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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein das passive Wärmemanagement von Batterien und Teilen davon und im Spezielleren die Verwendung eines Wärmerohres mit einer Druckentlastungsvorrichtung, um die Gefahr einer Wärmeausbreitung von innerhalb der Batterie während eines thermischen Ereignisses entwickelten Wärme zu reduzieren.
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Lithium-Ionen- und ähnliche Batterien, kollektiv als wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS, vom engl. rechargeable 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 können ein vorzeitiges Altern und einen beschleunigten 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. Die Temperatur, bei der eine exotherme Reaktion stattfindet, ist als die Einsetztemperatur bekannt. Die Wärme, die erforderlich ist, um eine exotherme Reaktion aufrechtzuerhalten, ist die Reaktionswärme. Die Bereitstellung einer Wärmequelle, welche die Einsetztemperatur überschreitet und die Reaktionswärme aufrechterhält, ist als ein thermisches Ereignis bekannt. Solche thermischen Ereignisse könnten, wenn sie unkontrolliert bleiben, möglicherweise zu einem Zustand stärker beschleunigter Wärmeentwicklung führen, welcher 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 der Reaktion beteiligt sind. Von speziellem Belang ist die Möglichkeit einer übermäßigen Erwärmung und eines damit einhergehenden Schadens 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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Wärmerohre können verwendet werden, um einige der oben erwähnten Wärmeübertragungslösungen zu bewerkstelligen; allerdings kann die Herstellung eines Wärmerohres auch mit Schwierigkeiten behaftet sein. In einer Form wird das Rohr zuerst gebaut und dann mit einem geeigneten Wärmeübertragungsfluid (typischerweise deionisiertem Wasser) gefüllt, worauf der innere Teil des Rohres und der Materialbehälter darin fluidtechnisch von der umliegenden Umgebung isoliert werden. Solch eine Anordnung unterliegt potentiell Störungen infolge eines übermäßigen inneren Druckes, Kontamination oder chemischen Abbaus des Wärmeübertragungsfluids, wenn es während der nachfolgenden Herstellung (z. B. Schweißen oder sonstiges Befestigen des Wärmerohres an einer Kühlrippe, einer Platte, einer Wärmesenke oder einer anderen Struktur) zu großer Hitze ausgesetzt wird. Eine Möglichkeit, diese Herausforderung zu umgehen, ist das nachbearbeitende Füllen des Wärmeübertragungsfluids in das Wärmerohr; allerdings ist solch eine Vorgangsweise anfällig für eine Kontamination entweder des Wärmeübertragungsmediums oder der Montage, wobei beides eine Störung des Betriebes des Wärmerohres zur Folge haben könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Batterie-Wärmemanagementsystem, das auf der Basis der Verwendung eines Wärmeübertragungsfluids in einem passiven Wärmeaustauschelement verwendet wird, besitzt das Potential, den Schaden an einer Batterie unter übermäßig hohen Temperaturbedingungen zu begrenzen und ist somit wirksam, um eine Temperaturgleichmäßigkeit zu erhöhen, wie auch gegen Bedingungen eines thermischen Durchgehens zu schützen. Dies ist dabei hilfreich, die Lebensdauer wärmeempfindlicher Komponenten wie z. B. der ladungstragenden Batteriezellen, welche die Baublöcke der Batteriemodule und Batterieblöcke bilden, zu verlängern. In einer speziellen Form kann ein Wärmerohr (oder ein auf einem Wärmerohr basierendes System) einen Kanal in der Form eines/r eingeschlossenen Rohres oder Rippe und ein darin befindliches Wärmeübertragungsfluid umfassen, welches eine große Menge latenter Wärme (in einigen Fällen bis um das Fünfzigfache höher als die Eigenwärme) während isothermer (d. h. bei konstanter Temperatur) Phasenänderungen absorbieren und freisetzen kann. Es wird verständlich sein, dass wie nachfolgend auch in näherem Detail erläutert wird, der Ausdruck „Wärmerohr”, wie im vorliegenden Kontext verwendet, nicht einfach traditionelle rohrförmige Ausführungsformen, sondern auch solche anderer Formen wie z. B. allgemein rippenartige Elemente umfasst, wobei allgemein dünne, flache Strömungskanäle zwischen gegenüberliegenden, allgemein parallelen Platten angeordnet sind. Die Verwendung von Wärmerohren kann dabei helfen, die Notwendigkeit aktiver Kühlkomponenten wie z. B. eines Ventilators, eines Gebläses oder einer Pumpe in einem Zwangsluft- oder einem forcierten Flüssigkeitskühlsystem zu reduzieren oder zu beseitigen, indem sie Wärme von der Quelle zu einer Stelle unterhalb der Kondensationstemperatur des Wärmeübertragungsfluids bewegen. Dies ist insofern vorteilhaft, als das Wärmerohrsystem die Fähigkeit bereitstellen kann, die Zelle in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten, ohne Leistung von der Batterie oder einer anderen Energiequelle zu beziehen. Wärmerohre in engem Kontakt mit Batteriezellen können als Wärmepuffer wirken, die wiederum einen reduzierten Leistungsschwund, einen reduzierten Kapazitätsschwund, eine verbesserte Batterielebensdauer und -Haltbarkeit, reduzierte Garantiekosten, einen verbesserten Fahrzeugbereich und die Verhinderung eines thermischen Durchgehens zur Folge haben können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Batteriemodul offenbart. Das Batteriemodul umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, welche ausgestaltet ist/sind, um elektrischen Strom (z. B., aber nicht beschränkt auf die Bereitstellung von Antriebsleistung an ein Kraftfahrzeug) zu liefern, und ein Wärmerohr, welches in thermischer Verbindung mit einer oder mehreren der Batteriezellen angeordnet ist. Das Wärmerohr umfasst einen Behälter mit einem darin befindlichen Wärmeübertragungsfluid und eine Druckregelungsvorrichtung. Das Wärmeübertragungsfluid absorbiert Wärme an einem Wärmequellenende des Wärmerohres durch eine Phasenänderung von flüssig zu gasförmig und setzt dann die Energie frei, wenn das Gas an der Wärmesenke wieder kondensiert wird. Die Druckregelungsvorrichtung (hierin auch als Druckentlastungsvorrichtung bezeichnet), der Behälter und das Wärmeübertragungsfluid wirken miteinander zusammen, sodass nach dem Erreichen eines thermischen Ereignisses innerhalb der Batteriezelle oder -zellen die Druckregelungsvorrichtung eine fluidtechnische Verbindung des Wärmeübertragungsfluids, nunmehr in der Gasphase, innerhalb des Behälters mit einer umliegenden Umgebung gestattet. In einer Form, wenn ein thermisches Ereignis auftritt, ist der Druck hinreichend, um die Druckregelungsvorrichtung zu überwinden; dies wiederum bewirkt die Auslösung oder eine ähnliche Aktivierung der Druckregelungsvorrichtung, was zur Folge hat, dass sich ein Leerraum in dem Wärmerohr bildet, sodass das in dem Rohr befindliche Wärmeübertragungsfluid, z. B. in die umliegende Umgebung, abgegeben werden kann, um so die in dem Wärmeübertragungsfluid vorhandene latenten Wärme schnell zu entfernen. In dem vorliegenden Kontext ist ein thermisches Ereignis eines, bei dem eine Temperatur über einer bestimmten Schwelle in der/m oder um die Batteriezelle oder das Wärmerohr herum vorhanden ist. Solch eine Übertemperatur produziert typischerweise entweder eine Wärmeausdehnung in ausgesetzten Materialien (in Fällen, in denen dem ausgesetzten Material die Möglichkeit gegeben wird, sich auszudehnen) oder erhöht den Fluiddruck (in Fällen, in denen dem ausgesetzten Material nicht die Möglichkeit gegeben wird, sich auszudehnen, z. B. wenn es innerhalb eines festen Volumens enthalten ist). Durch die Freisetzung von latenter Wärme, die in dem innerhalb des Wärmerohres enthaltenen Wärmeübertragungsfluid vorhanden ist, kann das Batteriemodul die Wärmeausbreitung von Wärme zu benachbarten Zellen oder anderen wärmeempfindlichen Komponenten verhindern oder beseitigen.
