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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlfinne zum Kühlen einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle, eine Energiespeicher-/-wandeleinheit, die eine derartige Kühlfinne umfasst, sowie ein Batteriemodul aus mindestens zwei der genannten Energiespeicher-/-wandeleinheiten.
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Anforderungen an Energiespeicher für Kraftfahrzeuge sind unterschiedlich, denn je nach Fahrzeugtyp, beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeug, werden hohe Leistungs- und/oder Energiedichten bei einem möglichst kleinen Bauraum des Energiespeichers verlangt. Die genannten Anforderungen werden unter anderem mit Lithium-Ionen-Zellen als eine mögliche elektrochemische Energiequelle erfüllt. Insbesondere bei Hybridanwendungen entsteht während eines Betriebs aufgrund hoher Lade- und Entladeströme in zeitlich sehr kurzer Abfolge in den Zellen Wärme durch Innenwiderstand der Zellen und Stromfluss. Die entstehende Wärme muss für eine optimale Funktion, hohe Lebensdauer und Sicherheit im Betrieb der einzelnen Zellen möglichst gut an eine Umgebung der Zellen abgegeben, also eine entstehende Wärmemenge möglichst zielgerichtet abgeführt werden. Hierbei soll eine möglichst starke Wärmesenke geschaffen werden, die sich mit einem möglichst geringen thermischen Widerstand zwischen einer Wärmequelle, also der elektrochemischen Zelle, und der Wärmesenke realisieren lässt, wobei die Wärmesenke im weitesten Sinne als Kühlkreislauf anzusehen ist.
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Eine Möglichkeit der Wärmeabführung für das Kühlen der elektrochemischen Zellen ist das Verbinden der Zellen durch eine Verklebung mit einem Kühlkörper, bevorzugt einer Kühlfinne, der beispielsweise flächig von einem Kühlmedium durchströmt wird. Aus dem Stand der Technik bekannte Kühlfinnen beschriebener Art, die in Aluminiumstrangpressverfahren hergestellt werden, weisen in der Regel ein verhältnismäßig hohes Gewicht auf, und bringen die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zwischen einzelnen elektrochemischen Zellen sowie bei Hochspannungsbatterien auch die Gefahr eines elektrischen Durchschlags von der Zelle zu den Kühlfinnen bei einer unzureichenden Isolation mit sich. Auch ist die Herstellung solcher bekannter Kühlfinnen mit nachteilig hohen Kosten verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlstruktur vorzusehen, die die genannten Nachteile oder zumindest verringert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlfinne nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die vorgeschlagene Kühlfinne zum Kühlen einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle umfasst einen flächigen Grundkörper. Der flächige Grundkörper dient einem thermischen Koppeln mit mindestens einer Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Der Grundkörper weist außerdem mindestens einen Kühlkanal zum Abführen von Wärme durch ein Kühlmedium auf. Zumindest Teile des Grundkörpers sind hierbei aus einem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt. Dieses Material bildet mindestens einen Teil einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers, wobei die genannte äußere Oberfläche der thermischen Kopplung mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle dient.
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Der Grundkörpers kann teilweise oder vollständig aus dem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper mit mindestens einer Wand ausgestattet, die sich vom Kühlkanal zu der äußeren Oberfläche erstreckt, welche zum direkten körperlichen Kontakt mit der Zelle vorgesehen ist, wobei die Wand aus dem elektrisch isolierenden, aber dennoch wärmeleitenden Material gefertigt ist. Durch die Wand kann dann Wärme transportiert werden, wobei die Wand gleichzeitig zur elektrischen Isolation dient.
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Die vorgeschlagene Kühlfinne ermöglicht eine zuverlässige Wärmeabfuhr, gewährleistet eine hohe Durchschlagsfestigkeit und die kostengünstig herzustellen ist. Insbesondere ergibt sich eine höhere Sicherheit dadurch, dass zumindest Teile des Grundkörpers nicht leitend sind und daher die Kurzschlussgefahr im Falle eines Aufschlags stark verringert ist.
