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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Generell kommt es beim Be- oder Entladen einer Batteriezelle aufgrund der elektrochemischen Vorgänge im Zelleninneren zu einer Erwärmung der Batteriezelle. Insbesondere bei einer Mehrzahl von Batteriezellen, die in einem Batteriemodul zusammengeführt sind, muss eine ausreichende Abfuhr von Wärme während des Be- oder Entladens des Batteriemoduls gewährleistet werden. Solche Batteriemodule müssen langzeitstabil, mechanisch belastbar, sicher und wärmetechnisch ausreichend ausgelegt sein. Erst durch eine Kombination der genannten Eigenschaften wird ein problemfreier und verlässlicher Betrieb des Batteriemoduls ermöglicht.
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Eine weitere Wärmequelle, die zu einer Erwärmung der Batteriezelle beim Be- oder Entladen beiträgt, ist durch ohmsche Verluste innerhalb und außerhalb der Batteriezelle gegeben. Als Wärmequelle sind insbesondere die Zellenanschlüsse (eng. Tabs) der Batteriezelle zu nennen. In Bezug auf die Zellenanschlüsse muss daher ein guter Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität, elektrischer Isolation und ausreichender Entwärmung der Zellenanschlüsse erfolgen.
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Generell hängt die kritische Temperatur, die für eine Batteriezelle nicht überschritten werden sollte, von der Art der Batteriezelle ab. Wird die kritische Temperatur einer Batteriezellenart überschritten, so kann es zu irreversiblen Schäden der Batteriezelle kommen. Es ist daher unbedingt erforderlich, die in der Batteriezelle während des Be- oder Entladens entstehende Wärme möglichst direkt abzuführen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer Batteriezelle zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst wenigstens einen Zellenanschluss zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle, wobei der Zellenanschluss zur Abfuhr von Wärme mit einem Wärmerohr thermisch gekoppelt ist.
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Durch die erfindungsgemäße thermische Kopplung des Zellenanschlusses der Batteriezelle mit einem Wärmerohr (eng. Heat pipe) wird erfindungsgemäß Wärme, die während eines Be- oder Entladens der Batteriezelle entsteht, direkt über das mit dem Zellenanschluss thermisch gekoppelte Wärmerohr abgeführt. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Wärmerohr in stofflich direktem Kontakt mit dem Zellenanschluss der Batteriezelle ist. Der Zellenanschluss der Batteriezelle ist typischerweise in direktem Kontakt mit einem elektrochemisch aktiven Zelleninneren der Batteriezelle. Weiterhin umfasst der Zellenanschluss meist ein thermisch gut leitendes Material, beispielsweise Kupfer. Dadurch wird die Wärme, die beim Be- oder Entladen im Zelleninneren der Batteriezelle entsteht, über die Zellenanschlüsse von dem Zelleninneren der Batteriezelle nach außen geleitet. Durch die erfindungsgemäße Kontaktierung eines Wärmerohrs an den Zellenanschluss wird die nach außen getragene Wärme von der Batteriezelle und folglich vom Zelleninneren abgeführt. Vorzugsweise besitzt das Wärmerohr eine größere spezifische Wärmeleitfähigkeit als nach dem Stand der Technik bekannte Zellenanschlüsse.
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Es kann vorgesehen sein, das Wärmerohr zusätzlich mit einer Kühleinrichtung thermisch zu verkoppeln. Dadurch kann die Kühlung und folglich die Ableitung der Wärme von der Batteriezelle zusätzlich verbessert werden. Vorzugsweise ist die Abfuhr von Wärme über das Wärmerohr durch eine weitere Flüssigkeitskühlung der Zellenanschlüsse und/oder des Wärmerohrers erweitert. Weiterhin kann eine Mehrzahl von Wärmerohren und/oder Flüssigkeitskühlungen vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das Wärmerohr durch eine Bohrung des Zellenanschlusses.
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Durch die Erstreckung des Wärmerohrs durch eine Bohrung des Zellenanschlusses wird die Kontaktoberfläche zwischen Wärmerohr und Zellenanschluss vergrößert. Hierbei führt die Vergrößerung der genannten Kontaktoberfläche zu einer Verbesserung des Übergangs von Wärme vom Zellenanschluss auf das Wärmerohr.
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Ein weiterer Vorteil des Durchführens des Wärmerohrs durch eine Bohrung des Zellenanschlusses ist, dass das Wärmerohr anschließend nach der Durchführung durch den genannten Zellenanschluss durch einen weiteren Zellenanschluss der Batteriezelle geführt werden kann. Bevorzugt ist das Wärmerohr durch alle Zellenanschlüsse der Batteriezelle mittels einer Bohrung geführt. Dadurch wird die Kühlung der Batteriezelle weiter verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine in Kontakt mit dem Zellenanschluss stehende äußere Oberfläche des Wärmerohrs elektrisch nicht leitend.