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In einer optionalen Form definiert das Wärmerohr eine allgemein zylindrische äußere Struktur, während es in einer anderen eine allgemein plattenartige, rechteckige Struktur oder Rippe definiert. Zylindrische Wärmerohre können in/mit einer Platte integriert oder verbunden sein, welche als eine Kühlrippe an der Wärmequelle oder Zelle verwendet wird, wobei ein thermischer Durchgang in Verbindung mit einer Wärmesenke vorhanden ist. Rechteckige Wärmerohre, ganz wie Wärmerohrkühlrippen, können in Verbindung mit der Wärmequelle angeordnet sein, wobei ein thermischer Durchgang in Verbindung mit einer Wärmesenke vorhanden ist, wobei der thermische Durchgang einen direkten Kontakt des/der Wärmerohres/rippe mit der Wärmesenke umfassen kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Ein gemeinsames Merkmal des Wärmerohres ist unabhängig von seiner geometrischen Form ein allgemein zweizoniger Aufbau, bei dem sich eine Verdampfungszone in der Nähe der Wärmequelle befindet, um Wärme zu absorbieren und dabei das Fluid von einer Flüssigkeit in ein Gas überzuführen, und eine Kondensationszone in der Nähe der Wärmesenke befindet, wo das Fluid die Energie freisetzt, wenn es aus seiner Gasphase in eine flüssige Phase zurückkondensiert. Solch ein zweizoniger Aufbau erleichtert die Bewegung des darin enthaltenen Wärmeübertragungsfluids, wobei die Bewegung durch die Differenz der Fluidtemperatur innerhalb der zwei Zonen als eine Möglichkeit bestimmt ist, das Fluid von der Wärmequelle zu der Wärmesenke zu transportieren. In einer anderen optionalen Form können die Wärmerohre oder Rippen das Außenluftvolumen des Blocks als den Wärmeübertragungsdurchgang von den Wärmerohren zu der Wärmesenke verwenden, wobei das/die Wärmerohr/Rippe in thermischer Verbindung mit den Zellen und der Blockaußenluft stehen würde und die Temperatur des Blockaußenluftvolumens würde durch eine Wärmesenke gesteuert, welche sich entweder innerhalb oder außerhalb des Batterieblocks befindet. In dieser Option würde die innere Batterieblocktemperatur innerhalb einer nominalen Betriebstemperatur geregelt werden und die Wärmerohrfunktion besteht darin, abhängig von den Wärmegradienten für horizontale Wärmerohranwendungen, entweder Wärme zu entfernen oder Wärme einzusetzen. In jeder Form ist das Wärmerohr im Wesentlichen geschlossen, sodass es während eines Normalbetriebes eine Umgebung definiert, welche von der umliegenden Umgebung im Wesentlichen fluidtechnisch isoliert ist. In einer anderen speziellen Form ist das Wärmeübertragungsfluid ausgestaltet, um Wärme von der/den Batteriezelle oder -zellen über einen Übergang von Flüssigkeit zu Gas zu entziehen. Somit kann solch ein Fluid, welches als Teil eines Wärmerohres gebildet ist, als eine Wärmeregelungsvorrichtung für eine Lithium-Ionen- oder eine ähnliche Batteriezelle dienen, oder Teil eines Strukturelements oder einer ähnlichen Komponente (z. B einer Kühlplatte oder Kühlrippe) sein, welche/s in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle angeordnet sein kann. Innere Strömungspfade, welche entweder in den zylindrischen oder plattenartigen Ausgestaltungen gebildet sind, werden verwendet, um das verdampfende Fluid von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu transportieren, während das kondensierende Fluid mittels Schwerkraft von einer Wärmesenke zu der Wärmequelle transportiert wird. Optional, wenn Wärmerohre verwendet werden, die für horizontale Anwendungen konstruiert sind, kann das Wärmeübertragungsfluid über die Temperaturdifferenz über dem Wärmerohr und ein Dochtwirkungssystem oder Kapillarwirkung transportiert werden, um das Wärmeübertragungsfluid zurück zu der Wärmequelle zu transportieren. Die Druckregelungsvorrichtung ist bevorzugt in der Form einer Berstscheibe, eines Druckentlastungsventils oder einer vergleichbaren Struktur vorhanden. In einer anderen Form ist der Behälter aus einem Metall oder einem anderen Strukturmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Auf diese Weise bilden die Wärmerohre ein Wärmeaustauschelement, welches, wenn es thermisch mit einer externen Wärmesenke (z. B. entweder direkt oder über eine benachbarte Kühlplatte oder einen ähnlichen Wärmeübertragungsmechanismus) gekoppelt ist, einen relativ effizienten Pfad für Wärme, die von den einzelnen Zellen der Batterie entwickelt wird, bereitstellen, um durch die äußere Struktur des Wärmerohres zu entweichen. Dies ist besonders nützlich in Situationen, in denen das Wärmeübertragungsfluid aus dem Wärmerohr mithilfe der Druckregelungsvorrichtung freigesetzt wurde, welche auf Überschusswärme und den Innendruck von einer Wärmequelle (z. B. ein thermisches Zellenereignis) anspricht, während der innerhalb der Struktur der Wärmerohrrippe verbleibende Luftspalt als eine zusätzliche