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Dadurch, dass der Grundkörper flächig ausgebildet ist, also mit einer im Verhältnis zum Volumen großen Oberfläche, die einer Kontaktierung mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle dient, ist es möglich, die elektrochemische oder elektrostatische Zelle mit einem Großteil ihrer Oberfläche mit der Kühlfinne thermisch zu koppeln und entstehende Wärme durch die thermische Kopplung abzuleiten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zumindest für Teile des Grundkörpers und insbesondere zur Bildung der zur thermischen Kopplung dienenden Oberfläche ein zwar wärmeleitendes, aber elektrisch isolierendes Material verwendet werden kann, sofern der Kühlkanal in dem Grundkörper von dem Kühlmedium durchströmt wird und somit die Wärme effizient abführt. Dadurch, dass insbesondere der Teil der äußeren Oberfläche, der in Kontakt mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle kommt und somit Wärme von der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle aufnehmen kann, aus dem genannten Material besteht, ist eine elektrische Isolierung gegenüber der angrenzenden elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle sichergestellt. Insbesondere werden dadurch bei Zellen im Softpackdesign in Aluminiumverbundfolie Anforderungen an eine Durchschlagsfestigkeit einer Siegelnaht reduziert bzw. es. kann vorteilhafterweise auf weitere Bauteile zur elektrischen Isolierung verzichtet werden, was sowohl eine Gewichts- als auch eine Kostenersparnis mit sich bringt. Durch die flächige Strömungsführung in dem Grundkörper in einigen Ausführungsformen können auch Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Ag, Cu, Al oder auch Fe verwendet werden, da durch die flächige Wärmeabfuhr ausreichend Wärme abgeführt werden kann.
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Unter einem wärmeleitfähigen Material soll hierbei ein Material verstanden werden, dessen Wärmeleitfähigkeit λ > 0,1 W/(m·K) ist. Der genannte Wert für die Wärmeleitfähigkeit bezieht sich auf eine Temperatur von 293 K.
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Typischerweise weist die Kühlfinne einen Einsatz zum Leiten des Kühlmediums in dem Kühlkanal auf, wobei der besagte Einsatz in den mindestens einen Kühlkanal eingeführt ist, um einen Verlauf eines Flusses des Kühlmediums durch den Kühlkanal zu definieren. Hierdurch ist ein frei gestaltbarer Verlauf möglich, sodass das Kühlmedium einen möglichst großen Bereich des Kühlkanals und somit der Kühlfinne durchfließt und mit möglichst hoher Effizienz die Wärme abführt. Der Verlauf des Kühlmittelflusses, der durch den Einsatz vorgegeben wird, kann hierzu beispielsweise mäanderförmig sein. Vorzugsweise dichtet der Einsatz den Kühlkanal außerdem gegen ein Austreten des Kühlmediums ab, sodass das Kühlmedium in besonders vorteilhafter Weise in einem geschlossenen Kühlkreislauf durch die Kühlfinne geführt und ein Austreten des Kühlmediums verhindert werden kann. Somit muss das Kühlmedium nicht ständig nachgefüllt oder erneuert werden. Die Abdichtung des Kühlkanals kann hierbei durch einen an dem Einsatz angeordneten Pfropfen erfolgen.
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Typischerweise ist das Kühlmedium eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch aus 50 Teilen Wasser und 50 Teilen Glykol. Die Flüssigkeit weist den Vorteil auf, Wärme sehr gut zu absorbieren und abzuleiten. Alternativ kann als Kühlmedium auch Luft oder ein anderes gasförmiges Medium verwendet werden.
