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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr aus einem Energiespeicher gemäß dem Hauptanspruch.
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Insbesondere in Fahrzeugen entsteht bei einer Energielieferung aus einem chemischen Energiespeicher (wie beispielsweise einer Batterie) eine hohe Abwärme durch die Wandlung der chemisch gespeicherten Energie in elektrische Energie. Um eine korrekte Funktion des Energiespeichers sicherzustellen sollte diese hohe Abwärme möglichst schnell und mit technisch einfachen Mitteln abgeführt werden. Hierbei können beispielsweise Ansätze verwendet werden, die besondere Vorkehrungen auf der Seite der Zellen, d. h. der Energiespeicher aufweisen. Ein solcher Ansatz ist beispielsweise in der
DE 10 2007 016 944 A1 offenbart. Auch sind Sammelplatinen zur Zellkontaktierung bekannt, wie sie beispielsweise im Bereich des Modellbaus Stand der Technik sind. So bieten Internethändler insbesondere vorkonfektionierte Li-Ion Zellpacks an, die in der Regel aus mehreren über eine Platine in Serie geschalteten Zellen bestehen. Ferner können beispielsweise Ansätze zur Wärmeabfuhr verwendet werden, bei der Vorkehrungen für einen möglichst effizienten Wärmeabtransport auf Seiten der Kontaktierungsplatine implementiert sind. Beispielsweise können Metallkernplatinen in unterschiedlichsten Varianten verwendet werden, wie sie ebenfalls bereits Stand der Technik sind.
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Häufig verbreitet ist auch eine Kühlung des Zellmantels über Luft. Nachteilig bei einer Luftkühlung sind Bauraum und Verschmutzungsaspekte. Die
DE 10 2007 016 944 A1 , die ein Kühlerblech für Batteriezellen offenbart, beschreibt u. a. eine Kühlung über Metallbleche, wobei für den Wärmeleitpfad ein separates Element verwendet wird. Zusätzliches Gewicht und erhöhter Bauraumbedarf sind die Folgen.
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Eine Kühlung über die elektrischen Ableiter macht jedoch eine Wärmeübergangsfläche zwischen Kühler und Ableiter notwendig, die großzügig dimensioniert sein muss, um die Wärmestromdichten soweit zu verringern, dass ein ausreichend kleiner Temperatursprung realisiert werden kann. Nachteilig ist in diesem Fall, dass
- 1. Ableiterseitig diese vergrößerten Flächen mit Kupfer (was einen hohen Preis zur Folge hat) dargestellt werden müssen;
- 2. durch die größere Fläche die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen Kühler und Ableiter steigt; und
- 3. die elektrische Kontaktierung der Ableiter und die thermische Anbindung in unterschiedlichen Prozessschritten und durch ein Mehr an Bauteilen in der Montage-Linie (z. B. Distanzstücke/Folie zwischen Kühler und Ableiter) herbeigeführt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmeabfuhr aus einem Energiespeicher zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr aus einem Energiespeicher einer Energiespeichereinheit, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- – eine Zellverbinderplatine, die einen Metallkern und eine auf dem Metallkern angeordnete Isolationsschicht aufweist, wobei die Zellverbinderplantine zumindest eine Öffnung zur Aufnahme eines Ableiters des Energiespeichers aufweist, wobei die Zellverbinderplatine ferner einen Kontaktierungsbereich aufweist, in dem die Isolationsschicht eine Isolationsschichtöffnung aufweist; und
- – ein Wärmeaufnahmeelement, das im Kontaktierungsbereich durch die Isolationsschichtöffnung thermisch mit dem Metallkern gekoppelt ist, wobei das Wärmeaufnahmeelement ausgebildet ist, um Wärme vom Metallkern aufzunehmen und an eine Wärmesenke abzuführen.