thermische Barriere zwischen benachbarten Zellen fungieren würde. In einer speziellen optionalen Form kann das Wärmerohr in thermischer Verbindung mit einer Kühlplatte -rippe oder einem anderen Wärmeübertragungsmechanismus angeordnet werden. Die Kühlplatte oder -rippe kann z. B. eine allgemein dünne, rechteckige Struktur mit über einer oder beiden Flächen angeordneten Kühlkanälen aufweisen, während die Wärmerohre allgemein zylindrische Elemente bilden, welche sich über einer oder beiden der Platten- oder Rippenflächen erstrecken. Fachleute werden einsehen, dass thermische Durchgänge von der Wärmequelle zu der Wärmesenke anwendungsspezifisch wären. Ebenso kann für Anwendungen, bei denen eine aktive Erwärmung der Zellen erforderlich ist, ein horizontal ausgestaltetes Wärmerohr mit einem Dochtwirkungs (bidirektionalen Wärmerohr)-System verwendet werden, um Wärme von einer Wärmequelle zu übertragen. Für Anwendungen wie beispielsweise im Wesentlichen vertikale Wärmerohre, bei denen die Schwerkraft das einzige Mittel ist, um das kondensierte Wärmeübertragungsfluid zurück zu der Wärmequelle zu transportieren (unidirektionales Wärmerohr), kann ein flexibler Heizungsfilm verwendet werden, um das Vorheizen der Zellen in dem Modul zu unterstützen. In einer Form können diese flexiblen Heizungsfilme von DuPont's CooLamTM hergestellt sein. Fachleute werden einsehen, dass thermische Durchgänge von der Wärmequelle (an einem Ende des Rohres) zu der Wärmesenke (an dem anderen Ende) anwendungsspezifisch und durch akzeptable Wärmeübertragungsleistungs-Spezifikationen bestimmt wären. Für Anwendungen, bei denen eine aktive Erwärmung der Zellen erforderlich sein kann, kann entweder eine im Wesentlichen horizontale Wärmerohrorientierung mit einem Dochtwirkungs (d. h. einem bidirektionalen Wärmerohr)-System verwendet werden, um Wärme von einer Wärmequelle wie z. B. heißer Luft, Flüssigkeit zu übertragen, oder es kann ein Phasenänderungsmaterial (PCM, vom engl. Phase change material) mit gespeicherter latenter Wärme verwendet werden. Im Wesentlichen horizontale (oder leicht abgewinkelte) Ausgestaltungen können die Kapillarwirkung nutzen, um das Wärmeübertragungsfluid vor- und zurück zu transportieren.
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In einer speziellen Form ist der Batterieblock aus vielen Batteriemodulen hergestellt, die wiederum jeweils aus einer oder mehreren Batteriezellen bestehen, von denen jede elektrischen Strom für Antriebsleistung für ein Kraftfahrzeug liefert. In dem 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. 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.
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In einer bevorzugten Form wird das Wärmeübertragungsfluid dazu gebracht, Phasenänderungen und einen damit einhergehenden Wärmeaustausch unter Temperaturen zu durchlaufen, denen es in Kraftfahrzeuganwendungen typischerweise begegnet. In einer Form kann das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Wärmeübertragungsfluid ausgestaltet sein, um je nach den Erfordernissen des Batteriemoduls eine Phasenänderung in dem Bereich von allgemein etwa –10°C bis etwa 40°C oder einen spezielleren Wert innerhalb dieses Bereiches zu erfahren; Fachleute werden einsehen, dass auch kleine Abweichungen in der Nähe dieser Temperaturen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegen, sofern solche Schwankungen der thermischen Umgebung entsprechen, in der das Kraftfahrzeug betrieben wird und solch eine Umgebung eine ist, für welche das Kraftfahrzeug konstruiert ist und vernünftigerweise zu erwarten ist, dass es dieser während solch eines Betriebes ausgesetzt ist. Als solche kann die Phasenänderungstemperatur auf spezielle Temperaturerfordernisse entweder durch Änderung der chemischen Zusammensetzung oder des Innendrucks des Wärmerohres „abgestimmt” werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug offenbart. Bestimmte Teile des Kraftfahrzeuges wie z. B. das Chassis, die Karosserie mit einem oder mehreren Sitzen, Räder und diesbezügliche Steuerungsmechanismen sind herkömmliche. Außerdem umfasst das Kraftfahrzeug ein Antriebssystem zur Bereitstellung von Antriebsleistung. 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 Wärmerohr, welches in thermischer Verbindung mit der/den Batteriezelle oder -zellen angeordnet ist. Das Wärmerohr weist ein darin enthaltenes Wärmeübertragungsfluid auf, sodass, wenn das Element im Allgemeinen und das Wärmeübertragungsfluid im Besonderen einem thermischen Ereignis ausgesetzt wird, welches durch die oder in der Nähe der Batteriezelle ausgelöst wird, die Übertemperatur und der damit einhergehende Druck, welche an das Wärmeübertragungsfluid weitergegeben werden, bewirken werden, dass das Fluid oder Gas (abhängig von der Phase) aus dem Wärmerohr ausgestoßen wird.
