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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, umfassend mindestens eine Batteriezelle und mindestens ein Wärmerohr, das mit der mindestens einen Batteriezelle in thermischem Kontakt steht.
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Die Temperierung bzw. Kühlung von Batteriemodulen ist ein seit langem bekanntes Problem, wobei zur Lösung bereits unter anderem Wärmerohre vorgeschlagen wurden. Wärmerohre (auch Heatpipes genannt) sind vom Prinzip her gasdicht verschlossene Rohre, welche zu einem Teil mit einer Flüssigkeit mit definiertem Siedepunkt gefüllt sind. Im Bereich von 0°C bis ca. 400°C kann beispielsweise Wasser verwendet werden, wobei der Siedepunkt durch den Innendruck des Rohres eingestellt wird. Das Wärmerohr weist dabei einen Verdampferabschnitt und einen Kondensationsabschnitt auf. In der einfachsten Ausführung, auch als Gravitationswärmerohr bezeichnet, sammelt sich die Flüssigkeit am Rohrboden (Verdampferabschnitt) und nimmt dort die Wärme durch Verdampfen auf. Der Dampf steigt dann auf in die kalte Zone (Kondensationsabschnitt), wo er kondensiert und die Verdampfungsenthalpie an die Umgebung abgibt. Anschließend läuft das Kondensat wieder hinab zur Wärmequelle und der Kreislauf schließt sich. Die Vorgänge laufen quasi isotherm ab, weshalb die Temperaturen an den Enden des Wärmerohrs während des Wärmetransports nur minimal differieren. Durch die Nutzung der Verdampfungswärme des Mediums für den Wärmetransport können Wärmerohre ein Vielfaches an Energie abführen im Vergleich zu massiven Wärmeleitern. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wärmerohre leichter sind.
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Aus der
WO 2013/056877 A1 ist ein gattungsgemäßes Batteriemodul bekannt, mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen und einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen, wobei die Temperiereinheit ein oder mehrere Wärmerohre umfasst.
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Aus der
DE 197 24 020 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, umfassend Batteriezellen in einem Gehäuse, wobei das Gehäuse auf einer wärmeleitfähigen Platte steht, in der ein Wärmerohr angeordnet ist. Dabei wird die Wärme der Batteriezellen durch den Gehäuseboden in die Platte übertragen und von dort über das Wärmerohr abgeführt.
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Aus der
EP 2 370 280 B1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen der Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, das eine Klimaanlage enthält, deren Verdampfer geeignet ist, um den Innenraum des Fahrzeugs zu kühlen, und in einem geschlossenen Raum enthalten ist, wobei die Batterie sich in einem Behälter befindet. Der Raum des Verdampfers ist an einen Kanal angeschlossen, dessen Ausgang zu einer Wärmetauschzone gerichtet ist, die auf mindestens einer Außenseite des Behälters vorgesehen ist, wobei die Wärmetauschzone einen Bereich außerhalb des Behälters, der gegenüber dem Ausgang des Kanals angeordnet ist, und einen Bereich aufweist, der gegenüber dem Innern des Behälters angeordnet ist. Die Wärmetauschzone besteht aus einem Kühler, der eine metallische Grundplatte aufweist, die auf einer ihrer Seiten eine erste Reihe von Rippen, die zum Ausgang des Kanals gerichtet sind, und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Reihe von Rippen aufweist, die ins Innere des Behälters gerichtet sind. Der Kühler ist dicht an eine Außenwand des Behälters angeschlossen, die sich gegenüber dem Ausgang des Kanals befindet. Die Vorrichtung enthält Einrichtungen zum Wärmeaustausch durch Konduktion zwischen den Rippen des Kühlers und der Batterie, wobei diese Einrichtungen eine metallische Struktur oder Wärmeleitrohre enthalten.