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Unter einer Zellverbinderplatine ist eine Platine zu verstehen, die eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen (oder Energiespeichern) ermöglicht. Unter einem Wärmeaufnahmeelement kann ein Element verstanden werden, das beispielsweise durch ein Rohr gebildet ist, welches von einem Kühl- oder Kältemittel durchflossen wird, um Wärme aufzunehmen und zu einer Wärmesenke zu transportieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeaufnahmeelement auch durch einen Metallstreifen mit deutlich größerer Dicke wie der metallkern der Zellverbinderplatine enthalten, um einen möglichst geringen Wärmeleitwiderstand zu bieten. Unter einem Ableiter ist ein elektrisch leitfähiges und Wärme-leitfähiges Element zu verstehen, das eine Kontaktierung des Energiespeichers sowohl in thermischer als auch in elektrischer Hinsicht ermöglicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kombination aus Ableiter und Zellverbinderplatine, insbesondere der Metallkern der Zellverbinderplatine dann besonders gut zur Abfuhr von Abwärme aus den Energiespeichern als Wärmeübertragungselement verwendet werden kann, wenn das Wärmeaufnahmeselement direkt mit dem Metallkern thermische verbinden ist. Da Metall üblicherweise einen höheren thermischen Leitwert hat, als das Material der Isolationsschicht kann auch diese Weise der Wärmetransport von einem Energiespeicher über den zugehörigen Ableiter auf den Metallkern erfolgen, von wo aus die Wärme über das Wärmeaufnahmeelement zur Wärmesenke abgeführt wird. Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass ein derartig ausgelegter Wärmepfad einen möglichst geringen Weg durch ein Isolationsmaterial nimmt, welches meist einen hohen Wärmewiderstand bildet. Die in dem Energiespeicher entstehende und abzuführende Wärme kann hierdurch schnell vom Energiespeicher abtransportiert werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in der zumindest einen Öffnung ein Isolationselement, insbesondere eine Isolationshülse angeordnet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders guten elektrischen Isolation des Ableiters gegenüber dem Metallkern der Zellverbinderplatine, wobei insbesondere durch eine dünne Ausgestaltung der Wand des Isolationselementes dennoch eine gute Wärmeübertragungsfähigkeit sichergestellt werden kann.
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Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Isolationsschicht auf einer Hauptoberfläche des Metallkerns aufgebracht ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders guten thermischen und auch elektrisch isolierenden Abdeckung des Metallkerns, so dass Abwärme effizient über den Metallkern zum Wärmeaufnahmeelement geführt werden kann.
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Um eine weiter verbesserte elektrische und thermische Isolation des Metallkerns und damit einhergehend eine bessere Führung der Abwärme in dem Metallkern zu dem Wärmeaufnahmeelement zu ermöglichen, kann die Zellverbinderplatine an einer der Isolationsschicht gegenüberliegenden Hauptoberfläche eine weitere Isolationsschicht aufweisen.
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Ein besonders sicherer und thermisch gut leitender Wärmeübertragungspfad kann dann sichergestellt werden, wenn der Metallkern und/oder das Wärmeaufnahmeelement aus Metall besteht oder ein metallisches Material umfasst und/oder wenn das Wärmeübertragungselement unter Verwendung eines Klebematerials mit dem Metallkern verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Energiespeichereinheit mit folgenden Merkmalen:
- – einer Vorrichtung, wie sie in einer Variante vorstehend beschrieben wurde, wobei die Zellverbinderplatine der Vorrichtung zwei Öffnungen aufweist; und
- – zumindest zwei Energiespeichern mit je einem Ableiter, wobei jeder der Ableiter zur Leitung von Wärme und elektrischer Energie ausgebildet ist, wobei jeder der Ableiter durch eine andere der Öffnungen der Zellverbinderplatine geführt ist und wobei insbesondere die Ableiter auf derjenigen Seite der Zellverbinderplatine miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind, an der sich die Isolationsschicht auf dem Metallkern befindet.