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Optional umfasst das Wärmerohr bevorzugt eine Druckentlastungsvorrichtung, sodass nach dem Erreichen des thermischen Ereignisses die Druckentlastungsvorrichtung eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem innerhalb des Wärmerohres enthaltenen Wärmeübertragungsfluid und der umliegenden Umgebung zulässt; solch eine fluidtechnische Verbindung gestattet die Freisetzung oder eine ähnliche Abgabe des Wärmeübertragungsfluids. Die Druckentlastungsvorrichtung kann mehrere Formen wie z. B. die oben erläuterten einschließlich einer Berstscheibe annehmen, die fluidtechnisch innerhalb des Wärmerohres angeordnet ist. In einem normalen Betriebszustand (d. h., wenn die Temperatur in der oder um die Batteriezelle herum und der Druck des Wärmeübertragungsfluids innerhalb des Wärmerohres innerhalb der Auslegungsgrenzen des Rohres liegt) bildet die Berstscheibe eine fluidtechnische Barriere zwischen einem Inneren des Wärmerohres und der umliegenden Umgebung. In einem Überschussbetriebszustand (wie z. B. jenem in Verbindung mit dem oben erwähnten thermischen Ereignis) wird die Berstscheibe entweder brechen oder von dem Behälter abgestoßen werden. In einer anderen Form kann das Wärmerohr eine Kühlplatte umfassen (oder damit gekoppelt sein).
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmerohres zur Verwendung in einem Batteriemodul offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Wärmeübertragungsfluid innerhalb des Wärmerohres aufgenommen wird und es so angeordnet wird, dass es in thermischer Verbindung mit einer oder mehreren Batteriezellen steht, welche das Modul bilden. Auf diese Weise bewirkt ein Temperaturanstieg in dem oder um das Modul herum, dass das Wärmeübertragungsfluid einen Druck auf das Wärmerohr ausübt; in Fällen, in denen der Temperaturanstieg hoch genug ist, überschreitet der damit einhergehende Druckanstieg, welcher durch das Wärmeübertragungsfluid auf dem Wärmerohr ausgeübt wird, eine vorbestimmte Schwelle, sodass eine Druckentlastungsvorrichtung aktiviert wird, die bewirkt, dass das Wärmerohr zumindest einen Teil des Wärmeübertragungsfluids freisetzt. Durch das Bilden eines Wärmerohres mithilfe solch einer Druckentlastungsvorrichtung (z. B. einer Berstscheibe, eines/r Entlastungsventils, -kappe oder eines anderen kalibrierten Elements, welches ausgestaltet ist, um bei einem/r vorbestimmten erhöhten Druck oder Temperatur auszulösen), besteht ein geringeres Risiko, dass anschließende Herstellungsschritte (insbesondere jene, welche eine Hitzeeinwirkung und einen damit einhergehenden Überdruck innerhalb des Wärmerohres beinhalten können), die Funktionalität des zusammengebauten Wärmerohres beschädigen oder anderweitig behindern. Ebenso hilft die frühe Isolierung des Innenraumes des Wärmerohres, eine Kontamination in Verbindung mit dem Weglassen der Berstscheibe (oder einer Stellschraube, die verwendet wird, um die Berstscheibe während der Wärmerohrerzeugung in Position zu halten) zu vermeiden.
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In einer optionalen Form umfasst das Wärmerohr eine Druckentlastungsvorrichtung, die verwendet werden kann, um das innerhalb des Wärmerohres enthaltene Fluid von einer umliegenden Umgebung zumindest dann zu isolieren, wenn ein Druck, welcher von dem Fluid auf dem Wärmerohr ausgeübt wird, die vorbestimmte Schwelle nicht überschreitet; diese Schwelle kann auf die speziellen Bedürfnisse des Wärmerohres oder des darin enthaltenen Fluids maßgeschneidert werden. Es kann eine Stellschraube verwendet werden, um die Druckentlastungsvorrichtung zumindest während eines Abschnitts der Rohrherstellung wie z. B. während des Befestigens des Wärmerohres an der Batteriezelle, einer Kühlplatte, einem Rahmen oder einem anderen strukturellen Element in Position zu halten. Beispiele für solch eine Befestigung umfassen Schweißen, Weichlöten, Hartlöten oder andere wärmeintensive Mittel, welche Fachleuten bekannt sind. Wie oben erwähnt, kann das Wärmerohr eine im Wesentlichen zylindrische oder im Wesentlichen rechteckige Form definieren.
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In einer optionalen Form erfolgt die Freisetzung des Wärmeübertragungsfluids durch die Aktivierung einer Druckentlastungsvorrichtung. In einer spezielleren Form kann solch eine Druckentlastungsvorrichtung eine Berstscheibe sein, welche die notwendige Betätigung und die diesbezügliche Abgabe zumindest eines Teils des Wärmeübertragungsfluids durch das Brechen oder Entfernen der Scheibe erreicht. In einer bevorzugten Form ist das Wärmerohr ein Wärmerohr zusammen mit einer Druckentlastungsvorrichtung, um eine selektive Freisetzung des in dem Wärmerohr enthaltenen Wärmeübertragungsfluids zuzulassen. Somit wirkt die Druckentlastungsvorrichtung mit dem Wärmerohr zusammen, um das Wärmeübertragungsfluid von der umliegenden Umgebung zumindest dann zu isolieren, wenn ein von dem Wärmeübertragungsfluid auf dem Wärmerohr ausgeübter Druck die vorbestimmte Druckschwelle nicht überschreitet. In einer anderen Option kann das Wärmerohr ferner eine Kühlplatte umfassen, welche in thermischer Verbindung mit dem Wärmerohr angeordnet ist. In einer noch weiteren Option umfasst das Anordnen des Wärmerohres, sodass es in thermischer Verbindung mit einer oder mehreren Batteriezellen steht, dass die Kühlplatten und die Batteriezellen in einer sandwichartigen Struktur eingestreut werden, wobei benachbarte gegenüberstehende Flächen der Zellen und Platten gegeneinander angeordnet werden, um die gemeinsame Oberfläche zwischen ihnen zu maximieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Hybridantriebssystem in der Form eines Batterieblocks und eines Verbrennungsmotors;
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2A ist eine vereinfachte Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls, welches den Batterieblock von 1 bildet, wobei das Modul ein passives Wärmemanagement umfasst;
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2B zeigt mehr Details eines Wärmerohres, welches als eine Ausführungsform verwendet werden kann, um ein passives Wärmemanagement an das Batteriemodul von 2A bereitzustellen;
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3A bis 3C zeigen in vereinfachter Form den Zusammenbau eines Wärmerohres, welches verwendet wird, um ein passives Wärmemanagement eines oder mehrerer Batteriemodule bereitzustellen;
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4A bis 4C zeigen einen Betriebsmodus der Wärmerohre der 3A bis 3C für normale (4A) und thermische Durchgeh (4B und 4C)-Betriebsmodi;
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5A zeigt eine alternative Ausführungsform von Wärmerohren, welche als ein passives Wärmemanagement zwischen Zellen eines Batteriemoduls verwendet werden; und
