DE102011015557A1

DE102011015557A1 - Vorrichtung und System für das Wärmemanagement einer Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE102011015557A1
Application number: DE201110015557
Authority: DE
Inventors: Taeyoung Han; Kuo-Huey CHEN; Bahram Khalighi; Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US20110244294A1; CN102214849A

Abstract

Eine Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle umfasst eine erste Platte, die einen ersten Kanal und einen von dem ersten Kanal beabstandeten zweiten Kanal festlegt, wobei die erste Platte weiterhin einen Einlassdurchlass in Verbindung mit dem ersten Kanal und einen Auslassdurchlass in Verbindung mit dem zweiten Kanal und gegenüber dem Einlassdurchlass beabstandet festlegt. Die Vorrichtung umfasst eine zweite Platte, die für Wärmeenergieaustausch mit der Zelle ausgelegt und in Kontakt mit der ersten Platte angeordnet ist, um einen Querströmungskanal festzulegen, wobei der Querströmungskanal den ersten Kanal und den zweiten Kanal untereinander verbindet. Ein Wärmemanagement-System umfasst eine Zelle mit einer ersten Temperatur, ein Fluid mit einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, und die Vorrichtung. Das Fluid ist mittels des Querströmungskanals von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass beförderbar, um dadurch Wärmeenergie von der Zelle abzuleiten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Systeme für Wärmemanagement zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Batterien sind zum Umwandeln chemischer Energie in elektrische Energie nützlich und können als primär oder sekundär beschrieben werden. Primärbatterien sind im Allgemeinen nicht wiederaufladbar, wogegen Sekundärbatterien einfach wiederaufladbar sind und nach Nutzung wieder auf volle Ladung gebracht werden können. Sekundärbatterien können somit für Anwendungen wie Energieversorgung von elektronischen Geräten, Werkzeugen, Maschinen und Fahrzeugen brauchbar sein. Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen können zum Beispiel außerhalb des Fahrzeugs mittels einer Steckdose oder an Bord des Fahrzeugs mittels eines regenerativen Vorgangs wiederaufgeladen werden.
Eine Sekundärbatterie, die auch als Sekundärbatteriesatz bekannt sein kann, kann ein oder mehrere Sekundärbatteriemodule umfassen. Analog kann ein Sekundärbatteriemodul ein oder mehrere Batteriezellen umfassen, die zueinander benachbart positioniert, z. B. gestapelt, sind.
Wenn solche Sekundärbatterien geladen oder entladen werden, wird Wärme erzeugt. Wird dies nicht gesteuert, kann sich eine solche Wärme nachteilig auf die Lebensdauer und Leistung des Sekundärbatteriemoduls und/oder einzelner Sekundärbatteriezellen auswirken. Daher ist das Wahren einer steten Temperaturverteilung in den Sekundärbatterien und Sekundärbatteriezellen, um die Sekundärbatterie innerhalb eines Betriebssolltemperaturbereichs zu betreiben, wesentlich für das Maximieren der Leistung und Langlebigkeit der Sekundärbatterie.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle umfasst eine erste Platte, die einen ersten Kanal und einen von dem ersten Kanal beabstandeten zweiten Kanal festlegt, wobei die erste Platte weiterhin einen Einlassdurchlass in Verbindung mit dem ersten Kanal und einen Auslassdurchlass in Verbindung mit dem zweiten Kanal und gegenüber dem Einlassdurchlass beabstandet festlegt. Zusätzlich umfasst die Wärmemanagement-Vorrichtung eine zweite Platte, die für Wärmeenergieaustausch mit der Sekundärbatteriezelle ausgelegt und in Kontakt mit der ersten Platte angeordnet ist, um einen Querströmungskanal festzulegen, wobei der Querströmungskanal den ersten Kanal und den zweiten Kanal untereinander verbindet.
Bei einer anderen Variante umfasst die erste Platte einen ersten Steg, einen zweiten Steg und einen dritten Steg und legt den Einlassdurchlass mit einer messbaren Einlasstemperatur während einem Betrieb der Sekundärbatteriezelle und den Auslassdurchlass mit einer messbaren Auslasstemperatur während einem Betrieb der Sekundärbatteriezelle fest. Der erste Steg und der zweite Steg legen zusammen den mit dem Einlassdurchlass in Verbindung stehenden ersten Kanal fest. Der zweite Steg und der dritte Steg legen zusammen den mit dem Auslassdurchlass in Verbindung stehenden zweiten Kanal fest. Ferner ist die zweite Platte zum Lagern der Sekundärbatteriezelle ausgelegt und weist eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung auf, die zusammen den Querströmungskanal festlegen. Zusätzlich ist die erste Aussparung und die zweite Aussparung jeweils in Kontakt mit jedem von erstem Steg, zweitem Steg und drittem Steg angeordnet, um dadurch den Querströmungskanal mit jedem von erstem Kanal und zweitem Kanal untereinander zu verbinden.
