DE102012200401A1

DE102012200401A1 - Batterie für ein Batteriemodul eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges

Info

Publication number: DE102012200401A1
Application number: DE201210200401
Authority: DE
Inventors: Josef Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Es wird eine Batterie (8) für ein Batteriemodul (9) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges mit zumindest einer Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) und mit einer Einrichtung zum Temperieren der Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) vorgeschlagen, wobei als Einrichtung zum Temperieren zumindest eine Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) vorgesehen ist, die mit zumindest einem ersten Abschnitt (4) direkt der Oberfläche zumindest einer Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) und mit zumindest einem zweiten Abschnitt (5) einer Kühl- oder Heizeinrichtung (6) zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2008 044 169 A1 ist ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das aufladbare Batteriemodul umfasst ein Gehäuse aus Kunststoff zur Aufnahme von Batterien mit mehreren in Reihe verbundenen Zellen. Innerhalb des Gehäuses sind so genannte Finnen aus Kupfer angeordnet, die zwischen Zellen der Batterie angeordnet sind. Die Finnen sind Mittel zum Temperieren, d. h., zum Kühlen oder Erwärmen der Zellen, weil diese Wärme zum Erwärmen zu den Zellen leiten oder Wärme zum Kühlen von den Zellen ableiten. Als weiteres Mittel zum Temperieren ist ein Wärmerohr vorgesehen, welches zum einen mit einem Fluidkreislauf und zum anderen mit einer Platte aus Kupfer verbunden ist, die wiederum mit den Finnen wärmeleitend verbunden ist. Dazu sind an einem oberen Ende der Zellen die Finnen mit der Platte thermisch und mechanisch verbunden. Die Platte ist wiederum thermisch und mechanisch mit dem Wärmerohr verbunden.
Bei dem bekannten Batteriemodul ergibt sich der Nachteil, dass sich durch die Wärmeleitung zwischen den Zellen und dem Wärmerohr entlang der Finnen und der Platte ein hoher Wärmegradient und damit eine hohe Temperaturdifferenz einstellt. Dadurch ergibt sich auch ein Temperaturunterschied in den Zellen, so dass Teilbereiche der Zellen nicht die optimale Temperatur erreichen, sondern entweder zu warm oder zu kalt sind. Dies reduziert nicht nur die Lebensdauer, sondern auch die Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls. Darüber hinaus ist der Aufbau des bekannten Batteriemoduls aufgrund der erforderlichen Finnen und der Platte aufwändig und kostenintensiv.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batterie der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, welche ein geringes Gewicht aufweist und Temperaturunterschiede innerhalb der Zellen und zwischen Zellen der Batterie minimiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wobei sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen sowie der dazugehörigen Beschreibung ergeben.
Es wird eine Batterie z. B. eines Batteriemoduls eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges vorgeschlagen, wobei unter dem Begriff Batterie auch aufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren zu verstehen sind. Die erfindungsgemäße Batterie umfasst mehrere Zellen und als Einrichtung zum Temperieren der Zellen zumindest eine Wärmerohrplatine, mit der die Zellen gekühlt oder erwärmt werden können, ohne dass die Wärme durch Wärmeleitung sondern durch Verdampfung und Kondensation eines geeigneten Arbeitsmediums übertragen wird. Dadurch, dass die Wärmerohrplatine zumindest abschnittsweise direkt an der Oberfläche der zu kühlenden oder zu wärmenden Zelle liegt, können große Wärmemengen bei minimierten Temperaturunterschieden übertragen werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmerohrplatine ersetzt die bei bekannten Batterien verwendeten Finnen aus massivem Kupfer oder Aluminium. Dadurch kann zum einen das Gewicht der Batterie reduziert werden und ferner ein Temperaturunterschied innerhalb einer Zelle und auch zwischen den Zellen der Batterie sowie zwischen den Zellen und der Kühl- bzw. Heizeinrichtung verringert werden. Somit wird ein gleichmäßiges Temperieren der Zellen erreicht, wodurch nicht nur die Leistungsfähigkeit, sondern auch die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Batterieanordnung erhöht wird.
Als äußere Form der Wärmerohrplatine kann vorzugsweise eine bereichsweise plattenförmige Ausgestaltung zumindest im Bereich des ersten Abschnittes vorgesehen sein. Durch diese äußere Form werden die sonst vorgesehenen Finnen und Platten durch die Wärmerohrplatine ersetzt und die Wärmerohrplatine steht auf einfache Weise direkt mit den zu kühlenden oder zu erwärmenden Zellen in Kontakt. Beispielsweise können die Zellen als so genannte Coffee-Bagzellen eines Lithium-Ionen-Akkumulators oder dergleichen ausgeführt sein. Bei derartigen beutelartigen Zellen bietet sich besonders an, dass der plattenförmige Abschnitt der Wärmerohrplatine zwischen zwei Coffee-Bagzellen angeordnet ist, so dass gleichzeitig zwei Zellen gekühlt oder erwärmt werden können.
