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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein die Verwendung von graphenbeschichteten Substraten für passive oder aktive Wärmemanagementsysteme für Batterien und Abschnitte davon und vor allem die Verwendung von ausgerichteten graphenbeschichteten Polymersubstraten zur Verhinderung eine Wärmeausbreitung zu benachbarten Batteriezellen während Fehlbehandlungsbedingungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmemanagementsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine Batterie, ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Kraftfahrzeug-Antriebssystem, wie beispielsweise aus der
DE 10 2009 052 508 A1 bekannt.
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Lithium-Ionen- und ähnliche Batterien, kollektiv als wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS, vom engl. reachargeable energy storage system) bekannt, werden in Kraftfahrzeuganwendungen als eine Möglichkeit eingesetzt, herkömmliche Verbrennungsmotoren (ICEs, vom. engl. internal combustion engines) im Fall von Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs, vom engl. hybrid electric vehicles) zu ergänzen oder im Fall von reinen Elektrofahrzeugen (EVs, vom engl. electric vehicles) zu ersetzen. Die Fähigkeit, Energie von feststehenden und mobilen Quellen wie auch von zurückgewonnener kinetischer Energie, die von dem Fahrzeug und seinen Komponenten bereitgestellt wird, passiv zu speichern, macht Batterien ideal dafür, als Teil eines Antriebssystems für Autos, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder und ähnliche Fahrzeugplattformen zu dienen. Im vorliegenden Kontext ist eine Zelle eine einzelne elektrochemische Einheit, wobei eine Batterie aus einer oder mehreren Zellen besteht, welche je nach gewünschter Ausgangsspannung und Kapazität in Reihe, parallel oder beides verbunden sind.
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Die Temperatur ist einer der bedeutendsten Faktoren, welche die Leistung und die Lebensdauer einer Batterie beeinflussen. Umgebungstemperaturen (z. B. solche, die während ausgedehnter Perioden von Inaktivität in kalten oder heißen Umgebungen oder infolge langer Betriebsperioden und damit einhergehender Hitzeentwicklung an heißen Tagen erfahren werden) oder Fehlbehandlungsbedingungen (z. B. das schnelle Laden/Entladen oder interne/externe Kurzschlüsse, die durch die physikalische Verformung, Penetration oder Herstellungsfehler der Zellen verursacht werden) können die Fähigkeit der Batterie, einwandfrei zu arbeiten, negativ beeinflussen und können in schweren Fällen die Batterie vollständig zerstören. Nebeneffekte einer andauernden Einwirkung solch einer hohen Temperatur kann ein vorzeitiges Altern und einen Kapazitätsschwund umfassen, die beide unerwünscht sind.
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Überschusswärme kann von einer externen Quelle oder durch die interne Störung einer Batteriezelle, verursacht durch physikalische, thermische oder betriebliche Fehlbehandlungsbedingungen außerhalb der empfohlenen Toleranzen wie auch durch Fertigungsfehler, bereitgestellt werden. Eine Einsetztemperatur ist jene Temperatur, bei der eine exotherme Reaktion stattfindet. Die Wärme, die erforderlich ist, um solch eine exotherme Reaktion aufrechtzuerhalten, ist als Reaktionswärme bekannt, während eine Wärmequelle, welche die Einsetztemperatur überschreitet und die Reaktionswärme aufrechterhält, ein thermisches Ereignis ist. Solche thermischen Ereignisse könnten, wenn sie unkontrolliert bleiben, möglicherweise zu einem Zustand stärker beschleunigter Wärmeentwicklung führen, welcher hierin als thermisches Durchgehen bezeichnet wird, ein Zustand, in dem (sobald er initiiert ist) der Kühlmechanismus nicht in der Lage ist, eine oder mehrere der Batteriekomponenten zu einer sicheren Betriebstemperatur zurückzubringen. In dem vorliegenden Kontext ist ein thermisches Durchgehen eine Funktion der Selbstaufheizrate der exothermen Reaktion und der Temperatur und die Reaktionszeit ist eine Funktion der Abbaurate und der Masse der aktiven Komponenten, die an solch einer Reaktion beteiligt sind. Von speziellem Belang ist die Möglichkeit einer übermäßigen Erwärmung und einem damit einhergehenden Schaden an einer/m Batteriezelle, -block oder einem ähnlichen Element, das als Quelle für Antriebsleistung verwendet wird. Herkömmliche Wärmeübertragungsverfahren wie z. B. Zwangsluft- und Flüssigkeitskühlung können sich, ob als primäres oder Reservesystem, als wirksam erweisen, solch eine Einwirkung von Überschusswärme während solch eines thermischen Ereignisses zu vermeiden, was aber durch wesentliche Erhöhungen des Gesamtfahrzeugsystemgewichts, der Kosten, der Komplexität oder Anforderungen bezüglich des parasitären Leistungsverbrauchs gelingt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Batterie-Wärmemanagementsystem auf der Basis der Verwendung eines Wärmeübertragungsmaterials oder von Materialien in einem Wärmeaustauschelement kann dabei helfen, optimale Betriebstemperaturen und eine Temperaturgleichmäßigkeit einer Batterie unter normalen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, wie auch eine durch ein thermisches Ereignis erzeugte Wärmeübertragung zu benachbarten Zellen während Fehlbehandlungsbedingungen zu minimieren. In beiden Fällen ist dies dabei hilfreich, eine Wärmeausbreitung und das diesbezügliche Potential, zusätzliche Komponenten zu beschädigen, zu verhindern.