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Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer elektrischen Verbindung von zumindest zwei Ableitern von zwei unterschiedlichen Energiespeichern, wobei über die Ableiter abzuführende Wärme aufgrund der Durchführung der Ableiter durch je eine andere Öffnung effizient an den Metallkern der Zellverbinderpaltine übertragen werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ableiter der zumindest zwei Energiespeicher unter Verwendung einer Ableiterbrücke stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet sind. Auf diese Weise kann einerseits eine gute thermische als auch eine gute elektrische Verbindung zwischen den Ableitern hergestellt werden, wobei zugleich auch eine mechanisch stabile Verbindung der Ableiter mit der Zellverbinderplatine und somit eine sichere Fixierung der Energiespeicher durch die Vorrichtung gewährleistet wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Energiespeichereinheit mit folgenden Merkmalen:
- – einer Vorrichtung wie sie in einer Variante vorstehend beschrieben wurde; und
- – zumindest zwei Energiespeichern mit je einem Ableiter, wobei die Ableiter zur Leitung von Wärme und elektrischer Energie ausgebildet sind und durch eine gemeinsame Öffnungen der Zellverbinderplatine geführt sind und wobei insbesondere die Ableiter der Energiespeicher auf derjenigen Seite der Zellverbinderplatine mittels Lötverbindung miteinander verbunden sind, an der sich die Isolationsschicht auf dem Metallkern befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich eine Haupterstreckungsrichtung des Wärmeaufnahmeelementes von einer Haupterstreckungsrichtung der Ableiter unterscheiden, insbesondere wobei die Haupterstreckungsrichtung des Wärmeaufnahmeelementes zur Haupterstreckungsrichtung der Ableiter rechtwinklig ausgerichtet ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders stabilen Energiespeichereinheit. Zugleich kann auch eine optimale Abfuhr von Wärme aus den Energiespeichern ermöglicht werden, da der Wärmeübertragungspfad durch den Metallkern gering gehalten werden kann.
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Besonders günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Metallkern von zumindest einem der Ableiter, insbesondere von beiden Ableitern elektrisch isoliert ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Ableiter sowohl eine elektrische als auch thermische Anbindung der Energiespeicher ermöglicht wird.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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2a eine weitere Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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2b eine weitere Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine Draufsicht-Darstellung auf einen Teilbereich eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszechen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elements weggelassen wird.
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Lösungen zur Wärmeabführung aus Energiespeichern im Stand der Technik, insbesondere bei Batterien, erfüllen die realen Anforderungen nur unzureichend, da eine in die Zellverbinderplatine integrierte Wärmesenke nicht vorgesehen ist. Abgezielt wird beim Stand der Technik auf die elektrische Kontaktierung der Zellen; die thermische Anbindung bleibt bei den bestehenden Zellverbinderplatinen außen vor. Es wird daher in dieser Anmeldung eine Zellverbinderplatine mit Wärmesenkenanbindung offenbart. Das Ziel des hier vorgestellten Ansatzes besteht somit darin, ein Ableiten von Wärme aus einer planaren Batteriezelle mit dem Schwerpunkt der Wärmeabfuhr über die elektrischen Ableiter zu ermöglichen. Ferner wird auch eine Verteilung von Wärme auf eine größere Fläche, zwecks Reduktion des Wärmeübergangswiderstandes ermöglicht. Ebenfalls möglich ist eine Vereinfachung der Montage einer Batterie, durch Bauteilreduktion in der Montagelinie. Für die Lösung dieses Ziels wurde die planare Form der Batteriezeilen vorausgesetzt und ausgenutzt.
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Die planare Form erlaubt die Bildung eines Zellstapels; zur Ableitung von Abwärmen werden die Ableiterfahnen der Zelle genutzt, da diese für Hochstromtaugliche Anwendungen, wie sie beispielsweise in Hybrid oder reinen Elektrofahrzeugen ausgeführt werden, einen für die Wärmeleitung ausreichenden Querschnitt aufweisen, insbesondere da gleichzeitig geringe Übergangswiderstände im thermischen Pfad bis zur Anbindung an eine Wärmesenke vorliegen. Die Ableiterfahnen der Zellen werden seitlich aus den Zellen herausgeführt und über eine Sammelplatine elektrisch kontaktiert.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Eine (Zellverbinder-)Platine 10 besteht entsprechend der Darstellung aus 1 aus einem elektrisch isolierend wirkendem Grundmaterial 1 beispielsweise FR4, einem elektrisch und thermisch gut leitfähigem Kernmaterial 2, und Brückenelementen 3 (Ableiterbrücken), die die Zellen 4a untereinander kontaktieren. Die Zellen 4a sind mit ihren Ableitern 4b durch Öffnungen 4c in der Platine mittels Lot an die Ableiterbrücken 3 thermisch und elektrisch angebunden. Um Kurzschlüsse über den Metallkern 2 zu vermeiden, sind die Durchbrüche an der Platine mit Isolationshülsen 6 ausgekleidet.