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Das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material kann eine Wärmeleitfähigkeit von zwischen 0,1 W/(m·K) und 200 W/(m·K), vorzugsweise von zwischen 0,15 W/(m·K) und 150 W/(m·K), besonders vorzugsweise 0,2 W/(m·K) und 100 W/(m·K) bei einer Temperatur von 293 K, also Raumtemperatur, aufweisen. Die Obergrenze der genannten Wärmeleitfähigkeitsintervalle kann auch nur 50, 20 oder 5 oder 2 betragen, etwa bei der Verwendung von Kunststoff-Werkstoffen als elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Material. Die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Materials liegt insbesondere deutlich unter typischen Wärmeleitfähigkeiten von Metallen, die üblicherweise als Material für Kühlkörper verwendet werden. Durch die Kombination mit dem die Kühlfinne durchfließenden Kühlmedium ist jedoch dennoch eine wirksame Wärmesenke realisiert, die eine zusätzliche elektrische Isolierung überflüssig macht.
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Das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material kann daher einen Kunststoff, vorzugsweise Polyamid (oder auch Polymerisate wie Polyethen, Polypropen, Polybutadien, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyacrynitril, oder Polyaddukte wie Polyurethan), eine Mischung oder ein Verbundstoff mit mindestens zwei der vorgenannten Materialien, oder eine Keramik, vorzugsweise Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Aluminiumoxid, enthalten oder gänzlich aus einem der genannten Materialien bestehen. Diese Materialien sind kostengünstig zu Kühlfinnen zu verarbeiten, im Verhältnis zu den meisten Metallen leicht und in ihrer Verarbeitung einfach handhabbar. Insbesondere können mittels Spritzguss verarbeitbare Kunststoffe verwendet werden. Der Grundkörper ist vorzugsweise ein spritzgegossener Grundkörper.
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Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kühlkanal bzw. eine Mehrzahl von Kühlkanälen mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, besonders vorzugsweise mindestens 80 % eines Volumens des Grundkörpers füllt. Der Kühlkanal bzw. die Kühlkanäle sind hierbei in bevorzugter Weise über das gesamte Volumen des Grundkörpers verteilt, sodass durch das Kühlmedium die durch die elektrochemische oder elektrostatische Zelle entstehende Wärme sehr gut weitertransportiert werden kann. Vorzugsweise ist hierbei eine Wandstärke der Kühlfinne zwischen der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle und dem Kühlkanal geringer als ein in gleicher Richtung wie die Wandstärke gemessener Durchmesser des Kühlkanals.
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Typischerweise weist der Grundkörper ein Mittelteil auf, in dem der Kühlkanal verläuft, und mindestens ein an das Mittelteil angrenzendes Seitenstück. Das Seitenstück kann hierbei einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmedium aufweisen. Der Einlass und der Auslass für das Kühlmedium liegen typischerweise auf einer nach einem Anbau der Kühlfinne an die elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen der elektrochemischen oder elektrostatische Zelle abgewandten Seite, d.h. einer Seite, die die elektrochemische oder elektrostatische Zelle nicht berührt. Alternativ können der Einlass und der Auslass auch direkt an dem Grundkörper angeordnet sein. Der Einlass und der Auslass sind vorzugsweise an ein Verteilersystem für das Kühlmedium angeschlossen und somit in einem größeren Kühlkreislauf eingebunden.
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Das Seitenstück berührt typischerweise die elektrochemische oder elektrostatische Zelle nicht. Das Seitenstück kann aus dem gleichen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Material gefertigt sein und weist dann eine elektrische Leitfähigkeit und eine thermische Leitfähigkeit auf, die identisch zu den jeweiligen Werten des Mittelteils sind. Insbesondere kann das Seitenstück an dem Mittelteil während des Herstellungsprozess angespritzt werden, sodass eine einfache Herstellung beider Teile unter Berücksichtigung von Abmessungen der zu kontaktierenden elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle möglich ist.
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Die elektrochemische Zelle selbst kann eine Lithium-Ionen-Zelle sein, alternativ kann es sich allerdings auch z. B. um eine Brennstoffzelle handeln bzw. auch um eine elektrostatische Zellen, wie beispielsweise einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator oder auch einen Lithiumkondensator. Dies erlaubt die Verwendung der Kühlfinne mit typischen in Antriebssträngen von Fahrzeugen eingesetzten Energiespeicher- bzw. Energiewandeleinheiten.