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Wärmemanagementsystem für eine Batterie (oder ein Batteriemodul) offenbart. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, welche ausgestaltet ist/ sind, um elektrischen Strom zu liefern. Das Wärmemanagementsystem umfasst ein Wärmeaustauschelement, welches in thermischer Verbindung mit der einen oder mehreren Batteriezellen angeordnet ist. Das Wärmeaustauschelement besteht aus einem flexiblen Substrat mit einer oder mehreren auf dem Substrat angeordneten Graphenschichten. In einer simplifizierendsten Ausführungsform kann die Batterie als eine einzige Zelle und ein einziges Wärmeaustauschelement ausgestaltet sein, während eine umfassendere Ausführungsform eine Vielzahl von Zellen und Elementen umfassen kann, welche in Bezug zueinander gestapelt sind; die Anzahl eines jeden, um den Leistungsanforderungen der Vorrichtung, die elektrischen Strom von dem Modul empfängt, und den thermischen Betriebsanforderungen der Zelle oder der Batterie zu entsprechen, wird für Fachleute einsichtig sein.
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Die Erfinder im vorliegenden Fall haben herausgefunden, dass Graphen, mit seinen bekannten anisotropen Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 1400 W/m-K in der Ebene und 10 W/m-K durch die Ebene, beschichtet auf ein flexibles polymeres Substrat, ideal sowohl für das Wärmemanagement einer Batterie als auch für die Herabsetzung von Wärmeenergie zu benachbarten Zellen und Komponenten ist, wenn es in einem Batteriemodul verwendet wird. Graphen ist eine ein Zentimeter dicke, ebene Bahn von kovalent gebundenen Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen oder wabenförmigen Kristallgitter mit einer Dicke von 0,335 Nanometer pro Schicht angeordnet sind. Die Aufbringung mehrerer in einer Ebene ausgerichteten Schichten aus Graphen stellt eine ideale Art für die Wärmeübertragung für Anwendungen mit einer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte bereit, da es wünschenswert ist, die Stapelgesamthöhe eines Batteriemoduls so gering wie möglich zu halten. Das Anordnen ausgerichteter Graphenschichten auf einem Polymersubstrat in thermischer Verbindung mit den Zellen innerhalb einer Batterie stellt einen flexiblen Pfad zu einer Wärmequelle oder -senke bereit, während das flexible Substrat im Spezielleren als ein komprimierbares Medium ausgestaltet sein kann. Diese komprimierbare Beschaffenheit gestattet das Ausgleichen einer Zellen-Wärmeausdehnung wie auch eine zusätzliche Quelle thermischer Isolierung in der Richtung durch die Ebene.
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Wie oben erläutert, bestehen Batterieblöcke aus mehreren Batteriemodulen, von denen wiederum jedes aus einer oder mehreren Batteriezellen besteht, welche elektrischen Strom an eine Last liefert/n. Ein nicht einschränkendes Beispiel solch einer Last umfasst die Einrichtungen, die verwendet werden, um Antriebsleistung an den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, wie auch Zusatzanwendungen in Verbindung mit dem Betreiben des Fahrzeuges. Im vorliegenden Kontext beschreibt der Ausdruck „Antriebsleistung“ einen Batterieblock, der in der Lage ist, mehr als nur die Startleistung für eine andere Leistungsquelle (z. B. einen Verbrennungsmotor bereitzustellen; er umfasst Batterieblöcke, die in der Lage sind, dauerhaft Leistung bereitzustellen, die hinreichend ist, ein Fahrzeug in einer Weise anzutreiben, die mit dem übereinstimmt, wofür es konstruiert wurde. Fachleute werden einsehen, dass solche Batterien auch Energie speichern können, die aus kinetischer Energie zurückgewonnen wird, beispielsweise regenerative Brems- oder Überschussenergie von einem ICE. In einer Form kann der von dem Batterieblock erzeugte Strom verwendet werden, um einen oder mehrere Elektromotoren zu betreiben, welche/r wiederum verwendet werden kann/können, um ein oder mehrere Räder zu drehen. Es können andere Elemente (z. B. tragende Elemente) in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle angeordnet werden, um einen Wärmeaustausch zwischen diesen zu ermöglichen. Das Laden und Entladen (oder der Kreisbetrieb) der Batterie, der innere Widerstand der Zelle und die Leitfähigkeit zugehöriger elektrischer Pfade sind die primären Quellen von thermischer Energie in der Batterie. In einer bevorzugten Form findet der Wärmeaustausch innerhalb der Batterie über ein passives Mittel statt; als solches können beträchtliche Wärmemengen, welche durch die einzelnen Batteriezellen entwickelt oder andernfalls um diese herum vorhanden sind, erzielt werden, ohne (oder bei zumindest einer deutlich herabgesetzten) Notwendigkeit einer ergänzenden Kühlung, z. B. einer konvektiven Zwangsluft- oder forcierten Flüssigkeitskühlung, die zusätzliche parasitäre Verluste in dem Batteriesystem schaffen, welche seinen Gesamtwirkungsgrad beeinflussen. Wärme, die während des Kreisbetriebes entwickelt wird, und die optimalen Betriebstemperaturen für die Zelle und die Batterie sind elektrochemisch abhängig, und die Temperaturgrenze wird nur durch die maximale Temperatur des als das Substrat verwendeten Polymers bestimmt.