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Ein Problem bei allen bekannten Lösungen ist, dass diese zwar eine Wärmeabfuhr beschreiben, jedoch einen Wärmeeintrag von außen in die Batterie nicht verhindern. Eine solche Wärmequelle ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor. Dies kann dazu führen, dass das Batteriemodul trotz Kühlung Temperaturen erreicht, die zu einer Leistungsbegrenzung führen.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Batteriemodul zu schaffen, das bei guter Wärmeabfuhr einen äußeren Wärmeeintrag reduziert.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle und mindestens ein Wärmerohr, das mit der mindestens einen Batteriezelle in thermischem Kontakt steht, wobei das Wärmerohr einen Verdampferabschnitt und einen Kondensationsabschnitt aufweist. Dabei sei angemerkt, dass das Wärmerohr und die Batteriezelle vorzugsweise in mechanischem Kontakt sind, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Weiter sei angemerkt, dass der Querschnitt des Wärmerohrs nicht kreisförmig sein muss. Vielmehr sind auch andere, beispielsweise rechteckförmige, Querschnitte möglich. Sind mehrere Batteriezellen vorhanden, so muss nicht jeder Batteriezelle ein Wärmerohr zugeordnet sein. Andererseits können einer Batteriezelle auch mehrere Wärmerohre zugeordnet sein. Die Batteriezelle oder die Batteriezellen sind von einer thermischen Isolierung umgeben. Die thermische Isolierung kann dabei beispielsweise ein Fließ oder ein Gehäuse sein. Die thermische Isolierung weist dabei eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, die einen Wärmeeintrag von außen in die Batteriezelle verhindert oder reduziert. Das mindestens eine Wärmerohr ist dabei durch die thermische Isolierung geführt, sodass der Verdampferabschnitt innerhalb der thermischen Isolierung und der Kondensationsabschnitt außerhalb der thermischen Isolierung angeordnet ist. Dadurch kann weiterhin Wärme von den Batteriezellen abgeführt werden, der Wärmeeintrag von außen jedoch stark reduziert werden. Lediglich über das Rohr des Wärmerohres kann Wärme von außen in den von der thermischen Isolierung umgebenen Raum eingeleitet werden. Da jedoch der Flächenanteil des Durchganges durch die thermische Isolierung im Verhältnis zur Gesamtoberfläche der thermischen Isolierung gering ist, ist dieser Wärmeintrag äußerst gering.
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Prinzipiell kann das oder die Wärmerohre als Gravitationswärmerohre ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, gesteuerte Wärmerohre zu verwenden, bei denen beispielsweise der Fluss über ein Ventil gesteuert werden kann. Auch andere Formen der Steuerung von Wärmerohren bzw. Kombinationen von Wärmerohren sind bekannt und prinzipiell einsetzbar.
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Vorzugsweise ist das Wärmerohr jedoch als kapillarisches Wärmerohr ausgebildet. Diese weisen üblicherweise einen mittigen Kanal mit einem großporigen Material und einen umgebenen Kanal mit einem kleinporigen Material auf, über den das kondensierte Medium auch gegen die Schwerkraft über Kapillarkraft zum Verdampfungsabschnitt zurückgeführt werden kann. Neben dem Vorteil, dass die Wärmerohre nicht mit Gefälle eingebaut werden müssen, erlaubt ein kapillarisches Wärmerohr darüber hinaus auch ein Heizen des Batteriemoduls unter bestimmten Voraussetzungen. Ist beispielsweise die Umgebungstemperatur größer als die Siedetemperatur des Mediums im Wärmerohr, die Temperatur im Innern der thermischen Isolierung jedoch niedriger als die Siedetemperatur, so kann durch die Kapillarkraft Flüssigkeit in den eigentlichen Kondensationsabschnitt fließen. Dort nimmt die Flüssigkeit Wärme der Umgebung auf, verdampft und kehrt als Dampf zurück zum Verdampfungsabschnitt an der Batteriezelle und kann dort kondensieren und seine Wärme abgeben. In dieser Situation arbeitet das Wärmerohr quasi umgekehrt. Das kapillarische Wärmerohr erlaubt also ohne separate Steuerung eine gute Wärmeabfuhr von den Batteriezellen im Normalbetrieb und sogar eine Beheizung der Batteriezellen, wenn die Umgebungstemperatur über und die Batteriezellentemperatur unter der Siedetemperatur des Mediums ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Rohr des Wärmerohrs aus mindestens zwei Abschnitten zusammengesetzt, wobei der eine Abschnitt eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der andere Abschnitt, wobei der Abschnitt mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Durchgangs durch die thermische Isolierung angeordnet ist. Dadurch wird der Wärmeeintrag von außen weiter minimiert. Dabei ist beispielsweise der Abschnitt mit der höheren Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer und der Abschnitt mit der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit aus Kunststoff ausgebildet. Es ist aber auch möglich, ein gleiches Grundmaterial zu verwenden, was abschnittsweise durch Zusatzstoffe dotiert wird, die die Wärmeleitfähigkeit verändern.