Ein Wärmemanagement-System zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatterie während einem Betrieb der Sekundärbatterie umfasst eine Sekundärbatteriezelle mit einer messbaren ersten Temperatur während einem Betrieb, ein Fluid mit einer messbaren zweiten Temperatur während einem Betrieb, die niedriger als die messbare erste Temperatur ist, und die Wärmemanagement-Vorrichtung. Das Fluid ist mittels des Querströmungskanals von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass beförderbar, um dadurch Wärmeenergie von der Sekundärbatteriezelle abzuleiten.
Die Vorrichtung und das System für Wärmemanagement sehen ausgezeichnete Temperatursteuerung für Sekundärbatterien vor. D. h. die Vorrichtung samt System für Wärmemanagement sieht eine gleichmäßige Wärmeübertragung zwischen der Wärmemanagement-Vorrichtung und der Sekundärbatteriezelle vor und ermöglichen daher eine ausgezeichnete Temperatursteuerung der Sekundärbatterie während einem Betrieb. Insbesondere ermöglicht der Querströmungskanal eine Wärmeleitung in der zweiten Platte, um eine gleichmäßige Temperatur der Sekundärbatteriezelle vorzusehen, selbst wenn die messbare zweite Temperatur des Fluids von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass steigt. Ferner ermöglichen die Vorrichtung und das System für Wärmemanagement ein Luftkühlen der Sekundärbatterien. Der Querströmungskanal ermöglicht auch verhältnismäßig größere Einlass- und Auslassanschlüsse, um einen Druckabfall des Fluids über der Sekundärbatteriezelle und/oder der Sekundärbatterie zu minimieren.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer Sekundärbatterie und von Komponenten derselben, die mehrere Sekundärbatteriezellen und mehrere Sekundärbatteriemodule umfasst;
2 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von der Sekundärbatteriezelle der Sekundärbatterie von 1;
3 ist eine schematische vergrößerte Perspektivansicht einer anderen Variante der Wärmemanagement-Vorrichtung von 2;
4 ist eine schematische vergrößerte Perspektivansicht einer noch anderen Variante der Wärmemanagement-Vorrichtung von 2; und
5 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Wärmemanagement-Systems, das die Sekundärbatteriezelle von 1, ein Fluid und die Wärmemanagement-Vorrichtung von 2 umfasst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezug auf die Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist eine Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle 10 (1) einer Sekundärbatterie 12 (1) in 2 allgemein bei 14 gezeigt. D. h. die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 ist zum Kühlen der Sekundärbatteriezelle 10 während einem Betrieb ausgelegt. Daher kann die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 für eine Vielzahl von Anwendungen brauchbar sein, die Sekundärbatteriezellen 10 benötigen, wie etwa elektronische Geräte, Werkzeuge, Maschinen und Fahrzeuge, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 kann zum Beispiel für Sekundär-Lithiumionen-Batteriezellen 10 für Elektrofahrzeuge und elektrische Hybridfahrzeuge brauchbar sein. Es ist jedoch festzustellen, dass die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 auch für nichtkraftfahrzeugtechnische Anwendungen zweckmäßig sein kann, wie etwa für Elektrowerkzeuge und elektronische Geräte für Haushalt und Industrie, aber nicht darauf beschränkt ist.