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Optional definieren das Wärmeaustauschelement und die eine oder mehreren Batteriezellen einen im Wesentlichen ebenen Aufbau; solch ein Aufbau (in dem beide Zellen und die Elemente eine plattenartige Struktur aufweisen) gestattet es, diese gegeneinander (wie einen Kartenstapel) zu stapeln, sodass eine benachbart zugewandte Beziehung zwischen ihnen besteht. Dies maximiert den Oberflächenkontakt zwischen den Wärme entwickelnden Zellen und den Wärme aufnehmenden Elementen, wobei die Letzteren als Kühlplatten dienen. In einer detaillierteren Form sind die relativ flachen Kühlplatten aufgebaut, um Nutzen aus der gerichteten Natur der Wärmeleitfähigkeit der Graphenschicht oder -schichten zu ziehen, wobei die Wärmeleitfähigkeit (und der einhergehende Wärmefluss) entlang der Richtung in der Ebene des Graphens, welche mit der ebenen Dimension des Substrats im Wesentlichen zusammenfällt, an dem es angebracht ist, deutlich höher ist als entlang der Dickenrichtung (d. h. durch die Dicke) der Schicht. Diese Unterschiede stimmen mit der Kristallorientierung der Graphenschicht überein, wie für Fachleute verständlich sein wird. Im vorliegenden Kontext schreitet die Dimension der Wärmeübertragung in der Ebene entlang der Dimension fort, welche durch die zuvor erwähnte hexagonale Kristallstruktur der Graphenschicht gebildet wird. In Ausgestaltungen, bei denen die Substrate und die angebrachten Graphenschichten nicht wirklich eben sind (z. B. in dem Fall eines leicht konvexen oder konkaven Substrats), ist diese Dimension in der Ebene dennoch vorhanden, sofern die Unterschiede der Wärmeleitfähigkeit durch die Dicke und entlang der Kristallorientierung der Graphenschicht wesentlich sind.
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Wie oben angeführt, weist das Substrat bevorzugt eine flexible Beschaffenheit auf; solch eine Ausgestaltung lässt zu, dass das angeordnete oder aufgebrachte Graphen (welches gegenüber dem Substrat relativ dünn ist) das flexible Substrat nachahmt, was wiederum zulässt, dass das ausgerichtete Graphen an jede Form angepasst wird, welche erwünscht ist, um in thermischer Verbindung mit den Zellen und der Wärmesenke oder der Wärmequelle zu stehen, wobei die einzige wesentliche Grenze bezüglich der Form gegeben ist, wenn die Monoschicht aus Graphen (aufgrund von Dingen wie scharfen Kanten und Ecken) zerbrochen wird, da das Zerbrechen des Wärmepfads (hierin auch als Wärmeflusspfad bezeichnet) die Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung stark reduzieren würde.
