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Stand der Technik
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US 5,187,030 bezieht sich auf eine elektrochemische Batterie, die zwei metallische Elektroden aufweist, die aus einem Gehäuse hervorstehen. Dabei weist mindestens eine Elektrode einen unteren Abschnitt auf, der sich durch das Innere der Batterie erstreckt. Das Rohr ist an seiner Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen, durch die ein wärmeleitendes Fluid fließt. Dadurch ist das Prinzip einer Heatpipe verwirklicht. Die wärmeleitende Flüssigkeit wird über ein kapillares Pumpen an der Innenseite des Rohres gefördert und verdampft infolge der aufgenommenen Wärme. Als wärmeleitendes Fluid wird vorzugsweise CFC13 bzw. Freon 11 eingesetzt. Die elektrochemische Batterie weist auf der Unterseite einen Kühler auf, über den Wärme in einen Endbereich des Rohres abgeführt wird.
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US 6,010,800 bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abführen von Wärme aus einer Batterie, die beispielsweise in Raumfahrzeugen oder in Elektroautos eingesetzt werden kann. An Elektroden ist eine Heatpipe ausgebildet, die von den Elektroden elektrisch isoliert ist. Die Elektroden sind mit quaderförmigen Endstücken versehen, die wärmeleitend ausgebildet sind, wobei die quaderförmigen Endstücke mit jeweils einer Ausnehmung versehen sind, in der ein Ende der Heatpipe aufgenommen ist. In der Ausnehmung, in der ein Ende der Heatpipe aufgenommen ist, liegt eine elektrische Isolierung vor. Ferner ist die Heatpipe thermisch mit einer flächig ausgebildeten Wärmesenke verbunden, die es erlaubt abgeführte Wärme abzustrahlen.
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Angesichts der vorherrschenden Entwicklungstendenzen werden in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sowie auch im Consumerbereich, man denke an Laptops und Mobiltelefone, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen. An derartig neue Batteriesysteme werden sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit der Sicherheit, der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer gestellt werden.
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Um optimale Betriebsbedingungen zu schalten, sind die Batteriezellen eines Batteriemoduls oder eine Batteriepacks an ein Thermomanagementsystem angeschlossen. Durch das Thermomanagementsystem können die Batteriezellen beispielsweise vor und nach dem Start bei niedrigen Außentemperaturen erwärmt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Batteriezellen über jenes Thermomanagementsystem, beispielsweise während des Betriebes zu kühlen. Bei derzeitigen Ausführungsvarianten von Thermomanagementsystemen, insbesondere für Batteriezellen, erfolgt eine Temperierung der Batteriezellen in der Regel nur an deren Oberflächen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Temperierung der Batteriezellen über in diesen vorgesehene Stromkollektoren zu realisieren. Dadurch kann erreicht werden, dass nicht nur die Oberfläche der Batteriezellen, sondern auch das Innere der Batteriezellen gleichmäßig temperiert werden kann, so dass einerseits eine effektivere Erwärmung der Batteriezellen bei niedrigen Außentemperaturen möglich ist und andererseits auch eine verbesserte Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen während des Betriebes ermöglicht wird.
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In vorteilhafter Weise können die als Stromkollektoren dienenden Wärmerohre in einem geringen Durchmesser ausgebildet sein, der zwischen 3 mm und 20 mm liegen kann.
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Die beispielsweise an der Oberseite aus dem Gehäuse der Batteriezelle herausragenden freien Enden der als Stromkollektoren dienenden Wärmerohre können als Anschlussterminals oder Anschlusspole für die elektrisch zu kontaktierende Batteriezelle genutzt werden. Damit können zusätzliche Bauteile entfallen, da die als Stromkollektoren dienenden Wärmerohre, insbesondere deren Mantelflächen aus einem metallischen Material oder einer metallischen Legierung gefertigt sind.