Unter Bezug auf 1 ist mittels einer allgemeinen Erläuterung ein Sekundärbatteriemodul für eine kraftfahrzeugtechnische Anwendung allgemein bei 16 gezeigt. Das Sekundärbatteriemodul 16 kann für kraftfahrzeugtechnische Anwendungen, wie etwa für ein Steckdosenhybridfahrzeug (PHEV, kurz vom engl. Plug-In Hybrid Electric Vehicle) brauchbar sein. Zum Beispiel kann das Sekundärbatteriemodul 16 ein Sekundär-Lithiumionen-Batteriemodul 16 sein. Unter Bezug auf 1 können mehrere Batteriemodule 16 kombiniert werden, um die Sekundärbatterie 12, d. h. den Sekundärbatteriesatz, zu bilden. Zum Beispiel kann das Sekundärbatteriemodul 16 ausreichend bemessen sein, um eine erforderliche elektrische Spannung zum Betreiben eines elektrischen Hybridfahrzeugs (HEV, kurz vom engl. Hybrid Electric Vehicle), eines Elektrofahrzeugs (EV, kurz vom engl. Electric Vehicle), eines Steckdosenhybridfahrzeugs (PHEV) und dergleichen, vorzusehen, abhängig von der erforderlichen Anwendung z. B. etwa 300 bis 400 Volt oder mehr.
Unter erneutem Bezug auf 1 umfasst das Sekundärbatteriemodul 16 mehrere Sekundärbatteriezellen 10, die zueinander benachbart und voneinander beabstandet positioniert sind. Die Sekundärbatteriezellen 10 können jede geeignete elektrochemische Batteriezelle sein. Zum Beispiel können die Sekundärbatteriezellen 10 Lithiumionen, Lithiumionen-Polymer, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Vanadiumpentoxid, Lithium-Kupferchlorid, Lithium-Mangandioxid, Lithium-Schwefel, Lithium-Titanat, Nickelmetallhydrid, Nickel-Cadmium, Nickel-Wasserstoff, Nickel-Eisen, Natrium-Schwefel, Vanadium-Redox, Blei-Säure und Kombinationen derselben sein.
Unter erneutem Bezug auf 1 kann jede Sekundärbatteriezelle 10 eine Plus-Zellenlasche 18 und eine Minus-Zellenlasche 20 aufweisen. Die Sekundärbatteriezelle 10 kann für Stapeln geeignet sein. D. h. die Sekundärbatteriezelle 10 kann aus einer heißsiegelfähigen, elastischen Folie gebildet sein, die versiegelt wird, um eine Kathode, eine Anode und einen Separator (nicht gezeigt) zwischen den Sekundärbatteriezellen 10 zu umschließen. Daher kann eine beliebige Anzahl von Sekundärbatteriezellen 10 gestapelt oder anderweitig benachbart zueinander positioniert werden, um einen Zellenstapel, d. h. das Sekundärbatteriemodul 16, zu bilden. Wenngleich dies in 1 nicht gezeigt ist, können ferner auch zusätzliche Schichten, wie etwa Rahmen und/oder Kühlschichten, in dem Raum zwischen den einzelnen Sekundärbatteriezellen 10 positioniert werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Es ist zu erwarten, dass die tatsächliche Anzahl an Sekundärbatteriezellen 10 mit der erforderlichen elektrischen Spannungsleistung jedes Sekundärbatteriemoduls 16 variieren kann. Analog kann die Anzahl an untereinander verbundenen Sekundärbatteriemodulen 16 variieren, um die erforderliche elektrische Gesamtausgangsspannung für eine bestimmte Anwendung zu erzeugen.
Während einem Betrieb kann eine chemische Redoxreaktion Elektronen von einem Bereich eines relativ negativen Potentials zu einem Bereich relativ positiven Potentials übertragen, um dadurch die Sekundärbatteriezellen 10 und die Sekundärbatterie 12 periodisch zu betreiben, d. h. sie zu laden und zu entladen, um Energieanwendungen elektrische Spannung zu liefern.
Unter Bezug nun auf 2 umfasst die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 eine erste Platte 22. Die erste Platte 22 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, z. B. Metall, gebildet sein. Die erste Platte 22 legt einen ersten Kanal 24 und einen von dem ersten Kanal 24 beabstandeten zweiten Kanal 26 fest. D. h. der erste Kanal 24 kann im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Kanal 26 angeordnet sein.
In einem Beispiel kann die erste Platte 22 gestanzt sein, um den ersten Kanal 24 und den zweiten Kanal 26 zu bilden. D. h. unter Bezug auf 2, dass die erste Platte 22 gestanzt sein kann, um einen ersten Steg 28, einen zweiten Steg 30 und einen dritten Steg 32 zu umfassen. Der erste Steg 28 und der zweite Steg 30 legen zusammen den ersten Kanal 24 fest, und der zweite Steg 30 und der dritte Steg 32 legen zusammen den von dem ersten Kanal 24 beabstandeten zweiten Kanal 26 fest.