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In zusätzlichen Optionen beträgt die Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dimension in der Ebene der zumindest einen Graphenschicht zumindest etwa 1000 W/m-K, und die Wärmeleitfähigkeit entlang ihrer Dickendimension beträgt weniger als etwa 100 W/m-K. In einer spezielleren Form beträgt die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene zumindest etwa 1400 W/m-K, und die Wärmeleitfähigkeit durch ihre Dicke beträgt weniger als etwa 10 W/m-K. Wie oben erwähnt, besteht das Substrat in einer speziellen Form aus einem polymeren Material; solche Materialien sind, außer dass sie relativ kostengünstig herzustellen sind, strukturell hinreichend robust, um die Graphenschicht in einer Batterieumgebung zu tragen, und besitzen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit. Solch eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist insofern vorteilhaft, als sie das thermische Maßschneidern verbessert, welches schon durch die inhärenten Eigenschaften der Graphenschicht möglich gemacht wurde. So wird z. B. in Fällen, in denen es erwünscht ist, die thermische Verbindung zwischen benachbarten Zellen zu minimieren, eine Kühlplatte oder ein ähnliches Wärmeübertragungselement, welche/s zwischen diesen angeordnet ist und ein Substrat mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit umfasst, widerstandsfähiger gegenüber einer Wärmeübertragung durch die Kühlplatte von einer Zelle zu der anderen sein, als wenn das Substrat aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt wäre. Diese kann in Verbindung mit der auf dem Substrat aufgebrachten Graphenschicht funktionieren, da die Dimension der Schicht durch die Dicke bereits eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt als jene der Dimension in der Ebene. Dass der Fluss durch zwei Medien des Wärmeaustauschelements, jedes mit einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit in zumindest der Richtung durch die Dicke, stattfinden muss, wird weiter zu einer erhöhten thermischen Isolierung zwischen benachbarten Zellen beitragen. Eine noch weitere optionale Besonderheit besteht darin, die hohe Wärmeleitfähigkeit des ausgerichteten Graphens in der Ebene als einen Wärmepfad zu einer Wärmemessvorrichtung wie z. B. einem Thermofühler, einem Thermistor oder dergleichen zu verwenden. Auf diese Weise kann die Gleichmäßigkeit der Temperatur einer Zelle in thermischer Verbindung mit dem Graphen problemlos bestimmt werden. Solch eine Wärmemessvorrichtung könnte dann in Übereinstimmung mit jeglichen Wärmeverlusten in Verbindung mit dem System zwischen der Quelle und einem Messpunkt kalibriert werden. Die Wärmemessvorrichtung kann kalibriert werden, um jegliche Wärmeverluste zu berücksichtigen, welche in Verbindung mit dem Batterieblock zwischen der Wärmequelle und einem entfernten Messpunkt stehen. Des Weiteren kann die Messvorrichtung verwendet werden, um die Gesamttemperatur der Zellenfläche oder einer spezifischen interessanten Stelle auf der Zelle, z. B. der Laschen oder einer Fläche mit der größten Stromdichte zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Antriebssystem für einen Kraftfahrzeug offenbart. Das Antriebssystem umfasst ein oder mehrere Batteriemodule, von denen jedes aus einer oder mehreren Batteriezellen hergestellt ist, in denen eine elektrochemische Reaktion stattfindet, wie auch ein Wärmeaustauschelement, welches in thermischer Verbindung mit der/den Batteriezelle oder -zellen angeordnet ist. Das Wärmeaustauschelement umfasst ein flexibles Substrat und zumindest eine Graphenschicht, die auf dem flexiblen Substrat aufgebracht ist. Wie oben erläutert, fungiert die Graphenschicht als ein Wärmeübertragungsmaterial mit gerichteten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften. Somit kann Wärme, die versucht, durch eine Dimension des Materials zu fließen, erwartungsgemäß auf einen höheren oder geringeren Grad von Wärmewiderstand treffen als durch eine andere Dimension. In einem herkömmlichen kartesischen Koordinaten (d. h. x-y-z)-System können diese Dimensionen linearen Achsen oder Richtungen wie z. B. einer Richtung in der Ebene (welche z. B. eine durch die y- und die z-Achse definierte Ebene enthalten kann) wie auch einer Richtung durch die Dicke (welche mit einer linearen Dimension entlang der x-Achsen-Stapelrichtung eines oder mehrerer Batteriemodule zusammenfallen kann) entsprechen.