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Ein Füllmaterial 7 zwischen den Zellen 4a gewährleistet eine begrenzte mechanische Festigkeit (unter Ausbildung einer Vorspannung) bei gleichzeitiger Wahrung von toleranzausgleichenden Spalten; Spalte sind unter Umständen notwendig, da sich Fertigungstoleranzen der Zelle in einem Zellstapel aufaddieren können und in der Folge eine definierte Positionierung zur Sammelplatine und zur Gesamtkonstruktion nicht mehr dargestellt werden kann.
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2a und 2b zeigt, in Ergänzung zu 1, weitere Schnittdarstellungen eines Teilbereichs eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist eine die Kontaktierung von zwei Zellen über deren jeweilige Ableiter 4b innerhalb einer gemeinsamen Platinenaussparung 4c (Öffnung) gezeigt. In diesem Fall kann auf Ableiterbrücken verzichtet werden, jedoch reduziert sich die für den Wärmeübergang zwischen Kühler und elektrischem Pfad förderliche Fläche.
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Für eine optimale Anbindung der Kühlung wird nun das Wärmeaufnahmeelement 8 auf einen besonderen Bereich der Zellverbinderplatine aufgesetzt. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Platinenkühlung. Die elektrisch auf Potential liegenden Ableiter 4b mit Lötminiskus 5 sind räumlich getrennt von der in 3 nicht dargestellten Wärmesenke (die über das Wärmeaufnahmeelement 8 thermisch kontaktiert ist). Dabei befindet sich das Wärmeaufnahmeelement 8 auf einem von der Isolationsschicht) 1 befreiten, freiliegenden Metallkern 2 der Zellverbinderplatine 10.
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Die thermische Anbindung des vorzugsweise metallischen Wärmeaufnahmeelementes 8 hin zur Wärmesenke, die mittels des in der 3 gezeigten Wärmeaufnahmeelementes verfolgt, an den elektrisch nicht auf Potential liegenden Metallkern 2 ist vorzugsweise durch eine Klebung bzw. Klebefolie oder alternativ durch eine kraft- und oder formschlüssige Verbindung realisiert (z. B. Blindniet, wobei im Nietfall entsprechende Bohrungen im Kühler oder an vorgehaltenen Befestigungspunkten vorzusehen sind).
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Alternativ zur vorstehend beschriebenen Lösung wäre auch eine Direktkühlung/Durchströmung des Metallkerns denkbar; jedoch wäre eine solche Lösung deutlich kostenintensiver als der vorstehend vorgeschlagene Ansatz.
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Der vorstehend offenbarte Ansatz bietet dagegen den Vorteil, dass es bei einfachster Zell- bzw. Ableitergeometrie möglich ist, die fuktionalen Aufgaben der Wärmeverteilung zwecks flächiger Übergabe an eine Wärmesenke als auch der Zellkontaktierung zusammenzufassen.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolationsschicht
- 2
- Metallkern
- 3
- Ableiterbrücke
- 4a
- Zellen, Energiespeicher
- 4b
- Ableiter
- 4c
- Öffnungen in der Zellverbinderplatine
- 5
- Lot
- 6
- Isolationshülse
- 7
- Füllmaterial
- 8
- Wärmeaufnahmeelement, Wärmesenke
- 10
- Zellverbinderplatine
- 11
- Vorrichtung zur Wärmeabfuhr aus einem Energiespeicher einer Energiespeichereinheit
- 12
- Energiespeichereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016944 A1 [0002, 0003]