Unter erneutem Bezug auf 2 legt die erste Platte 22 weiterhin einen Einlassdurchlass 34 in Verbindung mit dem ersten Kanal 24 und einen Auslassdurchlass 36 in Verbindung mit dem zweiten Kanal 26, der gegenüber dem Einlassdurchlass 34 beabstandet ist, fest. D. h. der Einlassdurchlass 34 des ersten Kanals 24 ist durch den zweiten Steg 30 seitlich getrennt von dem Auslassdurchlass 36 des zweiten Kanals 26 beabstandet und diesem gegenüberliegend. Daher kann ein distales Ende 38 des ersten Kanals 24 direkt gegenüber dem Einlassdurchlass 34 durch eine Oberfläche S oder Füllung blockiert, z. B. versperrt, werden. Analog kann ein proximales Ende 40 des zweiten Kanals 26 direkt gegenüber dem Auslassdurchlass 36 ebenfalls durch eine ähnliche Oberfläche S wie in 2 gezeigt blockiert werden. Der Einlassdurchlass 34 weist während einem Betrieb eine messbare Einlasstemperatur T_in auf, und der Auslassdurchlass 36 weist während einem Betrieb eine messbare Auslasstemperatur T_out auf.
Unter Bezug auf 3 kann die erste Platte 22 der Wärmemanagement-Vorrichtung 14 auch mindestens einen zusätzlichen Kanal 42 festlegen, der von mindestens einem von erstem Kanal 24 und zweitem Kanal 26 beabstandet ist. D. h. die erste Platte 22 kann mehrere erste Kanäle 24 und/oder zweite Kanäle 26 festlegen. Bei Varianten, die mehrere erste Kanäle 24, 42 und/oder zweite Kanäle 26 umfassen, wechseln sich der erste Kanal 24 und der zweite Kanal 26 seitlich entlang der ersten Platte 22 ab. Wie zum Beispiel in 2 gezeigt ist, kann der zweite Kanal 26 zwischen zwei ersten Kanälen 24, 42 angeordnet sein. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann der erste Kanal 24 analog zwischen zwei zweiten Kanälen 26 angeordnet sein.
Unter Bezug auf 4 kann bei einer Variante mindestens einer von erstem Kanal 24 und zweitem Kanal 26 zwischen dem Einlassdurchlass 34 und dem Auslassdurchlass 36 verjüngt sein. Zum Beispiel kann der erste Kanal 24 von dem Einlassdurchlass 34 zu dem proximalen Ende 38 des ersten Kanals 24 zulaufen, d. h. in der Breite abnehmen. Zusätzlich oder alternativ kann sich der zweite Kanal 26 von dem proximalen Ende 40 des zweiten Kanals 26 zu dem Auslassdurchlass 36 weiten, d. h. in der Breite zunehmen. Auch wenn dies in 4 nicht gezeigt ist, kann sich der erste Kanal 24 umgekehrt von dem Einlassdurchlass 34 zu dem proximalen Ende 38 des ersten Kanals 24 weiten. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Kanal 26 von dem proximalen Ende 40 des zweiten Kanals 26 zu dem Auslassdurchlass 36 zulaufen. Bei einer nicht einschränkenden Variante läuft der erste Kanal 24 von dem Einlassdurchlass 34 zu dem proximalen Ende 38 des ersten Kanals 24 zu und der zweite Kanal 26 weitet sich von dem proximalen Ende 40 des zweiten Kanals 26 zu dem Auslassdurchlass 36. Bei dieser Variante sehen der erste Kanal 24 und der zweite Kanal 26 zusammen eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsverteilung durch jeden der Querströmungskanäle 46, 46B, 46C vor.
Eine Form des verjüngten ersten Kanals 24 und/oder des zweiten Kanals 26 kann durch zum Beispiel ein lineares, gerades Profil, ein nicht lineares, quadratisches Profil und/oder ein Profil höher Ordnung (d. h. Ordnung n > 4) festgelegt sein. Geeignete Formen des ersten Kanals 24 und/oder des zweiten Kanals 26 erreichen eine gleichmäßige Strömungsverteilung über jedem Querströmungskanal 46, 46B, 46C und können aus Strömungssimulationen unter Verwenden von Standardströmungssimulationssoftware erhalten und gewählt werden.