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Der Grundkörper kann durchschlagsfest zumindest gegenüber einer Spannung von 60 V ausgebildet sein. Dies wird vorgesehen durch Strukturmindestdicken und durch Materialwahl. Durch eine Isolierung gegenüber Hochspannungen oberhalb von 60 V werden die einzelnen elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen durch die Kühlfinne als einzelnes Bauteil voneinander elektrisch isoliert, was eine zusätzliche Hochspannungsisolierung überflüssig macht und somit Kosten und Material spart.
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Vorzugsweise umfasst der Grundkörper zwei Halbschalen, die miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann hierbei eine Klebeverbindung oder eine Ultraschallschweißnaht umfassen. Der mindestens eine Kühlkanal verläuft zwischen diesen Halbschalen. Hierdurch vereinfacht sich eine Herstellung und Montage der Kühlfinne, was wiederum Zeit und Kosten spart.
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Der Grundkörper ist typischerweise durch ein Spritzgießverfahren oder ein Extrusionsverfahren, wie Strangpressen oder Blasformen, hergestellt. Durch die genannten Verfahren wird eine große Gestaltungsfreiheit des Grundkörpers, ein großer Teileausstoß pro Zeit, also eine Massenproduktion, und somit eine kostenminimale Produktion ermöglicht.
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Die zuvor beschriebene Kühlfinne bildet typischerweise mit mindestens einer elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle eine Energiespeicher- oder -wandeleinheit. Der Grundkörper der Kühlfinne liegt hierbei an mindestens einer Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle zum thermischen Koppeln bündig an. Durch das bündige Anliegen wird die thermische Kopplung mit maximaler Effizienz und ohne störende Lufteinschlüsse erreicht.
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Der Grundkörper der Kühlfinne kann hierbei eine entsprechend einer Form der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle geformte äußere Oberfläche aufweisen, die in besonders bevorzugter Weise als ebene Fläche ausgebildet ist, um eine möglichst effiziente thermische Kopplung zu erreichen. Eine Oberfläche des Grundkörpers folgt hierbei zumindest einem Abschnitt oder einer gesamten Fläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungen umschließt der Grundkörper die Zelle zumindest teilweise. Unter dem Begriff "Umschließen" soll in dieser Schrift verstanden werden, dass der Kühlkörper an mindestens zwei Seiten der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle bündig anliegt. Diese sorgt für eine Wärmeabfuhr von mehreren Seiten.
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Der Kühlkanal verläuft vorzugsweise parallel zu der Oberfläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle in dem Grundkörper, sodass auch der Fluss des Kühlmediums parallel zu der Oberfläche der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle ist und das Kühlmedium somit über einen möglichst langen Weg die Wärme aufnehmen kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper mindestens 50 % einer Fläche der an der Kühlfinne anliegenden Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle bündig anliegend bedeckt. Vorzugsweise bedeckt der Grundkörper mindestens 70%, besonders vorzugsweise mindestens 80% der genannten Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Hierdurch wird die thermische Kopplung auf einer vorteilhaft großen Kontaktfläche ermöglicht. Die Zelle liegt vorzugsweise unmittelbar, d.h. über einen Presssitz oder insbesondere über eine Klebung an dem Grundkörper an. Durch die Klebung oder durch andere Maßnahmen wird die Zelle in unmittelbarem körperlichem Kontakt an dem Grundkörper befestigt.