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Optional ist das Wärmeaustauschelement derart ausgestaltet, dass der erste Wärmeübertragungspfad im Wesentlichen entlang einer Dimension in der Ebene der Graphenschicht fortschreitet und der zweite Wärmeübertragungspfad im Wesentlichen entlang einer Dickendimension der Graphenschicht fortschreitet. In einer Form ist die Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmeübertragungspfads größer, aber nicht beschränkt auf 1000 W/m-K, während jene eines zweiten Wärmeübertragungspfads kleiner als etwa 100 W/m-K ist. In einer spezielleren Form können diese Werte zumindest etwa 1400 W/m-K bzw. weniger als etwa 10 W/m-K betragen. In einer weiteren speziellen Form kann eine Wärmesenke in thermischer Verbindung mit zumindest dem ersten Wärmeübertragungspfad angeordnet sein. Fachleute werden einsehen, dass bestimmte Abschnitte des Kraftfahrzeuges wie das Fahrgestell, die Räder und diesbezügliche Steuermechanismen üblich sind, während spezielle Merkmale wie z. B. die Karosserie ausgestaltet sein können, um einen Fahrer oder einen ähnlichen Bediener, Fahrgäste oder Gepäck aufzunehmen wie auch als Raum für irgendeinen oder alle der oben Genannten zu dienen. Wenn sie als ein Personenwagen ausgebildet ist, kann solch eine Karosserie auch Fenster, Türen, Sitze, einen Fahrgastraum, Besonderheiten zum Schaffen von Komfort oder andere vorteilhafte Komponenten umfassen. Wie oben angeführt, kann das Antriebssystem, welches zur Bereitstellung von Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug dient, entweder nur von einem oder mehreren Batterieblöcken kommen oder es kann eine Hybridarchitektur beinhalten, bei der Batterieblöcke verwendet werden, die in Verbindung mit einem ICE arbeiten.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Kraftfahrzeugantriebssystem offenbart. Das Verfahren umfasst, dass das Antriebssystem ausgestaltet wird, um zumindest einen Anteil seiner Antriebsleistung von einer oder mehreren Batteriezellen (welche wiederum sukzessive größere Einheiten eines Batteriemoduls und einen Batterieblock bilden können) abzuleiten, ein Wärmeaustauschelement derart angeordnet wird, dass es in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle steht, und zumindest ein Anteil der in der zumindest einen Batteriezelle enthaltenen Wärme zu dem Wärmeaustauschelement übertragen wird. Das Wärmeaustauschelement umfasst ein flexibles Substrat und eine oder mehrere derart auf dem Substrat angeordnete Graphenschichten, dass das Wärmeaustauschelement einen ersten Wärmeflusspfad und einen zweiten Wärmeflusspfad bereitstellt, wobei der erste Wärmeflusspfad eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der zweite Wärmeflusspfad. In einer Variante dieses Aspekts ist auch ein Verfahren zum Zusammenbau eines passiven Wärmeaustauschelements durch Anordnen, Befestigen oder sonstiges Koppeln einer Graphenschicht an ein/em flexiblen/s Substrat (z. B. einem flexiblen, auf einem Polymer basierenden Substrat) offenbart.
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In einer optionalen Form fällt der erste Wärmeflusspfad im Wesentlichen mit einer Dimension in einer Ebene eines Wärmeaustauschelements zusammen, welches benachbart zu einer oder mehreren Batteriezellen angeordnet ist. In einer spezielleren Form besteht das Wärmeaustauschelement aus einem Substrat und aus einer oder mehreren Graphenschichten, die an dem Substrat angeordnet oder sonst wie daran festgemacht ist/ sind, sodass sie daran befestigt ist/ sind. In einer weiteren Form fällt eine Dimension in der Ebene der Graphenschicht im Wesentlichen mit dem ersten Wärmeflusspfad zusammen, während eine Dickendimension der Graphenschicht mit dem zweiten Wärmeflusspfad im Wesentlichen zusammenfällt. In einer spezielleren Form definieren jede/ s der Batteriezellen und der Wärmeaustauschelemente eine im Wesentlichen ebene Form. Wie bei den vorhergehenden Aspekten ist die Wärmeleitfähigkeit, welche dem ersten Wärmeflusspfad entspricht, sehr hoch, z. B. zumindest etwa 1000 W/m-K, während jene des zweiten Wärmeflusspfads relativ gering ist, z. B. kleiner als etwa 100 W/m-K. In einem speziellen Aspekt kann der erste Wärmeflusspfad in thermischer Verbindung mit einer speziell vorgesehenen Wärmesenke angeordnet sein. In dem vorliegenden Kontext ist eine speziell vorgesehene Wärmesenke ausgestaltet, um zumindest hauptsächlich für die Abführung von Wärme da zu sein, welche entlang des ersten Wärmeflusspfads entwickelt wird. Somit bildet in Fällen, in denen die Richtung in der Ebene der Graphenschicht den ersten Wärmeflusspfad bildet, die thermische Verbindung zwischen der Graphenschicht und der Wärmesenke eine speziell vorgesehene Beziehung, selbst wenn die Wärmesenke andere Wärmeaustauschfunktionen erfüllen kann, z. B. anschließend Wärme mit der umliegenden Umgebung austauschen.