Unter erneutem Bezug auf 2 umfasst die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 auch eine zweite Platte 44, die für Wärmeenergieaustausch mit der Sekundärbatteriezelle 10 ausgelegt und in Kontakt mit der ersten Platte 22 angeordnet ist. Die zweite Platte 44 kann ebenfalls aus einem beliebigen geeigneten Material, z. B. Metall, gebildet werden und kann mit der ersten Platte 22 verbunden, z. B. an diese hartgelötet, werden. Die zweite Platte 44 legt einen Querströmungskanal 46 fest. Unter Bezug auf 3–5 kann der Querströmungskanal 46 im Wesentlichen senkrecht zu jedem von erstem Kanal 24 und zweitem Kanal 26 der ersten Platte 22 angeordnet werden, um dadurch den ersten Kanal 24 und den zweiten Kanal 26 miteinander zu verbinden, wie nachstehend näher dargelegt wird.
In einem Beispiel kann die zweite Platte 44 gestanzt sein, um den Querströmungskanal 46 zu bilden. D. h. dass unter Bezug auf 2 die zweite Platte 44 gestanzt und eine erste Aussparung 48 und eine zweite Aussparung 50 haben kann, die zusammen den Querströmungskanal 46 festlegen, so dass die zweite Platte 44 zum Stützen der Sekundärbatteriezelle 10 ausgelegt ist.
Unter Bezug auf 2–5 verbindet der Querströmungskanal 46 den ersten Kanal 24 und den zweiten Kanal 26 miteinander. D. h. der Querströmungskanal 46 kann zumindest teilweise durch die erste Platte 22 und die zweite Platte 44 konfiguriert sein, um einen durchgehenden Pfad (in 5 durch Fluidströmungspfeile FF bezeichnet) zwischen dem Einlassdurchlass 34 des ersten Kanals 24 und dem Auslassdurchlass 36 des zweiten Kanals 26 vorzusehen. D. h. bei einer Variante ist die erste Aussparung 48 (2) und die zweite Aussparung 50 (2) jeweils in Kontakt mit jedem von erstem Steg 28, zweitem Steg 30 und drittem Steg 32 angeordnet, um dadurch den Querströmungskanal 46 mit jedem von erstem Kanal 24 und zweitem Kanal 26 zu verbinden.
Wie in 2–5 gezeigt kann die zweite Platte 44 mehrere Querströmungskanäle 46, 46B, 46C festlegen. Zudem können die mehreren Querströmungskanäle 46, 46B, 46C jeweils im Wesentlichen senkrecht zu jedem von erstem Kanal 24, zweitem Kanal 26 und dem mindestens einen zusätzlichen Kanal 42 angeordnet sein. Bei Varianten, die mehrere erste Kanäle 24, 42, zweite Kanäle 26 und/oder Querströmungskanäle 46, 46B, 46C umfassen, kann also jeder Querströmungskanal 46, 46B, 46C im Wesentlichen senkrecht zu jedem ersten Kanal 24 und jedem zweiten Kanal 26 angeordnet werden, um dadurch ein Gitter von Verbindungskanälen zu bilden.
Unter Bezug nun auf 3 umfasst die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 bei einer Variante weiterhin eine zusätzliche erste Platte 22B. Die erste Platte 22 und die zusätzliche erste Platte 22B können im Wesentlichen identisch sein und können miteinander verbunden, z. B. aneinander hartgelötet, werden. D. h. unter Bezug auf 3, dass die zusätzliche erste Platte 22B ebenfalls gestanzt sein kann, um einen ersten Steg 28B, einen zweiten Steg 30B und einen dritten Steg 32B zu umfassen. Wie in 3 gezeigt können zudem die erste Platte 22 und die zusätzliche erste Platte 22B zueinander umgekehrt sein. Insbesondere unter Bezug auf 3 und 5 können die ersten Kanäle 24, 24B der jeweiligen ersten Platte 22 und zusätzlichen ersten Platte 22B miteinander verbunden sein, um einen ersten Hohlraum 52 (5) zwischen jedem der ersten Stege 28, 28B der ersten Platten 22, 22B zu bilden. Analog können die zweiten Kanäle 26, 26B der jeweiligen ersten Platte 22 und zusätzlichen ersten Platte 22B miteinander verbunden sein, um einen zweiten Hohlraum 54 (5) zwischen jedem der zweiten Stege 30, 30B der ersten Platten 22, 22B zu bilden.