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Der Grundkörper kann mit der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle über eine Klebeverbindung, die vorzugsweise eine Klebefolie und/oder eine Flüssigverklebung umfasst, und/oder über einen an der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle und der Kühlfinne befestigten Rahmen verbunden sein. Dies sorgt für ein bündiges und mechanisch stabiles Anliegen der genannten Bauelemente aneinander und eine mechanisch stabile Verbindung. Die Klebeverbindung befindet sich typischerweise zwischen den einander berührenden Seiten der Kühlfinne und der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle. Der Rahmen hingegen ist vorzugsweise auf einer der Kühlfinne abgewandten Seite der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle angebracht und kann die elektrochemische oder elektrostatische Zelle an einem äußeren Rand derselben umgreifen oder mit der Kühlfinne mechanisch, beispielsweise durch Klemmen oder Einrasten, verbunden sein. Da die Kühlfinne selbst bereits elektrisch isolierend ist, kann die Klebeverbindung wesentlich dünner als bei konventionellen metallischen Kühlfinnen ausgeführt werden und weist somit auch einen geringeren Wärmewiderstand auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Energiespeicher- oder -wandeleinheit zwei elektrochemische oder elektrostatische Zellen umfasst, die auf unterschiedlichen Seiten des Grundkörpers angeordnet sind. Typischerweise sind die beiden genannten elektrochemischen oder elektrostatischen Zellen hierbei parallel zueinander angeordnet. Somit kann eine kompakte Bauanordnung geschaffen werden, bei der unter minimalem Materialeinsatz eine effiziente Wärmeabführung zweier Energie produzierender Zellen möglich ist.
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Mindestens zwei der genannten Energiespeicher- oder -wandeleinheiten können zu einem Batteriemodul kombiniert werden, wobei die zwei Energiespeicher- oder -wandeleinheiten durch mindestens eine Halterung miteinander verbunden sind. Der Begriff "Batterie" ist hierbei derart zu verstehen, dass auch entsprechende Stapel von Akkumulatoren, Brennstoffzellen oder Kondensatoren von ihm umfasst werden. Somit ist es möglich, Batteriestacks zur Erhöhung der Leistung zu bauen, die dennoch die effiziente Wärmeabfuhr durch die bereits besprochenen Kühlfinnen ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst die Halterung mindestens ein Kopfteil, besonders vorzugsweise zwei Kopfteile, wobei das Kopfteil Anschlüsse für einen Einlass und/oder einen Auslass für das Kühlmedium umfasst. Hierdurch kann auch in dem Batteriemodul ein geschlossener Kühlmittelkreislauf durch alle Energiespeicher- oder -wandeleinheiten gewährleistet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Halterung zumindest teilweise aus Metall, vorzugsweise Aluminium, und/oder zumindest teilweise aus dem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Material gebildet ist. Aluminium bietet eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht, während das elektrisch isolierende, wärmeleitende Material die bereits beschriebenen Vorteile aufweist.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Energiespeicher- oder -wandeleinheiten durch mindestens zwei Zugstangen verbunden sind, sodass eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung zwischen ihnen vorliegt. In besonders bevorzugter Weise verbleibt ein nichtverschwindender räumlicher Abstand zwischen den beiden Energiespeicher- oder -wandeleinheiten, um während des Betriebs der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten entstehende Volumenänderungen der genannten Einheiten ohne mechanische Beanspruchung des Batteriemoduls ausgleichen zu können. Der Freiraum kann hierbei mit einem Schaumstoff oder einer Feder gefüllt werden, wobei der Schaumstoff als komprimierbares Bauteil im Falle einer Volumenausdehnung und die Feder als expandierendes Bauteil im Falle einer Volumenverkleinerung der elektrochemischen oder elektrostatischen Zelle nützlich ist.
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Die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten können derart in einer Reihe hintereinander angeordnet sein, dass die jeweiligen Einlässe fluchtend und die jeweiligen Auslässe für das Kühlmedium fluchtend hintereinander liegen. Einander zugeordnete Einlässe und Auslässe sind hierbei so miteinander gekoppelt, dass das Kühlmedium von einer der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten in benachbarte Einheiten gelangen kann. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des Batteriemoduls erreicht. Durch ein Parallelschalten der einzelnen Kühlfinnen der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten wird ein Druckunterschied im Kühlmedium zwischen den einzelnen Kühlfinnen weitgehend ausgeschlossen.
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Die Kühlfinne, die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten und das Batteriemodul eignen sich insbesondere gut zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Explosionszeichnung einer Energiespeicher- oder -wandeleinheit,
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2 einen Querschnitt durch die gleiche Energiespeicher- oder -wandeleinheit,
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3 eine Seitenansicht dieser Energiespeicher- oder -wandeleinheit,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls mit mehreren derartigen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten und
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5 eine perspektivische Ansicht mehrerer durch ein Kopfteil miteinander verbundener Batteriemodule dieser Art.
