpe, dadurch minimieren sich Wartungsaufwand und Betriebskosten Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen weist der mindestens eine Freiraum mindestens eine Kühlrippe und/oder mindestens einen Kanal zum Durchfluss eines Kühlmittels auf, so dass der Freiraum in vorteilhafter Weise zum aktiven Kühlen des Batteriepacks bzw. der Batteriezellen verwendet werden kann.It is proposed that the battery pack has at least one heat conduction unit which connects the free space with a charging unit for the battery pack. As a result, after removal of the filling or the receiving housing via a z. B. convective heat dissipation rapid cooling of the battery cells are brought about. Particularly advantageous as a heat pipe unit, a heat pipe (heat pipe) can be used. The heat pipe is a heat exchanger, which allows the use of heat of vaporization of a substance, a high heat flux density, so that large quantities of heat can be transported on a small cross-sectional area. Thus, the power loss of a battery pack can be effectively dissipated in the smallest space. To circulate the transport medium heat pipes need no additional auxiliary energy such. B. a circulating pump, thereby minimizing maintenance cost and operating costs According to advantageous embodiments, the at least one free space at least one cooling fin and / or at least one channel for flow of a coolant, so that the free space can be used advantageously for active cooling of the battery pack or the battery cells.
Es wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse einstückig ausgeführt ist. In vorteilhafter Weise ist hierdurch eine kostengünstige und zur Serienfertigung geeignete Herstellung des Gehäuses möglich, da beispielsweise ein Gussverfahren oder ein Strangziehverfahren vorgesehen werden kann.It It is suggested that the housing be one-piece is executed. Advantageously, this is a cost-effective and suitable for mass production of the housing possible because, for example, a casting process or a pultrusion process can be provided.
Denkbar ist jedoch auch, das Gehäuse mehrteilig, insbesondere mehrlagig auszubilden. Die Teile oder Lagen können aus preiswerten Stanzteilen, etwa Blechteilen, gebildet werden. Diese können aus gleichartigen oder auch unterschiedlichen Materialien bestehen. So ist z. B. eine vorteilhafte Kombination von thermisch gut leitenden und/oder thermisch gut speicherfähigen Materialien möglich.Conceivable However, the housing is also multi-part, in particular multi-layered train. The parts or layers can be cheap Stamped parts, such as sheet metal parts are formed. These can be out consist of similar or different materials. So z. B. an advantageous combination of thermally highly conductive and / or thermally well storable materials possible.
Bevorzugt ist das Gehäuse aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und/oder einer hohen Wärmekapazität ausgeführt. Hierdurch ermöglicht das Gehäuse eine Aufnahme der Verlustwärme der Batteriezellen und ein schnelles Abführen derselben.Prefers The housing is made of a material with good thermal Conductivity and / or a high heat capacity executed. This allows the housing a recording of the heat loss of the battery cells and a fast removal of the same.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zeichnungdrawing
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.Further Advantages are shown in the following description of the drawing. In the drawing, embodiments of the invention shown. The person skilled in the art will read the drawings in the description and the claims in combination expediently also consider individually and to summarize meaningful further combinations.
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.In the figures are the same or similar components with the same Numbered.
Der
in den Figuren dargestellte Batteriepack
Der
dargestellte Batteriepack
Um
eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung
in dem Batteriepack
In
den vorliegenden Ausführungsbeispielen nimmt jedes Gehäuseelement
Gemäß erstem
und zweitem Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse
Hierbei
sind mehrere Ausführungsformen der Freiräume denkbar,
wobei selbstverständlich auch weitere hier nicht aufgeführte,
einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Alternativen denkbar sind. Im übrigen
sind auch Kombination der oben aufgeführten Ausführungsformen
des mindestens einen Freiraums
In
weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der mindestens
eine Freiraum dazu genutzt werden, den Batteriepack bzw. die Batteriezellen
aktiv zu kühlen, indem der mindestens eine Freiraum
In
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die
in den mindestens einen Freiraum
Gemäß
Gemäß
Bevorzugt
ist das Gehäuse
Ein
Batteriepack
Zwischen
den Batteriezellen
Die
Wärmeleitungseinheit
Die
Wärmeleitungseinheiten
Selbstverständlich
ist das hier dargestellte Prinzip mit einem vorstehend beschriebenen
Batteriepack
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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