Unter Bezug auf 3 kann bei dieser Variante die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 ein Phasenwechselmaterial 56 umfassen, das in mindestens einem von erstem Hohlraum 52 und zweitem Hohlraum 54 angeordnet ist. D. h. das Phasenwechselmaterial 56 kann in einem oder in beiden von erstem Hohlraum 52 und zweitem Hohlraum 54 angeordnet sein.
Der Begriff ”Phasenwechselmaterial”, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet ein Material, das Wärme absorbiert und abgibt, wenn das Material bei einer Schmelztemperatur T_m zwischen einer festen Phase und einer flüssigen Phase wechselt. Daher kann das Phasenwechselmaterial 56 auch als Latentwärmespeichermaterial bezeichnet werden. Das Phasenwechselmaterial 56 kann als Reaktion auf eine Temperatur T, die gleich von etwa der messbaren Einlasstemperatur T_in bis etwa der messbaren Auslasstemperatur T_out ist, zwischen der festen Phase und der flüssigen Phase wechseln. Wenn also während einem Betrieb die Temperatur T in dem ersten Kanal 24, dem zweiten Kanal 26 und dem Querströmungskanal 46, 46B, 46C, die miteinander verbunden sind, die Schmelztemperatur T_m des Phasenwechselmaterials erreicht, absorbiert das Phasenwechselmaterial 56 einen signifikanten Wärmebetrag ohne einen entsprechenden Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials 56, bis das Phasenwechselmaterial 56 von der festen Phase zur flüssigen Phase wechselt. Wenn umgekehrt während einem Betrieb die Temperatur T in dem ersten Kanal 24, dem zweiten Kanal 26 und dem Querströmungskanal 46, die miteinander verbunden sind, unter die Schmelztemperatur T_m des Phasenwechselmaterials 56 fällt, wird das Phasenwechselmaterial 56 fest und gibt gespeicherte latente Wärme ab.
Geeignete Phasenwechselmaterialien 56 können organische Phasenwechselmaterialien, anorganische Phasenwechselmaterialien und eutektische Phasenwechselmaterialien, einschließlich einer Kombination von organisch-organischen, organisch-anorganischen und/oder anorganisch-anorganischen Materialien, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Unter Bezug nun auf 5 ist ein Wärmemanagement-System zum Ableiten von Wärmeenergie von der Sekundärbatterie 12 (1) während einem Betrieb der Sekundärbatterie 12 allgemein bei 58 gezeigt. Das Wärmemanagement-System 58 umfasst die Sekundärbatteriezelle 10 mit einer messbaren ersten Temperatur T₁ während einem Betrieb. Die messbare erste Temperatur T₁ der Sekundärbatteriezelle 10 kann gleich von etwa 25°C bis etwa 40°C, z. B. von etwa 25°C bis etwa 35°C, sein.
Das Wärmemanagement-System 58 umfasst auch ein Fluid (in 5 durch Pfeile FF dargestellt) mit einer messbaren zweiten Temperatur T₂ während einem Betrieb, die niedriger als die messbare erste Temperatur T₁ ist. Das Fluid (Pfeile FF) kann ein Gas, wie etwa Luft, eine Flüssigkeit, wie etwa Kohlenwasserstoffkältemittel, oder Kombinationen derselben, wie etwa eine carbonisierte Flüssigkeit, sein. Das Fluid (Pfeile FF) kann ferner passiv oder aktiv in den ersten Kanal 24 umgewälzt werden. Das Fluid (Pfeile FF) kann zum Beispiel in den ersten Kanal 24 treiben oder kann durch einen Ventilator in den ersten Kanal 24 geblasen werden. Luft ist ein geeignetes Fluid (Pfeile FF) des Wärmemanagement-Systems 58.
Unter Bezug auf 5 ist das Fluid (Pfeile FF) mittels des Querströmungskanals 46, 46B, 46C von dem Einlassdurchlass 34 zu dem Auslassdurchlass 36 beförderbar, um dadurch Wärmeenergie (durch Pfeile H dargestellt) von der Sekundärbatterie 10 abzuleiten. D. h. der Querströmungskanal 46 kann das Fluid (Pfeile FF) von dem ersten Kanal 24 zu dem zweiten Kanal 26 befördern und den vorstehend erwähnten durchgehenden Pfad zwischen dem Einlassdurchlass 34 und dem Auslassdurchlass 36 bilden. Anders gesagt lässt der Querströmungskanal 46, 46B, 46C das Fluid (Pfeile FF) in einem Pfad, der allgemein durch Fluidströmungspfeile FF angezeigt ist, strömen. Der Querströmungskanal 46 lässt das Fluid (Pfeile FF) insbesondere von dem Einlassdurchlass 34 durch den ersten Kanal 24, über den zweiten Steg 30 zu dem zweiten Kanal 26 und von dem zweiten Kanal 26 zu dem Auslassdurchlass 36 strömen.