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5B zeigt Details der alternativen Ausführungsform der Wärmerohre von 5A.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Zuerst Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Fahrzeug 1 ein Hybridantriebssystem in der Form eines Batterieblocks 10 und eines herkömmlichen ICE 20. Wie oben erwähnt, ist solch ein Fahrzeug als ein HEV bekannt. Der Batterieblock 10 verwendet mehrere Batteriemodule 100, welche typischerweise in einer sich wiederholenden Gruppierung angeordnet sind, wie gezeigt. In einem typischen Beispiel kann der Batterieblock 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; jede Form liegt innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 2A ist eine Explosionsdarstellung abgebildet, die wesentliche Abschnitte eines Batteriemoduls 100 mit passiven Wärmeausbreitungsverhinderungsmerkmalen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Fachleute werden einsehen, dass andere zum Betrieb notwendige Batteriekomponenten nicht gezeigt sind, um diese Wärmeausbreitungsverhinderungsmerkmale besser hervorzuheben. Beispiele für solche hier weggelassene Komponenten umfassen Rahmen und eine ähnliche Struktur, Kühlplatten und -rippen und Isolierbahnen 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 mit stromführenden Elektroden 112, 114 zwischen mehreren Kühlplatten 120 eingestreut sein. Es können auch zusätzliche Komponenten wie z. B. Folienheizungen (nicht gezeigt) umfasst sein. Solche Folien – welche in einer Form eine flexible Bahn sein können – können für eine aktive Heizung in Niedertemperaturumgebungen verwendet werden, wo das Starten und der Betrieb einer Batterie die Batterielebensdauer besonders stark belasten können. In einer Form können diese flexiblen Folienheizungen aus DuPont CooLamTM hergestellt sein. Außer dass die flexiblen Folienheizungen von den Batteriezellen 110 entwickelte Überschusswärme wegtransportieren, können sie verwendet werden, um Wärme zu den Zellen 110 hin zu transportieren. Sie können insbesondere mit einer externen Quelle (z. B. einer externen elektrischen Stromquelle) gekoppelt sein, um eine aktive Heizung zur Verwendung in kalten Niedertemperatursituationen bereitzustellen, wo Gefrieren ein Problem sein kann.
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Wie gezeigt, umfassen die Kühlplatten 120 Wärmerohre 122. Fachleute werden einsehen, dass die vorliegende Abbildung der Wärmerohre 122 nur an gegenüberliegenden Kanten der Kühlplatten 120 rein beispielhaft ist und dass die Wärmerohre 122 in einer speziellen Ausführungsform Seite an Seite über eine im Wesentlichen Gesamtheit einer oder beider Hauptflächen jeder der Platten 120 angeordnet sein können. Die Verwendung einer geeigneten Flüssigkeit innerhalb der Wärmerohre 122 unterstützt die zusätzliche Wärmübertragung durch das selektive Verdampfen und Kondensieren einer kleinen Menge Arbeitsfluid, welche in einem evakuierten und abgedichteten Behälter enthalten ist, der lokale Schwankungen des Innendrucks des Fluids nutzen kann, um eine jeweilige Absorption oder Freisetzung latenter Wärme zuzulassen. Akzeptable Wärmeübertragungsfluide für Wärmerohre umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, deionisiertes Wasser in einem Vakuum, welches von einer flüssigen in eine Gasphase wechseln kann, dann an der Wärmesenke wieder in die flüssige Phase zurückkondensiert und mithilfe der Schwerkraft oder eines Kapillarsystems zu der Wärmequelle zurück übertragen wird. Die Freisetzung latenter Wärme mithilfe eines kontinuierlichen Phasenübergangszyklus ist als ein thermischer Siphon bekannt, und das Wärmeübertragungsfluid kann entweder durch Ändern des Drucks oder der Materialzusammensetzung auf die gewünschten Betriebstemperaturen abgestimmt werden. Bevorzugt lässt die Schwerkraft oder Kapillarwirkung zu, dass sich das an einem Ende des Rohres 122 kondensierte Fluid an das gegenüberliegende Ende bewegt, um verdampft zu werden und zuzulassen, dass der Zyklus wiederholt wird. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Wärmerohre einsehen werden, kann, wenn das Fluid eine hohe Verdampfungswärme aufweist, eine beträchtliche Wärmemenge übertragen werden, selbst wenn die Temperaturdifferenzen zwischen den gegenüberliegenden Enden des Rohres 122 nicht groß sind. Wie oben festgestellt, können Wärmeübertragungsfluide als ein Kühlmittel in dem Wärmerohr 122 verwendet werden.
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Es wird einzusehen sein, dass andere Materialien außer den hier offenbarten Wärmeübertragungsfluiden verwendet werden können, um zumindest eines von einer gesteigerten Erwärmung oder Abkühlung an Batteriezellen 110 bereitzustellen. Zum Beispiel microPCM, welches aus sehr kleinen Bikomponenten-Partikeln oder -Kapseln besteht, die ein Kernmaterial, welches Änderungen der latenten Wärme zeigt, die für einen Temperaturbereich maßgeschneidert sind, der in einem Kraftfahrzeug-Batterieblock typischerweise erfahren wird, zusammen mit einer äußeren Schale oder Kapsel umfassen, welche aus einem Polymer oder einem ähnlichen Material hergestellt ist, sodass der Kern und die Schale gemeinsam ein allgemein kugelförmiges schaumartiges Material definieren. Ein Beispiel der Verwendung von microPCM in einem Batterie-Wärmemanagementsystem kann besonders geeignet sein; dies ist in größerem Detail in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 13/175 225 mit dem Titel LIQUID COOLANT WITH MICROENCAPSULATED PHASE CHANGE MATERIALS FOR AUTOMOTIVE BATTERIES, eingereicht am 1. Juli 2011, erläutert, welche sich im Besitz des Antragstellers der vorliegenden Erfindung befindet und hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Druckregelungsmechanismus in oder auf den Wärmerohren 122, um zuzulassen, dass das Fluid (insbesondere, wenn es gasförmig ist) abgelassen wird; ein solches Szenario, bei dem solch eine Freisetzung stattfinden würde, ist gegeben, wenn die an die Wärmerohre 122 weitergegebene Temperatur hoch genug ist, um eine Überdrucksituation innerhalb des abgedichteten inneren Hohlraumes des Rohres zu erzeugen. In solch einem Fall würde das freigesetzte Fluid in entweder ein innerhalb des Batterieblocks 10 enthaltenes freies Volumen eingeleitet oder an eine oder mehrere spezifische Stellen wie z. B. einen Leerraum in dem Motorraum des Fahrzeugs freigesetzt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmerohr 122-Gehäuse oder -Gefäß aus einem thermisch hoch leitfähigen Material hergestellt, sodass das Gehäuse in einer Weise wirkt, die allgemein den zuvor erwähnten Kühlrippen ähnlich ist. Das Gehäuse kann beispielsweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie z. B einem Material auf Aluminiumbasis oder Kupferbasis hergestellt sein.