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Die Wärmerohre weisen eine Kühlzone und eine Heizzone auf. Die Kühlzone kann in vorteilhafter Weise durch die freien Enden der Wärmerohre, die über eine der Seitenfläche des Gehäuses frei vorstehen, gebildet werden, während die Heizzone in diesem Falle durch das in das Gehäuse der Batteriezelle versenkte Ende des Wärmerohres gegeben ist.
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Andererseits besteht auch die Möglichkeit, an das freie Ende der Wärmerohre die Heizzone zu verlegen, in der das im Wärmerohr befindliche Arbeitsmedium verdampft, d.h. Wärme aufnimmt und das in das Innere des Batteriezellengehäuse versenkte Ende des Wärmerohres als Kühlzone auszulegen, in der das Arbeitsmedium, welches im Wärmerohr zirkuliert, kondensiert und demzufolge dort Wärme abgibt.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Temperierung einer oder mehrerer elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen, wobei die Einstellung einer gewünschten Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle durch Einstellung eines Innendrucks des Wärmerohrs, das als Stromkollektor dient, vorgenommen wird. Die Einstellung der gewünschten Betriebstemperatur der Batteriezelle hängt ferner von dem Wärmetransportmedium ab, was sich im Inneren des Wärmerohres befindet.
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Die Wärmeabfuhr erfolgt dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend aus der mindestens einen Batteriezelle über eine Kühlzone am freien Ende des Wärmerohres, sobald die gemäß dem vorhergehenden Verfahrensschritt eingestellte gewünschte Betriebstemperatur der Batteriezelle erreicht ist und im Begriff ist, überschritten zu werden.
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Alternativ erfolgt die Wärmezufuhr zu der mindestens einen Batteriezelle über eine Heizzone am freien Ende über das Gehäuse der Batteriezelle hervorstehenden Endes des Wärmerohres. Die Wärmeabgabe erfolgt am Ende des Wärmerohres, d.h. am in das Batteriezellengehäuse hineinragenden Ende des Wärmerohres durch Kondensation des Arbeitsmediums. Durch die Temperierung des Gehäuses der Batteriezelle kann eine homogene Temperaturverteilung im Gehäuse erreicht werden, ohne dass Temperaturnester mit zu geringen oder unzulässig hohen Temperaturen im Gehäuse verbleiben. Über die Querschnitte, in denen die Wärmerohre unter Berücksichtigung der in diesen ausgebildeten Hohlräume gefertigt werden, können Wärmeströme transportiert werden, die zwischen 2 W und 10 W liegen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann der bisher aus metallischen Werkstoffen und mehreren Komponenten gefertigte Stromkollektor entfallen und in vorteilhafter Weise durch Wärmerohre gebildet werden, die im Fachjargon auch als Heatpipes bezeichnet werden. Da die Wärmerohre im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sind und im Vergleich zu ihren Durchmessern relativ lang bauen, können günstige Querschnittsflächen erreicht werden, die einerseits hinsichtlich der Funktion des Stromkollektors eine ausreichende Stromtragfähigkeit aufweisen, andererseits jedoch eine geringe Baugröße aufweisen, so dass das Gehäusevolumen nicht unzulässig stark beeinträchtigt, d.h. vergrößert wird. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist eine Temperierung der Batteriezellen über die als Stromkollektoren ausgebildeten Wärmerohre möglich. Die in den Batteriezellen im Vergleich zur Umgebung vorliegende hohe Temperaturdifferenz kann durch den Einsatz der als Stromkollektoren fungierenden Wärmerohre verringert werden. Ein Wärmestrom kann mit einem möglichst geringen Durchmesser der Wärmerohre transportiert werden, ohne dass Zusatzkomponenten bzw. zusätzliche Anschlüsse erforderlich werden.