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Figurenliste
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Hybridantriebssystem in der Form eines Batterieblocks und eines Verbrennungsmotors zeigt;
- 2 eine vereinfachte Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls ist, welches den Batterieblock von 1 bildet, wobei das Modul ein passives Wärmemanagement umfasst;
- 3 in vereinfachter Form eine repräsentative Stapelungsanordnung zwischen einem Paar Batteriezellen und ein Wärmeübertragungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 4A eine Vorrichtung zum Messen einer spezifischen Stelle einer benachbarten Batteriezelle zeigt, welche ausgerichtetes Graphen und einen Wärmeflusspfad verwendet, und die später auf der Basis der Wärmeverluste in Verbindung mit einer spezifischen Anwendung kalibriert werden kann; und
- 4B eine Vorrichtung zum Messen der wesentlichen Gesamtheit einer Fläche einer benachbarten Batteriezelle zeigt, welche ausgerichtetes Graphen und einen Wärmeflusspfad verwendet, und die später auf der Basis der Wärmeverluste in Verbindung mit einer spezifischen Anwendung kalibriert werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zuerst Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Fahrzeug 1 ein Hybridantriebssystem in der Form einer Batterie 10 und eines herkömmlichen ICE 20. Wie oben erwähnt, ist solch ein Fahrzeug als ein HEV bekannt. Die Batterie 10 verwendet mehrere Batteriemodule 100, welche typischerweise in einer sich wiederholenden Gruppierung angeordnet sind, wie gezeigt. In einem typischen Beispiel kann die Batterie 10 aus etwa zweihundert einzelnen Batteriezellen bestehen (was nachstehend in näherem Detail erläutert werden soll), wenngleich für Fachleute einzusehen sein wird, dass abhängig von der benötigten Leistung zusätzliche oder weniger Zellen erforderlich sein können. Ferner wird für Fachleute einzusehen sein, dass das Fahrzeug 1 möglicherweise keinen ICE 20 benötigt; in solch einem Fall handelt es sich um kein HEV, sondern um ein EV.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine Explosionsdarstellung gezeigt, die wesentliche Abschnitte eines Batteriemoduls 100 mit den vorherrschenden Wärmeflussrichtungen Q1 und Q2 wie auch die Wärmeausbreitungsherabsetzungsmerkmale darstellt. Fachleute werden einsehen, dass andere zum Betrieb notwendige Batteriekomponenten nicht gezeigt sind, um diese Wärmeausbreitungsherabsetzungsmerkmale besser hervorzuheben. Beispiele für solche hier weggelassene Komponenten umfassen Rahmen und ähnliche Strukturen, Kühlplatten und -rippen, Isolierbahnen, Temperaturerfassungseinrichtungen oder dergleichen. Um das Modul 100 zu bilden, können zumindest einige der hierin erläuterten Komponenten in einer sich wiederholenden stapelartigen Weise angeordnet werden. Es können beispielsweise mehrere Batteriezellen 110 zwischen mehreren Wärmeaustauschelementen 120 eingestreut sein. Die Batteriezellen 110 umfassen laschenartige Elektroden 114, durch welche der innerhalb jeder der Zellen 110 erzeugte elektrische Strom zu einer Last oder einem ähnlichen Werkstück wie z. B. Rädern, Elektromotoren oder dergleichen fließen kann. Wie gezeigt definieren die Zellen 110 eine relativ dünne, rechteckig geformte Struktur, sodass die allgemein ebenen Flächen die freiliegende Oberfläche im Wesentlichen maximieren. Es kann eine optionale flexible Folienheizung 130 zwischen den Batteriezellen 110 und Wärmeaustauschelementen 120 als eine Möglichkeit eingestreut sein, eine zusätzliche aktive Heizung bereitzustellen als auch als eine zusätzliche thermische Barriere gegen den Wärmefluss Q2 durch die Dicke zu fungieren, wie auch als eine Möglichkeit, eine Verbindung zu einer optionalen aktiven Heizquelle (nicht gezeigt) zur Verwendung zum Starten bei kaltem Wetter oder ähnlichen Niedertemperatursituationen herzustellen. In einer Form kann die flexible Folienheizung 130 ein Kapton-flexibles Material sein, welches mit einer geeigneten Heizvorrichtung verbunden sein kann. Die flexible Beschaffenheit des Substrats 122 (wie auch der Graphenschicht 124, welche auf dem Substrat 122 aufgebracht oder anderweitig damit gekoppelt ist) hilft dabei, das Erleichtern des Zusammenbaus zu unterstützen, insbesondere, wenn es mit einer nicht ebenen oder einer ähnlichen unregelmäßigen Fläche gekoppelt ist. Ebenso erfolgt der Transport von Wärme zu oder von den verschiedenen Batteriezellen 110 bevorzugt durch einen Wärmepfad 126, der in thermischer Verbindung mit einer Wärmesenke 200 steht. Das hoch anisotrope thermische Verhalten der Graphenschichten 124 gestattet