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Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass, um ein wünschenswertes Gleichgewicht zwischen Batterielebensdauer und -leistung zu erreichen, nur kleine Temperaturschwankungen zwischen den Modulen 100 des Blocks 10 erlaubt sind. Ferner haben die gegenständlichen Erfinder festgestellt, dass bestimmte Arten von Batterien, z. B. Li-Ionen-Batterien am besten bei Temperaturen zwischen 25°C und 40°C arbeiten und das Unterschiede von Modul zu Modul so gehalten werden müssen, dass sie nicht mehr als etwa 5°C betragen. Die Wärmerohe 122 können für eine spezifische Betriebstemperatur konstruiert sein, welche der optimalen Batteriezelle 110 gerecht wird; ebenso hilft die relativ konstante Temperatur der Wärmerohre 122 dabei, die Wahrscheinlichkeit einer relativ gleichmäßigen Zellen 110-Temperaturverteilung zu verbessern. Eine besondere Verwendung eines Wärmerohres in Verbindung mit einer Lithium-Ionen-Batterie ist in größerem Detail in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 12/914 062 mit dem Titel COMBINATION OF HEAT PIPE AND LOUVERED FINS FOR AIR-COOLING OF LI-ION BATTERY CELL AND PACK, eingereicht am 1. Juli 2011, offenbart, welche sich im Besitz des Antragstellers der vorliegenden Erfindung befindet; die Gesamtheit der Anmeldung ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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Ein Wärmerohr wie z. B. das Wärmerohr 122 ist ein Beispiel für ein passives Wärmeübertragungselement. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform (nicht gezeigt), könnte das Kühlelement in der Form eines Wärmerohres ein glattflächiger, prismenförmiger Behälter sein, bei dem die Seite des Kühlelements mit der Seite einer prismenförmigen Zelle übereinstimmt. Eine ziehharmonikaförmige Struktur würde auf Druckänderungen ansprechen, indem sich das Volumen des Kühlelements durch das Strecken des ziehharmonikaartig gefalteten Metalls ausdehnt.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 2B sind Details des inneren Aufbaus des Wärmerohres 122 gezeigt. Das in dem Rohr 122 enthaltene Wärmeübertragungsfluid 126 liegt an der Verdampfungszone, welche sich benachbart zu einer Wärmequelle an einem Ende des Wärmerohres 122 befindet, in einer flüssigen Phase 126A vor. In der gezeigten Ausführungsform, in der die vertikale Orientierung des Rohres 122 eine Schwerkraftzufuhr-Siphonwirkungsarchitekur unterstützt, hilft Wärme Q, welche dem Wärmeübertragungsfluid 126 zugeführt wird, dass es eine Phasenänderung in eine gasförmige Form 126B durchläuft, welche zu der Oberseite entlang der äußeren Umfangssteigleitung 122A des Wärmerohres 122 durchtritt; nachdem sie die Oberseite des Wärmerohres 122 erreicht hat, welche mit der Kondensationszone zusammenfällt, gelangt die Gasphase 126B mit höherer Temperatur in thermische Verbindung mit einer entsprechenden Wärmesenke 128, die eine Form von Luft- oder Flüssigkeitskühlung sein kann. Die Kondensation der gasförmigen Phase 126B in die dichtere, flüssige Phase 126A bewirkt, dass das Wärmeübertragungsfluid 126 durch ein/e optionale/s Fallrohr, Dochtwirkungsvorrichtung oder ein anderes Mittel 122B, welches radial innerhalb der Steigleitung 122A angeordnet ist, hindurch fällt, wo das Fluid 126 dann verwendet werden kann, um zusätzliche Wärme Q zu absorbieren. Wie Fachleute einsehen werden, können diese thermischen Siphonwirkungsattribute des Wärmeübertragungsfluids für die Betriebstemperatur der einzelnen Zellen 110 des Batteriemoduls 110 abgestimmt werden. In einer Form kann solch eine Temperaturbedingung um 30°C betragen, wenngleich auch andere Phasenänderungsbedingungen maßgeschneidert werden können. Wie unten stehend in größerem Detail erläutert wird, befindet sich eine Berstscheibe innerhalb des Wärmerohres 122 in einem Gebiet benachbart zu der Verdampfungszone, wo die gasförmige Phase 126B des Wärmeübertragungsfluids 126 vorhanden ist.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3A bis 3C ist eine Abfolge von Schritten abgebildet, welche die Herstellung des Wärmerohres 122 zeigt. Als Erstes Bezug nehmend auf 3A ist eine ein erster Zusammenbauschritt gezeigt, bei dem die Berstscheibe 124, die als die Druckregelungsvorrichtung verwendbar ist, in ein leeres Wärmerohr 122 eingesetzt wird, wonach eine Stellschraube 123 in einen komplementären Satz von Gewinden an der Oberseite des Rohres 122 geschraubt wird, um die Berstscheibe 124 während des anschließenden Befüllens mit dem Wärmeübertragungsfluid und des diesbezüglichen Abdichtens in Position zu sichern. Wie in einer Form zu sehen, ist die Größe der Scheibe 124 so, dass die Scheine 124, um in die Abmessung mit einem etwas kleineren Durchmesser des Inneren des Rohres 122 zu passen, etwas gebogen wird, um eine konkave Form zu ergeben, wenn sie dem Abschnitt des Inneren zugewandt ist, welches das Wärmeübertragungsfluid enthalten wird. Wie Fachleute einsehen werden, können die Dicke, die Festigkeit und ähnliche Bersteigenschaften