Der zweite Abschnitt der Wärmerohrplatine kann gemäß einer nächsten Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise an einem Ende der Wärmerohrplatine vorgesehen sein. Damit wird neben der plattenförmigen Ausgestaltung im Bereich des ersten Abschnittes an einem Ende der Wärmerohrplatine zum Beispiel ein fußartiger Bereich oder dergleichen gebildet, der konstruktiv einfach mit einer Kühl- oder Heizeinrichtung direkt oder indirekt verbunden sein kann. Je nachdem, ob die Zellen gekühlt oder erwärmt werden sollen, bildet der erste Abschnitt die Verdampfungszone und der zweite Abschnitt die Kondensationszone oder umgekehrt. Der beispielsweise fußartig ausgeführte zweite Abschnitt kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig zur Befestigung der Wärmerohrplatine dienen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Innenraum der Wärmerohrplatine so ausgeführt ist, dass zum Beispiel u. a. mittels Kapillareffekt ein Transport des enthaltenen Arbeitsmediums zwischen den beiden Abschnitten bzw. Zonen ermöglicht wird. Hierzu können ein zusätzliches Material und/oder eine besondere Innenoberflächengestaltung des Rohres vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Innenoberfläche mit einer Sinter-, Netz- oder Rillenkapillarstruktur versehen sein.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Wärmerohrplatine so ausgelegt wird, dass elektrischer Strom nicht übertragen werden kann. Dazu kann die Wärmerohrplatine zumindest abschnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt sein. Somit ist kein zusätzlicher externer, die Wärmeübertragung behindernder Isolator zwischen der Wärmerohrplatine und der Kühl- bzw. Heizeinrichtung erforderlich.
Die Wärmerohrplatine der erfindungsgemäßen Batterieanordnung kann neben den beiden vorgesehenen Abschnitten weitere Abschnitte aufweisen. Insbesondere ist es auch denkbar, dass eine Wärmerohrplatine mehrere erste Abschnitte und mehrere zweite Abschnitte aufweist, um zum Beispiel mehrere Zellenpaare zu kühlen oder zu erwärmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls mit mehreren erfindungsgemäßen Batterien für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug; und
2 eine schematische Teilansicht einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterie.
In 1 ist beispielhaft ein Batteriemodul 9 vorzugsweise für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit zum Beispiel drei Batterien 8 in einem Modulgehäuse 10 gezeigt, während 2 eine vergrößerte Detailansicht einer der Batterien 8 des Batteriemoduls 9 als mögliche Ausgestaltung darstellt.
Jede Batterie 8 umfasst mehrere Zellen 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die dargestellte Batterie 8 ist ausschnittsweise gezeigt, wobei sechs Zellen 1 bis 1E der Batterie 8 gezeigt sind. Die Zellen 1 bis 1E sind beispielhaft in Form von Coffeebagzellen ausgeführt. Bei der dargestellten Ausführungsvariante sind jeweils zwei benachbarte Zellen 1–1A, 1B–1C, 1D–1E der Batterie 8 einer Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B zum Kühlen oder Erwärmen der Zellenpaare zugeordnet. Die Zellen 1 bis 1E der Batterieanordnung sind in einem nur angedeuteten Gehäuse 3 gehalten.
Jede Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B weist bei dieser Ausführungsvariante einen etwa plattenförmigen ersten Abschnitt 4 auf, der jeweils direkt an den Oberflächen der beiden benachbarten Zellen 1–1A, 1B–1C, 1D–1E anliegt. Ferner weist jede Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B einen zweiten Abschnitt 5 auf, der einer Kühl- oder Heizeinrichtung 6 direkt oder indirekt zugeordnet ist. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante ist der zweite Abschnitt 5 als fußförmiger Bereich der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B ausgeführt. Der fußförmige Bereich der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B ist direkt mit der Kühl- oder Heizeinrichtung 6 verbunden.
Um die Zellen aus Sicherheitsgründen elektrisch von der Kühl- oder Heizeinrichtung 6 zu isolieren, ist vorgesehen, dass die Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B abschnittsweise mit einem elektrisch nicht leitenden Material versehen ist. Bei der gezeigten Ausführungsvariante ist dazu jeweils ein elektrischer Isolator 7 vorgesehen, der in jede Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B integriert ist und derart angeordnet ist, dass der erste Abschnitt 4 und der zweite Abschnitt 5 elektrisch voneinander isoliert sind. Dadurch wird eine Übertragung von elektrischer Energie zwischen den jeweiligen Zellen 1 bis 1E und der Kühl- oder Heizeinrichtung 6 bzw. der weiteren Umgebung vermieden, ohne dass dabei der durch Verdampfen und Kondensation erfolgte Wärmetransport in der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B behindert wird.
Wenn beispielsweise die Zellenpaare gekühlt werden sollen, bildet der erste Abschnitt 4 jeder Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B die Verdampfungszone, so dass das in dem Innenraum der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B enthaltene Arbeitsmedium verdampft wird. Das Arbeitsmedium gelangt aufgrund geringer Druckunterschiede im Innenraum der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B zu dem zweiten Abschnitt 5, so dass das Arbeitsmedium am zweiten Abschnitt 5 der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B als Kondensationszone kondensieren kann. In diesem Fall ist der zweite Abschnitt 5 als Wärmesenke einer Kühleinrichtung 3 zugeordnet. Die Kühleinrichtung 6 kann durch Luft, Kühlmittel, Kältemittel oder dergleichen das Arbeitsmedium in der Wärmerohrplatine kühlen, um das Arbeitsmedium zu kondensieren.
Wenn beispielsweise die Zellenpaare erwärmt werden sollen, bildet der zweite Abschnitt 5 jeder Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B die Verdampfungszone, indem der zweite Abschnitt 5 einer Heizeinrichtung 6 zugeordnet ist. Als Wärmequelle kann beispielsweise die Abwärme des Fahrzeugmotors oder eine elektrische Zusatzheizung verwendet werden. Das Arbeitsmedium kann im Inneren der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B zum ersten Abschnitt 4 strömen. Der erste Abschnitt 4 der Wärmerohrplatine 2, 2A, 2B bildet in diesem Fall die Kondensationszone, so dass Wärme an die direkt anliegenden Zellen 1, 1A abgegeben wird, um diese zu erwärmen.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E: Zelle
2, 2A, 2B: Wärmerohrplatine
3: Gehäuse der Batterie
4: erster Abschnitt der Wärmerohrplatine
5: zweiter Abschnitt der Wärmerohrplatine
6: Kühl- oder Heizeinrichtung
7: elektrischer Isolator
8: Batterie
9: Batteriemodul
10: Modulgehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008044169 A1 [0002]