es, dass diese dünne Elemente für benachbarte Batteriezellen oder andere Komponenten bilden, die ein volumeneffizientes Wärmeaustauschvermögen benötigen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene kann, wenn sie zu dem Wärmepfad 126 ausgedehnt wird, einen bequemen Pfad für den Fluss von Wärme zwischen der/den benachbarten Batteriezelle oder -zellen 110 und der Wärmesenke 200 bereitstellen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 in Verbindung mit 2 sind die Wärmeaustauschelemente 120 derart dimensioniert und geformt, dass sie annähernd die gleichen Außenabmessungen wie jene der Zellen 110 aufweisen. Auf diese Weise können das/die aus den gestapelten Zellen 110 und Platten 120 bestehende Modul 100 und Batterie 10 in einer relativ kompakten geometrischen Form wie z. B. einem Würfel gebildet werden. In einer speziellen Form bestehen die Wärmeaustauschelemente 120 aus einer geschichteten Anordnung eines allgemein ebenen polymeren Substrats 122, auf dem eine oder mehrere Schichten von orientierten Graphenschichten 124 angeordnet oder aufgebracht sind. In einer bevorzugten Form weist das Substrat 122 sowohl die strukturelle Steifigkeit als auch die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit durch die Dicke auf, die notwendig ist, sodass es, wenn es gegen benachbarte Zellen 110 angeordnet wird, sowohl als ein Träger für die Graphenschichten 124 als auch als eine thermische Barriere gegen eine Wärmeübertragung von Zelle zu Zelle fungieren kann. Beispiele für geeignete polymere Substrate 122 wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Nylon weisen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (weniger als 1 W/m) auf, was den Effekt hat, die Gesamtsystemwärmeleitfähigkeit durch die Ebene zu verringern. Durch Anordnen der Graphenschicht 124 auf einem flexiblen Polymersubstrat 122 kann die ausgerichtete Graphenschicht 124 an jede Form angepasst werden, die erwünscht ist, um sie in thermischer Verbindung mit einer oder mehreren der Zellen 110 und einer Wärmesenke (oder -Quelle, je nach Bedarf) 200 anzuordnen, begrenzt nur durch den Mindestbiegeradius der Monoschichtstruktur der Graphenschicht 124, welcher erforderlich ist, um ein Zerbrechen des Wärmepfads in der Ebene zu vermeiden. Wie gezeigt, kann die Graphenschicht 124 abhängig von den Kühl- oder Heizanforderungen auf beiden Seiten des Substrats (wie gezeigt) oder auf einer einzigen Seite angeordnet sein. Es wird für Fachleute ebenso einzusehen sein, dass die bidirektionale Natur des Flusses von Wärme zwischen dem Batteriemodul 100 und der Wärmesenke 200 durch den Wärmepfad 126 bedeutet, dass die Wärmesenke 200 auch als eine Wärmequelle ausgestaltet sein kann; ob sie als eine Quelle oder Senke fungiert, wird aus dem Kontext offensichtlich. Das Substrat 122 ist aufgrunddessen, dass es aus einem Material mit einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit wie z. B. den oben erläuterten hergestellt ist, dabei hilfreich, die thermische Wechselwirkung zwischen benachbarten Zellen 110 zu begrenzen. Darüber hinaus kann das Substrat 122 als komprimierbares Medium hergestellt sein; solch eine Struktur gestattet es dem Modul 100, eine Wärmeausdehnung oder - schrumpfung durch die Dicke der gestapelten Zellen 110 des Moduls 110 auszugleichen.
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Die Wärmeaustauschelemente 120 sind zwischen den Zellen 110 in einer sandwichartigen Weise eingestreut. Auf diese Art und Weise können sowohl die geringe Wärmeleitfähigkeit durch die Dicke (durch den Wärmefluss Q2 durch die Dicke dargestellt) als auch die hohe Wärmeleitfähigkeit parallel zu den Schichten (durch den Wärmefluss Q1 parallel zu den Schichten dargestellt, welcher als durch den Wärmepfad 126 auf dem Weg zu oder von der Wärmesenke 200 verlaufend angenommen gezeigt ist, wobei solche Darstellungen als parallel zu den Schichten in beiden Richtungen fließend verstanden werden können) verwendet werden, um erwünschte Wärmemanagement-Eigenschaften während sowohl normaler Betriebsbedingungen der Batterie 10 wie auch in Situationen bereitzustellen, in denen für eine oder mehrere Zellen 110 die Gefahr eines thermischen Durchgehens besteht. Die Wärmepfade mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit durch die Kanten der Graphenschichten 124 (d. h. entlang der Ebene der hexagonalen Kristallstruktur der Graphenschicht) können zu der entfernten Wärmesenke 200 geleitet werden, wie durch die repräsentative Anschlussmöglichkeit zwischen dem am weitesten links befindlichen Wärmeaustauschelement 120 und der Wärmesenke 200 