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Abhängig vom im Wärmerohr eingesetzten Wärmetransportmedium bzw. Arbeitsmedium und durch den im Wärmerohr vorliegenden Innendruck kann die gewünschte Betriebstemperatur, d.h. die Temperatur eingestellt werden, ab deren Erreichen die betreffende Batteriezelle zu temperieren, d.h. zu kühlen ist. Die Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Batteriezelle erfolgt demnach erst nach Erreichen bzw. Übersteigen einer bestimmten Betriebstemperatur.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 die perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer Batteriezelle mit als Stromkollektoren eingesetzten Wärmerohren,
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2 eine Schnittdarstellung eines Wärmerohrs und
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3 eine weitere Ausführungsvariante des Gehäuses der Batteriezelle, der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine erste Ausführungsvariante eines Gehäuses einer Batteriezelle zu entnehmen, deren Stromkollektoren durch Wärmerohre gebildet sind.
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1 zeigt, dass eine Batteriezelle 10 in einem Gehäuse 12 aufgenommen ist. Das Gehäuse 12 ist durch Längsseiten 14 und Querseiten 16 sowie durch ein Gehäuseboden 18 und ein Gehäusedeckel begrenzt. Durch den Gehäusedeckel ragen ein erster Stromkollektor 20 sowie ein zweiter Stromkollektor 22, die der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend jeweils als Wärmerohr 24 ausgebildet sind. Im Fachjargon werden die Wärmerohre 24 auch als Heatpipes bezeichnet.
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Wie der schematischen, perspektivisch wiedergegebenen Darstellung des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 gemäß 1 weiter entnommen werden kann, haben die Wärmerohre 24 das Aussehen eines Zylinders 26, der durch einen Zylindermantel 28 begrenzt ist.
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Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, stehen die Wärmerohre 24 mit einem freien Ende 30 über eine Begrenzungsfläche des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 über. Mit den den freien Enden 30 gegenüberliegenden Enden, d.h. versenkter Enden 32, ragen die als Wärmerohre 24 ausgebildeten Stromkollektoren 24 bzw. 22 in das Innere des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 hinein. Entsprechend der axialen Länge der als Wärmerohre 24 ausgebildeten Stromkollektoren 20 bzw. 22 stellt sich eine Aufteilung der axialen Länge der Wärmerohre 24 in eine Kühlzone 36 und eine Heizzone 38 dar.
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Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Längen des freien Endes 30 zum in das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 versenkten Ende 32 des Wärmerohres 24 beispielhaft etwa 1:2 gewählt. Die beiden als Wärmerohre 24 ausgebildeten Stromkollektoren 20 bzw. 22 sind als Zylinder 26 symmetrisch zu ihrer Symmetrieachse 34 aufgebaut.
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Am freien Ende 30 des Wärmerohres 24 liegt die Kühlzone 36 vor, in der eine Kondensation des im Wärmerohr 24 zirkulierenden Arbeitsmediums erfolgt und demnach eine Abgabe von Wärme an die Umgebung des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 erfolgt. Im Bereich der Heizzone 38, d.h. am in das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 versenkten Ende 32 erfolgt die Wärmeaufnahme des Arbeitsmediums, d.h. dessen Verdampfung innerhalb eines Hohlraumes 40 des Wärmerohres 24.
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Der Darstellung gemäß 2 ist ein Schnitt durch ein beispielhaft dargestelltes Wärmerohr, welches auch als Heatpipe bezeichnet werden kann, zu entnehmen.