Claims

Batterie (8) für ein Batteriemodul (9) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, mit zumindest einer Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) und mit einer Einrichtung zum Temperieren der Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E), dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zum Temperieren zumindest eine Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) vorgesehen ist, die mit zumindest einem ersten Abschnitt (4) direkt der Oberfläche zumindest einer Zelle (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) und mit zumindest einem zweiten Abschnitt (5) einer Kühl- oder Heizeinrichtung (6) zugeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Abschnitt (4) der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) etwa plattenförmig ausgeführt ist.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (4) der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) zwischen zwei Zellen (1–1A, 1B–1C, 1D–1E) einer als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführten Batterie (8) angeordnet ist.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (5) der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) an einem Ende der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) zum Befestigen an der Kühl- oder Heizeinrichtung (6) vorgesehen ist.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (4) als Verdampfungszone und der zweite Abschnitt (5) als Kondensationszone in der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) zum Kühlen der Zellen (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) ausgeführt sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (4) als Kondensationszone und der zweite Abschnitt (5) als Verdampfungszone in der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) zum Heizen der Zellen (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E) ausgeführt sind.
Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) zumindest abschnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt ist.
Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt aus elektrisch nicht leitendem Material als elektrischer Isolator (7) zwischen dem ersten Abschnitt (4) und dem zweiten Abschnitt (5) in der Wärmerohrplatine (2, 2A, 2B) vorgesehen ist.