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Weiter vorzugsweise ist das Rohr aus mindestens drei Abschnitten ausgebildet, wobei der mittlere Abschnitt eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anderen Abschnitte und an dem Durchgang durch die thermische Isolierung angeordnet ist. Dies erlaubt einen guten Wärmeeintrag in und einen guten Wärmeaustrag aus dem Wärmeleitrohr bei gleichzeitig guter thermischer Isolierung gegen Wärmeeintrag von außerhalb der thermischen Isolierung.
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In einer weiteren Ausführungsform sind an dem Verdampferabschnitt und/oder an dem Kondensationsabschnitt oberflächenvergrößernde Elemente angeordnet, die den Wärmeeintrag und/oder Wärmeaustrag aus dem Wärmerohr verbessern. Die Form der Elemente an dem Verdampferabschnitt ist dabei beispielsweise an die Form der Batteriezelle angepasst.
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Vorzugsweise ist das Medium des Wärmerohrs Wasser, da dieses über Einstellung des Drucks einen weiten Bereich von Siedetemperaturen abdecken kann, ungiftig und preiswert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmerohr entlang einer Umfangsfläche der Batteriezelle angeordnet. Neben der vergrößerten Aufnahmefläche für Wärme bewirkt dies einen Wärmetransport von unten nach oben, was eine Zirkulation innerhalb der Batteriezelle unterstützt, was insbesondere bei Blei-Säure-Batterien vorteilhaft ist.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt die Siedetemperatur des Mediums zwischen 20°C bis 30°C, sodass frühzeitig vor Erreichen einer kritischen Temperatur für die Batteriezellen die Wärmeabfuhr einsetzt.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Batteriemoduls ist der Einsatz als Bordnetz-, Starter- oder Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Batteriemodul und
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2 einen schematischen Querschnitt durch ein kapillarisches Wärmerohr.
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In der 1 ist schematisch ein Batteriemodul 1 im Querschnitt dargestellt, wobei der Schnitt derart gelegt wurde, dass eine Vorderwand einer thermischen Isolierung 2 weggeschnitten wurde, ohne eine innerhalb der thermischen Isolierung 2 befindliche Batteriezelle 3 zu schneiden. Neben der bereits erwähnten thermischen Isolierung 2 und der Batteriezelle 3 umfasst das Batteriemodul 1 mehrere Wärmerohre 4, wobei in 4 vier Wärmerohre 4 dargestellt sind. Dabei ist jeweils ein Wärmerohr 4 an einer linken Seitenwand 5 und ein Wärmerohr 4 an der rechten Seitenwand 6 der Batteriezelle 3 angeordnet sowie zwei Wärmerohre 4 an einer Vorderwand 7. Die Wärmerohre 4 erstrecken sich dabei über die volle Höhe der Batteriezelle 3. Vorzugsweise sind um die gesamte Umfangsfläche der Batteriezelle 3 weitere Wärmerohre angeordnet, die durch die dargestellten Wärmerohre 4 verdeckt sind. Zwischen der Batteriezelle 3 und der thermischen Isolierung 2 ist Luft oder ein Vakuum 8, um eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit zwischen der thermischen Isolierung 2 und der Batteriezelle 3 zu erreichen. Die Wärmerohre 4 umfassen jeweils ein Rohr 9, das aus drei Abschnitten besteht. Dabei bildet der untere Abschnitt einen Verdampferabschnitt 10 und der obere Abschnitt einen Kondensationsabschnitt 12 des Wärmerohrs 4. Der mittlere Abschnitt stellt einen thermischen Isolations-Abschnitt 11 dar. Die Wärmerohre 4 sind durch die thermische Isolierung 2 geführt, wobei der thermische Isolations-Abschnitt 11 im Bereich des Durchgangs durch die thermische Isolierung 2 liegt. Der Kondensationsabschnitt 12 liegt außerhalb der thermischen Isolierung 2, wobei an dessen Ende rippenförmige Elemente 13 zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind. Dabei weisen der Verdampferabschnitt 10 und der Kondensationsabschnitt 12 eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise sind diese beiden Abschnitte 10, 12 aus Kupfer. Der Isolations-Abschnitt 11 weist gegenüber den Abschnitten 10, 12 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf und ist beispielsweise aus Kunststoff.