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2 zeigt, dass es sich bei dem Wärmerohr 24 um ein Kupferrohr 42 handelt, welches durch den Zylindermantel 28 einerseits begrenzt ist und an seinen beiden Stirnseiten ebenfalls verschlossen ist. Die beiden Stirnseiten und der Zylindermantel 28 begrenzen einen Hohlraum 40 des Wärmerohrs 24. Im Bereich des Zylindermantels 28 des Wärmerohres 24, welches beispielsweise als Kupferrohr 42 ausgebildet werden kann, befindet sich ein Rückflussbereich 48, der beispielsweise durch eine Doppelwandung ausgebildet ist. Im Bereich der Heizzone 38 durch Verdampfung Wärme aufnehmendes Arbeitsmedium, strömt beispielsweise bei Arbeitsmedium H2O als Dampfstrom 44 in vertikale Richtung nach oben in die Kühlzone 36 des Wärmerohres ein. Dort erfolgt durch Abgabe von Wärme am freien Ende 30 des Wärmerohres 24, welches hier über die Seitenfläche des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 hinausragt, eine Kondensation des Arbeitsmediums. Das kondensierte Arbeitsmedium strömt – unter Einwirkung der Schwerkraft – innerhalb des Rückflussbereiches 48 in die Heizzone 38 zurück, innerhalb der das im Hohlraum 40 des Wärmerohres 24 derart zirkulierende Arbeitsmedium erneut Wärme, d.h. Betriebswärme aus dem Inneren der Batteriezelle 10 aufnimmt und in der Kühlzone 36 wieder an die Umgebung abgibt.
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Das in 2 dargestellte Wärmerohr 24 kann beispielsweise, wie bereits erwähnt, als Kupferrohr 42 ausgeführt sein, daneben besteht durchaus auch die Möglichkeit, das Wärmerohr 24 auch aus Aluminium herzustellen, oder eine Kupfer-Aluminium-Legierung zu wählen. Als Arbeitsmedium, das innerhalb des Wärmerohres 24 zirkuliert, kann neben H2O auch NH3, CH3OH, F-11, F-21, C6H8, (CH3)CO in Frage kommen.
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Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle zu entnehmen, deren Stromkollektoren als Wärmerohre ausgeführt sind.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante sind die Kühlzone 36 und die Heizzone 38 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 vertauscht angeordnet. So befinden sich an den freien Enden 30 der beiden Stromkollektoren 20 bzw. 22 jeweils die Heizzonen 38, während innerhalb der in das Innere des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 versenkten Enden 32 die Kühlzonen 36 angeordnet sind. Durch das Prinzip der Kondensation innerhalb der Kühlzone 36 an das Innere des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 übertragene Wärme kann dieses bei niedrigen Außentemperaturen und kurzer Betriebszeit temperiert, d.h. in diesem Falle erwärmt werden. Dies bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass die erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezellen 10 bei niedrigen Außentemperaturen an kalten Tagen schneller ihre definierte Betriebstemperatur erreichen. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, unterbleibt eine weitere Beheizung des Inneren des Gehäuses 12, d.h. der Batteriezelle 10 durch innerhalb der Kühlzonen 36 abgegebene Kondensationswärme in das Innere des Gehäuses 12.
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Steigt die Temperatur im Inneren des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 jedoch über die eingestellte, definierte Betriebstemperatur, die abhängig vom Innendruck des Wärmerohres 24 und von dem in diesem zirkulierenden Arbeitsmedium gewählt ist, so fungieren die Wärmerohre 24, die als Stromkollektoren 20 bzw. 22 eingesetzt werden, wie in 1 bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle 10.
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Solange die Batteriezelle 10 ihre voreingestellte, d.h. abhängig vom Innendruck und abhängig von in dem Wärmerohr 24 zirkulierenden Arbeitsmedium aufweist, funktionieren die Stromkollektoren 20 bzw. 22 ausschließlich als Stromkollektoren und stellen die Anschlussterminals dar, an denen die Spannung der Batteriezelle einer einzigen Batteriezelle 10 abgegriffen werden kann bzw. an denen mehrere Batteriezellen 10 zu einem Batteriemodul – hier nicht dargestellt – elektrisch miteinander verschaltet sind.
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Die Stromtragfähigkeit der als Stromkollektoren 20 bzw. 22 eingesetzten Wärmerohre 24, die auch als Heatpipes bezeichnet werden, hängt ab von der Wandstärke des Zylindermantels 28 der Wärmerohre 24, da der Hohlraum 40 zur Ermittlung der Stromtragfähigkeit nicht herangezogen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5187030 [0001]
- US 6010800 [0002]