der Scheibe 124 auf die speziellen thermischen Bedürfnisse der das Rohr 122 umgebenden Batterieumgebung maßgeschneidert werden. Als solche auch können andere Formen einschließlich relativ ebener (d. h. nicht-konkaver) Formen wie auch nicht-zylindrischer Formen der Scheibe 124 verwendet werden. Ebenso kann, wie oben erwähnt, eine geeignete Verwendung oder Kombination anderer Kalibriermerkmale wie z. B. Anreißen, die Materialauswahl, die Dicke oder dergleichen eingesetzt werden, um spezielle Aktivierungsansprecheigenschaften der Scheibe 124 zu verleihen; solche Varianten werden als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3B kann, sobald die Scheibe 124 und die Stellschraube 123 in Position sind, das Wärmerohr 122 gefüllt werden, indem eine Menge des Wärmeübertragungsfluids 126 in dem inneren Abschnitt angeordnet wird. In einer Form kann das Fluid 126 durch eine temporäre Öffnung 122T oder durch eine/n noch zu befestigenden Abdeckung oder Verschluss wie die/den an der Unterseite des Wärmerohres 122 gezeigte/n eingeleitet werden. Während dieses Schrittes bleibt die Stellschraube 123 in Position, um eine zusätzliche Unterstützung für die Scheibe 124 bereitzustellen. Wenngleich theoretisch mit der an der temporären Öffnung 122T befindlichen Füllkanaleinleitung gezeigt, werden Fachleute einsehen, dass abhängig von der Wärmerohrherstellungsart das andere Ende als ein Füllkanal für die Einleitung des Wärmeübertragungsfluids 126 dienen kann, sofern solch eine Einleitung nicht die präzise kalibrierte Beschaffenheit der Berstscheibe 124 beeinträchtigt.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3C kann, sobald das Wärmeübertragungsfluid 126 und die Scheibe 126 innerhalb des Rohres sicher in Position sind, das Rohr 122 (z. B. an dem Punkt der Fluideinleitung an der Öffnung 122T aus dem Schritt, welcher 3B entspricht) abgedichtet werden. Außerdem kann die Stellschraube 123 entfernt werden. Wenngleich nicht gezeigt, ist eine andere Form von Sicherheitsvorrichtung, die als Teil des Wärmerohres 122 verwendet werden kann, ein Druckentlastungsventil. Solch ein Ventil könnte anstelle der Berstscheibe 124 als eine Möglichkeit verwendet werden, um ein selektives Ablassen des Wärmeübertragungsfluids 126 an die umliegende Umgebung beim Erreichen eines vorbestimmten Überdruckzustandes innerhalb eines oder mehrerer der Wärmerohre 122 zuzulassen. Die Verwendung solch eines Druckentlastungsventils wird als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. Ebenso werden Fachleute einsehen, dass keine Notwendigkeit besteht, eine Vorrichtung auf Schraubenbasis zu verwenden, um eine Verstärkung des Wärmerohres 122 während der Herstellung oder des Zusammenbaus bereitzustellen, da andere Mittel zum temporären Befestigen der Scheibe 124 in Position verwendet werden können, um die strukturelle Integrität der Scheibe 124 während des Zusammenbaus des Wärmerohres 122 sicherzustellen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können Reibungssitzelemente wie auch ablative oder ähnliche Opferprodukte verwendet werden, sofern sie die hinreichende Fähigkeit besitzen, den Temperatur- und Druckbedingungen standzuhalten, welche während der Produktion des Wärmerohres 122 oder seiner anschließenden Befestigung an der Kühlplatte 120 oder einer anderen Komponente innerhalb des Batteriemoduls 100 voraussichtlich erfahren werden. Die vorliegende Verwendung der Stellschraube 123 und der Berstscheibe 124 ist dabei hilfreich, Überhitzungs- oder Kontaminationsprobleme in Verbindung mit der traditionellen Wärmerohrherstellung zu vermeiden. Wie oben erwähnt, sollte die durch die Stellschraube 123 bereitgestellte zusätzliche Unterstützung hinreichend sein, um eine versehentliche oder vorzeitige Aktivierung der Berstscheibe 124 während der Herstellungsschritte des Wärmerohres 122 zu verhindern, und die anschließende Entfernung der Stellschraube 123 kann vorgenommen werden, sobald die meisten oder alle der Schritte abgeschlossen sind, welche ansonsten das Risiko mit sich bringen könnten, das Wärmerohr 122 übermäßigen Hitze- oder Temperaturbedingungen auszusetzen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 4A bis 4C ist der Betrieb des in Übereinstimmung mit den in den 3A bis 3C abgebildeten Schritten hergestellten Wärmerohres 122 sowohl für normale thermische Bedingungen (4A) als auch für Bedingungen eines thermischen Durchgehens (4B und 4C) gezeigt. Speziell Bezug nehmend auf 4A werden unter normalen Betriebsbedingungen sowohl das Wärmerohr 122 als auch das darin enthaltene Wärmeübertragungsfluid 126 Wärme von der Batterie oder der diesbezüglichen umliegenden Umgebung absorbieren. Während solch eines Normalbetriebes bleibt die Berstscheibe 124 in Position, während Überschusswärme Q aus dem Kondensierende des Wärmerohres 122 freigesetzt wird, um zu einer Wärmesenke 128 geleitet zu werden. Währenddessen ist das Wärmerohr 122 in der Lage, Wärme aus der Zelle bei der Flüssigkeit/Gas-Übergangstemperatur des Fluids zu entziehen.