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1 zeigt in einer Explosionszeichnung eine perspektivische Ansicht einer Energiespeicher- oder -wandeleinheit 1, die eine mittig gelagerte Kühlfinne 2, zwei Lithium-Ionen-Zellen 3 und zwei Rahmen 4 umfasst. Je eine der Lithium-Ionen-Zellen 3 und einer der Rahmen 4 befinden sich auf jeder von zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Kühlfinne 2. Die Kühlfinne 2 weist einen flächigen Grundkörper 5 auf, der mittig auf beiden Seiten jeweils eine ebene äußere Oberfläche aufweist. An dieser Oberfläche liegt in einem zusammengesetzten Zustand jeweils eine der Lithium-Ionen-Zellen 3 bündig an, sodass eine thermische Kopplung zwischen der Kühlfinne 2 und der jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle 3 erfolgt. Statt der Lithium-Ionen-Zellen 3 können auch andere Bauformen von elektrochemischen Zellen, bspw. Akkumulatoren, Brennstoffzellen oder elektrostatischen Zellen wie beispielsweise Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, verwendet werden.
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Der Grundkörper 5 der Kühlfinne 2 weist ferner nebeneinander angeordnete Kühlkanäle 6 auf, durch die ein Kühlmedium geleitet werden kann. Die Kühlkanäle 6 weisen auf einander gegenüberliegenden Seitenstücken 7 der Kühlfinne 2 durch je einen Einsatz 8 verschlossene Einlässe und Auslässe für das Kühlmedium auf. Die Einsätze 8 umfassen hierbei ein Verteilersystem 9, das in die Kühlkanäle 6 hineinragt und so einen Verlauf eines Flusses des Kühlmediums in den Kühlkanälen 6 definiert. Das Verteilersystem 9 wird von einem Pfropfen 10 abgeschlossen, der den jeweiligen Kühlkanal 6 abdichtet und durch einen länglichen Balken gebildet wird. Durch das Verteilersystem 9 wird das Kühlmedium in einem Mittelteil des Grundkörpers 5 mäanderförmig geführt. Die Kühlkanäle 6 machen hierbei 65 % eines Volumens des Grundkörpers 5 aus.
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Der Grundkörper 5 ist aus Polyamid gefertigt, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,23 W/(m·K) bei Raumtemperatur, also 293 K, aufweist und elektrisch isolierend ist. Alternativ kann auch nur ein die Lithium-Ionen-Zellen 3 berührender Teil einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers 5 aus Polyamid oder einem anderen Kunststoff bzw. einer Keramik wie Aluminiumnitrid gefertigt sein. Die Lithium-Ionen-Zellen 3 sind als prismatische Batteriezellen mit einem starren Gehäuse aus Aluminium oder als sogenannte Flachzellen mit einem starren Gehäuse aus flexibler Folie, zum Beispiel aus einer Aluminiumverbundfolie, ausgebildet. Der Mittelteil des Grundkörpers 5 ist in einem Spritzgießverfahren hergestellt, wozu zunächst zwei den Mittelteil bildende Halbschalen gefertigt und die Halbschalen anschließend zusammengefügt sind. Die Kühlkanäle 6 werden so zwischen den beiden Halbschalen gebildet. Die beiden Halbschalen sind durch eine Ultraschallschweißnaht miteinander verbunden. Durch Verwendung von Zweikomponentenspritzguss können auch Dichtungen der Kühlfinne 2 durch Anspritzen in diese integriert werden.