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Mit anderen Worten stellt die (äußere) Oberfläche des Wärmerohrs, die in direktem Kontakt mit dem Zellenanschluss ist, einen Isolator dar. Hierbei ist der Begriff eines Isolators näherungsweise zu verstehen. Eine mögliche geringe Leitfähigkeit der Oberfläche des Wärmerohrs sollte lediglich den Betrieb und/oder die Funktionsweise der Batteriezelle nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Zur Schaffung einer nicht oder nur gering leitenden Oberfläche kann eine Isolierung der Oberfläche vorgesehen sein. Hierbei wird die zunächst leitende Oberfläche des Wärmerohrs mittels einer isolierenden Lackierung und/oder mittels der Verwendung eines isolierenden Papiers, beispielsweise Papier mit dem Handelsnamen Nomex®-Papier, gegenüber dem Zellenanschluss isoliert.
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Eine weitere Möglichkeit das Wärmerohr elektrisch von dem Zellenanschluss zu entkoppeln ist die Verwendung von Kunststoffringen, die wenigstens innerhalb eines Teilbereiches der Bohrung ringförmig um das Wärmerohr angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Wärmerohr einen Latentwärmespeicher.
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Latentwärmespeicher zeichnen sich dadurch aus, dass sie Wärme verlustarm mit vielen Wiederholzyklen und über einen längeren Zeitraum speichern können. Typischerweise werden als Latentwärmespeicher Phasenwechselmaterialien eingesetzt (eng. Phase-Change-Materials, PCM). Durch die Verwendung eines Latentwärmespeichers an einem Ende des Wärmerohrs und/oder innerhalb des Wärmerohrs kann die Wärmeaufnahme gesteigert werden, so dass sich die Kühlung der Batteriezelle verbessert. Insbesondere erstreckt sich das Wärmerohr, welches an einem Ende einen Latentwärmespeicher aufweist, durch die Bohrung des Zellenanschlusses. Der am Ende des Wärmerohrs angeordnete Latentwärmespeicher bildet somit eine Wärmesenke (Wärmepuffer) für die Wärme der Batteriezelle aus, wobei die Wärme vom Zellenanschluss über das Wärmerohr zum Latentwärmespeicher geführt wird.
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Bevorzugt sind Phasenwechselmaterialien, die eine Schmelzenthalpie von wenigstens 10 kJ/kg, bevorzugt mit wenigstens 100 kJ/kg aufweisen. Insbesondere bei Lastspitzen, die die Batteriezelle oberhalb ihrer kritischen Temperatur belasten, sind Phasenwechselspeicher von Vorteil, da sie als Wärmepuffer dienen. Hierbei liegt die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselspeichers bevorzugt in der Nähe der kritischen Temperatur der Batteriezelle. Erreicht die Temperatur der Batteriezelle die kritische Temperatur, so bilden die Phasenwechselmaterialien eine kurzfristige Wärmesenke (Wärmepuffer) aus, so dass die Temperatur der Batteriezelle vorteilhafterweise in einen Temperaturbereich unterhalb der kritischen Temperatur zurückgeführt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Latentwärmespeicher durch eine Bohrung des Zellenanschlusses.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Kontaktoberfläche des Latentwärmespeichers mit dem Zellenanschluss vergrößert. Bevorzugt ist ein Latentwärmespeicher, der einen Phasenwechselspeicher umfasst. Beispielsweise kann der Latentwärmespeicher Paraffin, insbesondere Weichparaffin, Hartparaffin und/oder Mikrowachse umfassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Batteriezelle wenigstens zwei Zellenanschlüsse, wobei die Zellenanschlüsse in einem gemeinsamen Latentwärmespeicher eingebettet sind.
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Insbesondere sind Latentwärmespeicher, die ein Phasenwechselmaterial (PCM) umfassen, von Vorteil. Durch die Einbettung der wenigstens zwei Zellenanschlüsse in einen gemeinsamen Latentwärmespeicher wird vorteilhafterweise eine für die Zellenanschlüsse gemeinsame Wärmesenke ermöglicht. Hierdurch wird ein möglicher Temperaturunterschied zwischen den zwei Zellenanschlüssen homogenisiert. Zudem wird die Abfuhr von Wärme vom Zelleninneren zum Wärmerohr über die Verwendung mehrerer Zellenanschlüsse, insbesondere aller Zellenanschlüsse, verbessert.