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Speziell Bezug nehmend auf die 4B und 4C übersteigt während eines thermischen Durchgehens oder einer ähnlichen Fehlbehandlungsbedingung, unter der der Wärmefluss Q das Vermögen des Behälters 122, das Wärmeübertragungsfluid 126 zu behalten, übersteigt, der Innendruck im Inneren des Wärmerohres 122 aufgrund des Wärmeübertragungsfluids 126 die Grenze der Berstscheibe 124 und bewirkt, dass sie birst oder sonst wie entfernt wird. Dies schafft wiederum einen Strömungspfad zwischen der Hochdruckumgebung im Inneren des Wärmerohres 122 und der umliegenden Umgebung. Das mit Hochdruck beaufschlagte Fluid 126 entweicht durch den neu geschaffenen Strömungspfad hindurch; danach wird seine latente Wärme abgegeben, um von der umliegenden Umgebung absorbiert zu werden. In einer Form kann die umliegende Umgebung ein freies Volumen innerhalb des Batterieblocks 10 sein, während sie in anderen umgebende Luft sein kann und während sie in einer noch anderen zu einem speziellen, das Fluid aufnehmenden Ort (z. B. durch eine entsprechende Verrohrung oder eine ähnliche Leitung, nicht gezeigt) geleitet werden kann. Sobald das Fluid 126 aus dem Wärmerohr 122 entwichen ist, kann das Innere des Rohres 122 mit Gas (z. B. Luft) aus der umliegenden Umgebung aufgefüllt werden. Die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit des Restgases 127 (z. B. Luft) hilft dem Wärmerohr 122 (wie auch der Kühlplatte 120) dabei, als eine thermische Barriere zu fungieren; auf diese Weise können temperaturempfindliche Komponenten wie benachbarte der Batteriezellen 110 zusätzlich davon isoliert sein, Überschusswärme ausgesetzt zu sein, welche durch eine daneben liegende Batteriezelle 110 entwickelt wird, um dadurch die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens zu verringern. Es ist von Bedeutung, dass der relativ kostengünstige Aufbau der Opferberstscheibe 124 einen relativ einfachen Austausch zulässt, sobald ein oder mehrere Wärmerohre 122 thermischen Durchgehbedingungen ausgesetzt waren. Es können zusätzliche Vorrichtungen wie Sensoren (nicht gezeigt) verwendet werden, um den Zustand des Wärmerohres 122 zu überwachen, sodass beim Erreichen einer speziellen vorbestimmten Schwelle ein Signal (z. B. an einen Computer oder einen ähnlichen Controller wie auch an einen Fahrzeugbetreiber) gesendet werden kann, um ein oder mehrere Berstereignisse oder ähnliche thermische Ereignisse zu erkennen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 5A und 5B ist ein Wärmerohr 222 einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Die obige Erläuterung in Bezug auf die Herstellung und den Betrieb der allgemein zylindrischen Wärmerohre 122 ist gleichermaßen auf die Ausführungsformen der 5A und 5B anwendbar, wo das Wärmerohr 22, anstatt eine allgemein zylindrische rohrförmige Struktur wie die in den 2 bis 4C abgebildete zu sein, einen allgemein plattenähnlichen Aufbau aufweist, bei dem eine Bewegung des Wärmeübertragungsfluids durch Kanäle 223 vorgegeben ist, welche zwischen gegenüberliegenden, allgemein ebenen Hauptflächen 222-1 und 222-2 gebildet sind. Eine Luftströmung 200 kann auf ihrem Weg zu einer Wärmesenke 128 eine konvektive Kühlung hinter den Kanten der verschiedenen rechteckigen Wärmerohre 222 (wie auch den einzelnen Brennstoffzellen 110) bereitstellen. Wie gezeigt, könnte sich die Druckentlastung in der Form einer Berstscheibe 224 irgendwo entlang der Kante des Wärmerohres 222 befinden, um die latente Wärme zu entfernen. Es wird für Fachleute einzusehen sein, dass wie bei der oben erläuterten Berstscheibe 124 die Berstscheibe 224 oder ein/e ähnliche/r Stopfen, Kappe, Deckel oder ein anderer Wärmerohr-Verschlussmechanismus mit speziellen Zerreißeigenschaften angerissen oder anderweitig kalibriert werden kann, um eine im Wesentlichen vorbestimmte Temperatur oder begleitende Druckattribute zu ergeben, bei welcher/n eine Aktivierung stattfindet. In ähnlicher Weise kann das zuvor erwähnte Druckentlastungsventil (nicht gezeigt) verwendet werden, sodass es bei einer Aktivierung auf einem geeigneten Temperatur- oder Druckniveau eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Inneren des Rohres 22 und der umliegenden Umgebung zulässt. Jede dieser Varianten wird als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. In der vorliegenden Ausgestaltung kann das Wärmerohr 222 die Notwendigkeit separater Kühlplatten 120 (wie z. B. der in 2A gezeigten) beseitigen. Obgleich es ein dünnes, allgemein ebenes Profil aufweist, umfasst das rechteckige Wärmerohr 222 Kanäle 223, welche zwischen den Flächen 222-1 und 222-2 gebildet sind, um das Anordnen des Wärmeübertragungsfluids darin zuzulassen. Dieses Fluid kann auch dazu gebracht werden, durch benachbarte Kühlplatten 120 hindurch zu zirkulieren, sodass die in das Fluid hinein absorbierte Wärme unterstromig von einem geeigneten Wärmetauscher (nicht gezeigt) entzogen werden kann. In dem Fall, dass die Kühlplatten 120 für ein Zusammenwirken mit dem ebenen Profil des Wärmerohres 222 festgehalten werden, bieten die Kühlplatten 120 einen relativ großen Bereich als eine Kontaktfläche, um die Wärmeübertragung zu oder von den Batteriezellen 110 zu verbessern. Es können gleichermaßen Kühlrippen (nicht gezeigt) verwendet werden, um eine zusätzliche Kühl-Oberfläche bereitzustellen. In einer Form kann/können sich ein oder mehrere Thermistoren (nicht gezeigt) oder ähnliche Sensoren zwischen den verschiedenen Komponenten befinden, um die Batteriezellen 110-Temperatur zu überwachen. In einer Form sind die Kanäle 223 allgemein länglich, sodass das darin befindliche Wärmeübertragungsfluid an einem/r der gegenüberliegenden Enden oder Zonen 222A und 222B des Wärmerohres 222 erwärmt und verdampft werden kann, während es an dem/der anderen jeweiligen Ende oder Zone in einer dem oben erläuterten zylindrischen Gegenstück ähnlichen Weise gekühlt und kondensiert wird. Eine Möglichkeit, das Wärmeübertragungsvermögen der rechteckigen Wärmerohre 222 zu verbessern, besteht darin, dass die Flächen 222-1 und 222-2 aus Materialien mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit (z. B. auf Aluminiumbasis oder Kupferbasis) hergestellt sind, wie auch einen maßgeblichen Kontakt durch die Dicke aufweisen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht. In ähnlicher Weise werden Ausdrücke wie „im Wesentlichen” verwendet, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Er wird auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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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. Die Erfindung kann gleichermaßen in Verbindung mit Batteriezellen verwendet werden, die nichts mit Kraftfahrzeuganwendungen zu tun haben und bei denen temperaturempfindliche Einrichtungen zusätzlichen Wärmeschutz benötigen können; solche zusätzlichen Ausgestaltungen sind als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