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Die Lithium-Ionen-Zellen 3 sind flächig ausgeführt, wobei eine Länge und eine Breite der Lithium-Ionen-Zellen 3 jeweils deutlich größer ist als eine Dicke der genannten Lithium-Ionen-Zellen 3. An ihrer Oberseite weisen die Lithium-Ionen-Zellen 3 zwei Kontaktierglieder 11 auf, von denen eines einen positiven Anschluss und eines einen negativen elektrischen Anschluss der jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle 3 darstellt. Der positive Anschluss und der negative Anschluss der jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle 3 sind hierbei versetzt zueinander in entgegengesetzte Richtungen weisend angeordnet.
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An einer der Kühlfinne 2 abgewandten Seite der Lithium-Ionen-Zellen 3 befindet sich jeweils der Rahmen 4, der zum Anpressen der von ihm umlaufend umrahmten Lithium-Ionen-Zelle 3 an die Kühlfinne 2 dient. Der Rahmen 4 besteht aus einem Kunststoff, kann allerdings alternativ auch aus einem Metall bestehen.
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2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die in 1 bereits gezeigte Energiespeicher- oder -wandeleinheit 1. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Jede der Lithium-Ionen-Zellen 3 liegt bündig an dem Mittelteil des Grundkörpers 5 an und wird von dem Rahmen 4 gegen den Grundkörper gepresst, sodass eine optimale Ausnutzung eines Bauraums ermöglicht wird. Somit bildet sich ein sogenanntes Bi-Pack, bei dem sehr geringe Abstände zwischen der Kühlfinne 2 und jeder der Lithium-Ionen-Zellen 3 erreicht werden. Zwischen den Lithium-Ionen-Zellen 3 und dem Mittelteil des Grundkörpers 5 befindet sich zusätzlich noch eine doppelseitig klebende Klebefolie, um die Verbindung mechanisch stabiler zu machen. Statt der Klebefolie kann auch ein Wärmeleitkleber oder allgemeiner eine Wärmeleitpaste zwischen der jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle 3 und der Kühlfinne 2 vorgesehen sein.
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Die Kühlkanäle 6 verlaufen parallel zu einer den Grundkörper 5 berührenden Oberfläche der Lithium-Ionen-Zellen 3. Wie in 2 zu erkennen, durchziehen die Kühlkanäle 6 eine Querschnittsfläche des Grundkörpers 5 der Kühlfinne 2, wobei eine Wandstärke der Kühlfinne zwischen der anliegenden Lithium-Ionen-Zelle 3 und dem nächstliegenden Kühlkanal 6 geringer ist als ein Durchmesser dieses Kühlkanals 6 in Richtung einer Normalen zur an der Lithium-Ionen-Zelle 3 anliegenden Oberfläche der Kühlfinne 2. Der Grundkörper 5 ist außerdem hochspannungsisolierend für Spannungen bis mindestens 850 V. Der Grundkörper 5 bedeckt, bis auf die elektrischen Kontaktierglieder 11, die an ihm anliegende Seite der Lithium-Ionen-Zelle 3 vollständig. Sowohl die den Grundkörper 5 an dem Mittelteil berührende Seite der Lithium-Ionen-Zellen 3 als auch die Oberfläche des Mittelteils sind vollständig eben, sodass beide Bauelemente bündig aneinander liegen. Die an jeder Seite des Grundkörpers 5 angeordneten Lithium-Ionen-Zellen 3 liegen parallel zueinander.
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3 zeigt eine seitliche Ansicht der in den 1 und 2 bereits dargestellten Energiespeicher- oder -wandeleinheit 1. In dieser Ansicht verdeckt die Lithium-Ionen-Zelle 3 sowie der sie umrahmende Rahmen 4 den Mittelteil des Grundkörpers 5. An einem linken Ende und einem rechten Ende des Mittelteils ist jeweils eines der Seitenstücke 7 der Kühlfinne 2 zu erkennen, die dort durch Anspritzen angebracht sind. Die Seitenstücke 7 sind aus dem gleichen Material wie der Mittelteil des Grundkörpers 5 und weisen oben, mittig und unten jeweils ein Loch 12 auf, durch die eine Stange zum Verbinden mehrerer der in 3 dargestellten Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 eingeführt werden kann. Zwischen den Löchern 12 befinden sich durch Dichtungen 13 abgedichtete Kühlmediumeinlässe bzw. -auslässe 14. Durch diese Kühlmediumeinlässe bzw. -auslässe 14 kann ein geschlossener Kühlmittelkreislauf in einer oder durch mehrere der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 hergestellt werden. Die Seitenstücke 7 liegen außerhalb eines durch die Lithium-Ionen-Zelle 3 abgedeckten Bereichs der Kühlfinne 2 und berühren keine der Lithium-Ionen-Zellen 3.