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Die Wärmerohre 4 sind als kapillarische Wärmerohre 4 ausgebildet (siehe auch 2). Das Wärmerohr 4 weist dazu im Innern des geschlossenen Rohres 9 einen Kern mit großporigem Material 14 und einen Mantel mit kleinporigem Material 15 auf. In dem Wärmerohr 4 befindet sich ein Medium mit einer definierten Siedetemperatur Ts von beispielsweise 25°C. Das Medium ist beispielsweise Wasser, wobei die Siedetemperatur Ts durch einen entsprechenden Unterdruck im Wärmerohr 4 eingestellt wird. Die Temperatur der Batteriezelle 3 wird mit Ti und die Temperatur der Umgebung am Kondensationsabschnitt 12 wird mit Ta bezeichnet.
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Nachfolgend soll nun die Funktionsweise des Batteriemoduls 1 näher erläutert werden, wobei hierzu vier Konstellationen betrachtet werden sollen, nämlich:
- 1) Ti, Ta < Ts
- 2) Ti > Ts > Ta
- 3) Ti, Ta > Ts
- 4) Ta > Ts > Ti
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Zu 1)
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Das Medium des Wärmerohrs 4 liegt vollständig verflüssigt vor und es findet kein Wärmetransport statt.
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Zu 2)
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Aufgrund der Wärme der Batteriezelle 3 verdampft das Medium im Wärmerohr 4 im Verdampfungsabschnitt 10. Der Dampf steigt im Kanal mit dem großporigen Material 14 auf und kondensiert am Kondensationsabschnitt 12. Dabei wird Wärme abgegeben, insbesondere über die Elemente 13. Das kondensierte Medium gelangt über den Kanal mit dem kleinporigen Material 15 wieder nach unten in den Verdampferabschnitt 10. Somit wird die Batteriezelle 3 gekühlt. Durch die Kühlung bleibt die Batteriezelle 3 länger in einem zulässigen Arbeitsbereich von beispielsweise 0°C bis 55°C.
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Zu 3)
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Das Medium im Wärmerohr 4 liegt vollständig als Dampf vor und es findet kein Wärmetransport statt.
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Zu 4)
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Das Medium liegt zunächst als Flüssigkeit vor. Durch die Kapillarwirkung gelangt die Flüssigkeit in dem Kanal mit dem kleinporigen Material 15 von dem Verdampferabschnitt 10 zum Kondensationsabschnitt 12. Da dort die Temperatur Ta größer als die Siedetemperatur Ts ist, verdampft das flüssige Medium und der Dampf gelangt über den Kanal mit dem großporigen Material 14 zu der Batteriezelle 3. Die Batteriezelle 3 wird erwärmt.
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Dies ist beispielsweise im Winter von Vorteil, wenn nach dem Start des Kraftfahrzeugs die Batteriezelle 3 noch sehr kalt ist, die Umgebung um den Kondensationsabschnitt 12 aber bereits (beispielsweise aufgrund der Motorabwärme) wärmer ist. Bei Verwendung eines Gravitations-Wärmerohres hingegen bleibt das verflüssigte Medium im Verdampferabschnitt 10 und es findet kein Wärmetransport statt.
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Dabei sei angemerkt, dass das Wärmerohr 4 im Fall von 4) umgekehrt arbeitet, also an dem Kondensationsabschnitt 12 verdampft und an dem Verdampferabschnitt 10 kondensiert wird.
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In den Betriebssituationen, wo Ta > Ti ist, verhindert die thermische Isolierung 2 einen Wärmeeintrag von außen nach innen, sodass die Batteriezelle 3 nicht noch zusätzlich aufgeheizt wird. Durch den Isolations-Abschnitt 11 wird dabei eine Wärmebrücke am Durchgang der Wärmerohre 4 durch die thermische Isolierung 2 verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/056877 A1 [0003]
- DE 19724020 A1 [0004]
- EP 2370280 B1 [0005]