Unter Bezug auf 5 ist die zweite Platte 44 für Wärmeenergieaustausch mit der Sekundärbatteriezelle 10 ausgelegt. Zum Beispiel kann die zweite Platte 44 in Wärmeenergie-Austauschbeziehung mit jedem von Fluid (Pfeile FF) und Sekundärbatteriezelle 10 angeordnet sein. Insbesondere kann die zweite Platte 44 zwischen jeder von Sekundärbatteriezelle 10 und Fluid (Pfeile FF) angeordnet sein. D. h. eine im Wesentlichen flache Seite 60 der Sekundärbatteriezelle 10 kann in Wärmeenergie-Austauschbeziehung mit der Wärmemanagement-Vorrichtung 14 (2) treten, da sich die Sekundärbatteriezelle 10 entlang einer Länge L der Wärmemanagement-Vorrichtung 14 erstreckt. D. h. die zweite Platte 44 kann benachbart zu und/oder in Kontakt mit der Sekundärbatteriezelle 10 angeordnet sein, so dass die Wärmeenergie (Pfeile H), d. h. Wärme, von der Sekundärbatteriezelle 10 zu zweiten Platte 44 und von der zweiten Platte 44 zu dem Fluid (Pfeile FF) befördert werden kann. Wenn daher das Fluid (Pfeile FF) mittels des Querströmungskanals 46, 46B, 46C von dem ersten Kanal 24 zu dem zweiten Kanal 26 strömt, kann das Fluid (Pfeile FF) Wärmeenergie (Pfeile H) von der Sekundärbatteriezelle 10 ableiten und dadurch die Sekundärbatteriezelle 10 kühlen. Es versteht sich, dass der Einlassdurchlass 34 und der Auslassdurchlass 36 jeweils optimal bemessen werden können, um eine Sollmenge an Fluid (Pfeile FF) bei einem Solldruck durch den ersten Kanal 24 mittels des Querströmungskanals 46 zu dem zweiten Kanal 26 strömen zu lassen, um sowohl eine Übertragung von Wärmeenergie (Pfeile H) zu optimieren als auch einen Druckabfall des Fluids (Pfeile FF) zu minimieren. Und mindestens eine Wärmemanagement-Vorrichtung 14 kann an jeder Sekundärbatteriezelle 10 des Sekundärbatteriemoduls 18 (1) anliegen. D. h. eine Wärmemanagement-Vorrichtung 14 kann zwischen zwei benachbarten Sekundärbatteriezellen 10 des Sekundärbatteriemoduls 18 (1) sandwichartig eingeschlossen sein.
Während einem Betrieb der Sekundärbatterie 12 kann folglich eine Differenz ΔT zwischen der messbaren Einlasstemperatur T_in und der messbaren Auslasstemperatur T_out kleiner oder gleich etwa 10°C sein, während die messbare erste Temperatur T₁ in der Sekundärbatteriezelle 10 während einem Betrieb um kleiner oder gleich etwa 2°C schwanken kann. D. h. die messbare erste Temperatur T₁ in der Sekundärbatteriezelle 10 darf nicht um mehr als etwa 2°C variieren, so dass die Sekundärbatterie 12 (1) mit den mehreren Sekundärbatteriezellen 10 innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 25°C bis etwa 40°C arbeiten kann. Daher sieht der Querströmungskanal 46 eine ausgezeichnete Kühlung der Sekundärbatteriezellen 10 vor, minimiert eine unstete Temperaturverteilung und sieht daher eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung über der Sekundärbatteriezelle 10 vor.