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4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Batteriemodul 15, das aus mehreren der in den 1 bis 3 dargestellten Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 besteht. Die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 sind hierbei parallel zueinander hintereinander angeordnet, sodass die Kontaktierglieder 11 jeweils auf eine gleiche Seite weisen und die einzelnen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 bilden somit ein sogenanntes Multi-Pack, bei dem Einlässe und Auslässe für das Kühlmedium der einzelnen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 fluchtend hintereinander liegen. Einander zugeordnete Einlässe bzw. Auslässe der einzelnen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 sind hierbei derart miteinander gekoppelt, dass das Kühlmedium in einem Kreislauf von jeder der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 jeweils in benachbarte Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 gelangen kann.
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Zum mechanischen Verbinden der einzelnen Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 ist eine Halterung aus beidseitig an den Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 gelegenen Stangen 16 und zwei Endteilen 17 vorgesehen. Die Stangen 16 sind durch die Löcher 12 der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 geführt und an beiden Enden in einem der beiden Endteile 17 fixiert. Die Stangen 16 haben ein Vollprofil, können jedoch auch hohl sein. Die Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 weisen in dem in 4 dargestellten Batteriemodul 15 einen zumindest geringen nichtverschwindenden räumlichen Abstand zueinander auf, der zusätzlich mit einer Schaumschicht, einer elastischen Folie bzw. Federn gefüllt werden kann. Die Stangen 16 sind aus Aluminium oder Stahl, die Endteile 17 sind wie der Grundkörper 5 und die Seitenstücke 7 aus Polyamid gefertigt. Durch die Stangen 16 und die Endteile 17 sind die das Batteriemodul 15 bildenden Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 gegeneinander verspannt und mechanisch stabil gelagert.
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Durch Verspannen mehrerer einzelner der Energiespeicher- oder -wandeleinheiten 1 wird ein stabiler Verbund geschaffen, der eine stabile Rahmenkonstruktion aufweist und gleichzeitig eine notwendige Presskraft für die Abdichtung der einzelnen Finnen gegeneinander liefert.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht vier nebeneinander liegende Batteriemodule 15, die durch ein gemeinsames Kopfteil 18 aus Aluminium miteinander zu einer Einheit verbunden sind. Die Batteriemodule 15 sind so angeordnet, dass die elektrischen Kontaktierglieder 11 jeweils auf einer gleichen Seite liegen.
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Das Kopfteil 18 weist einen Anschluss 19 auf, der als zentraler Anschluss zur Versorgung der einzelnen Batteriemodule 15 mit dem Kühlmedium dient. Durch den Anschluss 19 wird der in 5 gezeigten Einheit der Batteriemodule 15 noch unverbrauchtes Kühlmedium zugeführt und verbrauchtes abgeführt, sodass sich ein geschlossener Kreislauf des Kühlmediums durch alle Batteriemodule 15 und somit auch durch alle der in den Batteriemodulen 15 enthaltenen Energiespeicher- oder wandeleinheiten 1 ausbildet. Als Kühlmedium wird eine Mischung aus Wasser und Glykol verwendet, wobei beide Bestandteile jeweils 50% der Mischung ausmachen. In weiteren Ausführungsformen können auch zwei der dargestellten Kopfteile 18 an einander gegenüberliegenden Seiten der Batteriemodule 15 vorgesehen sein, die beide jeweils einen Anschluss 19 aufweisen. Die in 5 gezeigte Einheit wird in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Automobils, verwendet.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale können miteinander kombiniert werden und einzeln beansprucht werden.