von 2 gezeigt. Fachleute werden einsehen, dass die vereinfachten Darstellungen der 2 und 3 einige redundante Details aller Wärmepfade 126 (wie z. B. die zuvor erwähnte Anschlussmöglichkeit zu der Wärmesenke 200) nicht zeigen; nichtsdestoweniger wird es verständlich sein, dass diese redundanten Merkmale in einer allgemein ähnlichen Weise wie der gezeigten vorhanden sind. In einer Form können die Wärmepfade 126 als Folienheizungen ausgestaltet sein, um die erforderliche Heizung in Niedertemperaturumgebungen bereitzustellen, wo das Starten und der Betrieb einer Batterie die Batterielebensdauer besonders stark belasten kann. In einer Form können diese flexiblen Folienheizungen aus Kapton™ von DuPont hergestellt sein. Ebenso können die Wärmepfade aus einem flexiblen Material in einer Weise hergestellt sein, die jener des Substrats 122 ähnlich ist.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 4A und 4B können sich andere Einrichtungen wie z. B. Thermistoren 140 oder ähnliche Sensoren zwischen den verschiedenen Komponenten befinden, um die Batteriezellen 110-Temperatur zu überwachen. In einer bevorzugten Form können die Thermistoren 140 ebenfalls aus dem ausgerichteten Graphenmaterial hergestellt sein. Wie insbesondere in 4A gezeigt, kann der Thermistor 140 an einer spezifischen Erfassungsposition (z. B. einer Stelle mit bekannter oder vermuteter hoher elektrischer Stromdichte) der Graphenschicht 124 oder in Mustern entlang des Substrats 122 aufgebracht sein, um die Gesamtmenge an benötigtem Graphen für eine Anwendung zu reduzieren. Um den ungewollten Mitzieheffekt zwischen der Graphenschicht 124 und dem Thermistor 140 zu verhindern, ist zwischen diesen ein kleiner Zwischenraum 124A gebildet. Wie insbesondere in 4B gezeigt, kann eine wesentliche Gesamtheit einer Oberfläche des Substrats 122 mit einer Graphenschicht 124 in einer Weise beschichtet sein, die jener von 2 allgemein ähnlich ist. In solch einem Fall steht der Thermistor 140 mit der Oberfläche der Graphenschicht 124 nur an einer günstigen Stelle um den Umfang in Kontakt.
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Es können andere passive Vorrichtungen in Verbindung mit den Wärmeaustauschelementen 120 der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es können z. B. auch Wärmerohre (nicht gezeigt), insbesondere in Fällen verwendet werden, wo das thermische Durchgehen einer oder mehrerer Zellen 110 von Belang sein kann. Ein Beispiel für die Verwendung solcher Wärmerohre ist in der U.S.-Patentanmeldung US 2013 / 0 130 074 A1 mit dem Titel METHOD FOR MITIGATING THERMAL PROPAGATION OF BATTERIES USING HEAT PIPES zu finden, welche sich im Besitz des Anmelders der vorliegenden Erfindung befindet.
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Die Erfinder im vorliegenden Fall haben festgestellt, dass, um eine gewünschte Balance zwischen Batterielebensdauer und -leistung zu erreichen, nur geringe Temperaturschwankungen zwischen den Modulen 100 der Batterie 10 zulässig sind. Auf der Basis einer Batterie nach dem derzeitigen Stand der Technik sollten diese Unterschiede von Modul zu Modul nicht mehr als etwa 5 °C betragen. Außerdem haben die Erfinder im vorliegenden Fall festgestellt, dass bestimmte Arten von Batterien wie z. B. Li-Ionen-Batterien am besten bei Temperaturen zwischen 25 °C und 40 °C funktionieren. Die Wärmeaustauschelemente 120 können (in Verbindung mit der Wärmesenke 200) für eine spezifische Betriebstemperatur ausgelegt sein, welche der optimalen Batteriezelle 110 genügt; ebenso ist die extrem hohe Wärmeleitfähigkeit der Graphenschichten 124 dabei hilfreich, schnelle, hoch effektive Wärmeübertragungswerte zu begünstigen, die zweckdienlich sind, um eine relativ konstante Temperaturverteilung über die Zellen 110 hinweg aufrechtzuerhalten.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung“ hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine Quelle für Antriebsleistung, ein Fahrzeug, welches die Quelle für Antriebsleistung beinhaltet, oder eine andere Einrichtung umfassen, die das Fahrzeug oder die Quelle von Antriebsleistung bilden oder in Verbindung damit verwendet werden kann. Des Weiteren sind Abweichungen bei den Ausdrücken „Kraftfahrzeug“, „kraftfahrzeugtechnisch“ „fahrzeugtechnisch“ oder dergleichen allgemein zu verstehen, sofern der Kontext nichts anderes bestimmt. Als solches wird die Bezugnahme auf ein Kraftfahrzeug so zu verstehen sein, dass sie Autos, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder und andere ähnliche Transportarten einschließt, sofern im Kontext nicht spezieller vorgebracht.