Die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 und das Wärmemanagement-System 58, das die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 umfasst, sehen eine ausgezeichnete Temperatursteuerung für Sekundärbatterien 12 vor. D. h. die Wärmemanagement-Vorrichtung 14 samt System 58 sieht eine gleichmäßige Wärmeübertragung zwischen der Wärmemanagement-Vorrichtung 14 und der Sekundärbatteriezelle 10 vor und ermöglichen daher eine ausgezeichnete Temperatursteuerung der Sekundärbatterie während einem Betrieb. Insbesondere ermöglicht der Querströmungskanal 46 eine Wärmeleitung in der zweiten Platte 44, um eine gleichmäßige Temperatur T der Sekundärbatteriezelle vorzusehen, selbst wenn die messbare zweite Temperatur T₂ des Fluids (Pfeile FF) von dem Einlassdurchlass 34 zu dem Auslassdurchlass 36 steigt Ferner ermöglichen die Vorrichtung 14 und das System 58 für Wärmemanagement ein Luftkühlen der Sekundärbatterien 12. Der Querströmungskanal 46 ermöglicht auch verhältnismäßig größere Einlass- und Auslassanschlüsse 34, 36, um einen Druckabfall des Fluids (Pfeile FF) über der Sekundärbatteriezelle 10 und/oder der Sekundärbatterie 12 zu minimieren.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle, wobei die Wärmemanagement-Vorrichtung umfasst: eine erste Platte, die einen ersten Kanal und einen von dem ersten Kanal beabstandeten zweiten Kanal festlegt, wobei die erste Platte weiterhin einen Einlassdurchlass in Verbindung mit dem ersten Kanal und einen Auslassdurchlass in Verbindung mit dem zweiten Kanal und gegenüber dem Einlassdurchlass beabstandet festlegt; und eine zweite Platte, die für Wärmeenergieaustausch mit der Sekundärbatteriezelle ausgelegt und in Kontakt mit der ersten Platte angeordnet ist, um einen Querströmungskanal festzulegen, wobei der Querströmungskanal den ersten Kanal und den zweiten Kanal untereinander verbindet.
Wärmemanagement-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Querströmungskanal zumindest teilweise durch die erste Platte und die zweite Platte festgelegt ist, um zwischen dem Einlassdurchlass und dem Auslassdurchlass einen durchgehenden Pfad festzulegen.
Wärmemanagement-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Querströmungskanal im Wesentlichen senkrecht zu jedem von erstem Kanal und zweitem Kanal angeordnet ist.
Wärmemanagement-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer von erstem Kanal und zweitem Kanal zwischen dem Einlassdurchlass und dem Auslassdurchlass verjüngt ist.
Wärmemanagement-System zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatterie während einem Betrieb der Sekundärbatterie, wobei das Wärmemanagement-System umfasst: eine Sekundärbatteriezelle mit einer messbaren ersten Temperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie; ein Fluid mit einer messbaren zweiten Temperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie, die niedriger als die messbare erste Temperatur ist; und eine Wärmemanagement-Vorrichtung, umfassend; eine erste Platte, die einen ersten Kanal und einen von dem ersten Kanal beabstandeten zweiten Kanal festlegt, wobei die erste Platte weiterhin festlegt: einen Einlassdurchlass, der in Fluidströmungsverbindung mit dem ersten Kanal steht und eine messbare Einlasstemperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie aufweist, und einen Auslassdurchlass, der in Fluidströmungsverbindung mit dem zweiten Kanal steht, gegenüber dem Einlassdurchlass beabstandet ist und eine messbare Auslasstemperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie aufweist; und eine zweite Platte, die für Wärmeenergieaustausch mit der Sekundärbatteriezelle ausgelegt und in Kontakt mit der ersten Platte angeordnet ist, um einen Querströmungskanal festzulegen, wobei der Querströmungskanal den ersten Kanal und den zweiten Kanal untereinander verbindet; wobei das Fluid mittels des Querströmungskanals von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass beförderbar ist, um dadurch Wärmeenergie von der Sekundärbatteriezelle abzuleiten.
Wärmemanagement-System nach Anspruch 5, wobei eine Differenz zwischen der messbaren Einlasstemperatur und der messbaren Auslasstemperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie kleiner oder gleich etwa 10°C ist.
Wärmemanagement-System nach Anspruch 5, wobei die zweite Platte in Wärmeenergie-Austauschbeziehung mit jedem von Fluid und Sekundärbatteriezelle angeordnet ist.
Wärmemanagement-System nach Anspruch 5, wobei die messbare erste Temperatur während einem Betrieb der Sekundärbatterie gleich von etwa 25°C bis etwa 40°C ist.
Wärmemanagement-System nach Anspruch 5, wobei der Querströmungskanal im Wesentlichen senkrecht zu jedem von erstem Kanal und zweitem Kanal angeordnet ist.
Wärmemanagement-System nach Anspruch 5, wobei die zweite Platte mehrere Querströmungskanäle festlegt.