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Es kann weiter vorgesehen sein, die Batteriezelle als Beutelzelle (eng. Pouch cell) auszubilden. Insbesondere bei Batteriezellen, die als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind, ist eine solche Beutelzelle von Vorteil. Das ist deshalb der Fall, da die einzelnen Beutelzellen zu einem Stapel von Beutelzellen angeordnet werden können und folglich ein geschichtetes Batteriemodul ausbilden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Wärmerohr eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 kW/(m·K) auf.
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Bevorzugt ist ein Bereich von 1 kW/(m·K) bis 10 kW/(m·K), wobei eine spezifische Wärmeleitfähigkeit größer als 10 kW/(m·K) vorgesehen sein kann.
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Dadurch wird die Kühlung der Batteriezelle weiter verbessert. Bevorzugt weist das Wärmerohr eine wesentlich größere spezifische Wärmeleitfähigkeit als Kupfer auf, welches Kupfer eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 kW/(m·K) besitzt. Durch die gegenüber Kupfer erhöhte spezifische Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohrs wird der Wärmeabfluss von der Batteriezelle zum Wärmerohr und vom Wärmerohr letztendlich zu einer mit dem Wärmerohr thermisch gekoppelten Wärmesenke, beispielsweise einen Phasenwechselspeicher, vergrößert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Batteriezellen vorgeschlagen, wobei jede Batteriezelle wenigstens zwei Zellenanschlüsse zur jeweiligen elektrischen Kontaktierung aufweist und alle Zellenanschlüsse mit dem Wärmerohr verbunden sind.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen ermöglicht, wobei die einzelnen Batteriezellen und somit das Batteriemodul insgesamt über das mit den Zellenanschlüssen in thermischem Kontakt stehende Wärmerohr gekühlt werden. Bevorzugt erstreckt sich hierbei das Wärmerohr kaskadenartig durch die einzelnen Zellenanschlüsse der Batteriezellen. Insbesondere können die Zellenanschlüsse der Batteriezellen noch zusätzlich in einen gemeinsamen Latentwärmespeicher, insbesondere in ein Phasenwechselmaterial, eingebettet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Batteriezelle mit zwei Zellenanschlüssen, die mit einem gemeinsamen Wärmerohr thermisch gekoppelt sind;
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2 eine Anordnung mit zwei Batteriezellen, deren Zellenanschlüsse mit einem gemeinsamen Wärmerohr thermisch gekoppelt sind;
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3 eine Batteriezelle, deren Zellenanschlüsse einen Latentwärmespeicher umfassen; und
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4 eine Batteriezelle, deren Zellenanschlüsse mittels eines gemeinsamen Latentwärmespeichers thermisch verbunden sind.
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Gleichartige Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt eine Batteriezelle 2 mit zwei Zellenanschlüssen 31, 32, wobei jeder Zellenanschluss 31, 32 eine Bohrung 51, 52 aufweist. Durch die Bohrung 51 des ersten Zellenanschlusses 31 und durch die Bohrung 52 des zweiten Zellenanschlusses 32 verläuft jeweils bzw. erstreckt sich ein gemeinsames Wärmerohr 4. Das Wärmerohr 4 weist hierfür wenigstens in einem Teilbereich einen gekrümmten Verlauf auf. Auch zwei getrennte Wärmerohre, wobei sich das eine Wärmerohr durch die erste Bohrung 51 und das andere Wärmerohr durch die zweite Bohrung 52 erstreckt können vorgesehen sein. Eine thermische Kopplung der zwei Wärmerohre ist möglich.
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Weiterhin ist das Wärmerohr 4 mit den Zellenanschlüssen 31, 32 thermisch über eine Kontaktoberfläche gekoppelt. Zur Abfuhr der Wärme ist das Wärmerohr 4 thermisch mit einer Wärmesenke 6, beispielsweise mit einer Wärmesenke 6, die massives Kupfer umfasst, thermisch gekoppelt. Eine Wärmesenke 6, die als Phasenwechselspeicher ausgebildet ist, kann vorgesehen sein. Insgesamt wird dadurch die Wärme aus dem Zelleninneren der Batteriezelle 2, die beispielsweise beim Be- oder Entladen der Batteriezelle 2 entsteht, über die mit dem Zelleninneren thermisch verbundenen Zellenanschlüsse 31, 32 an das mit den Zellenanschlüssen 31, 32 thermisch gekoppelte Wärmerohr 4 abgegeben und schließlich durch das Wärmerohr 4 zur Wärmesenke 6 abgeführt.
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Zusätzlich zur Kühlung der Batteriezelle 2 über das Wärmerohr 4 kann eine weitere nicht dargestellte Kühleinrichtung, beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung der Batteriezelle 2, vorgesehen sein. Bevorzugt ist eine Flüssigkeitskühlung, die sich zusammen mit dem Wärmerohr 4 durch die Bohrungen 51, 52 der Zellenanschlüsse 31, 32 der Batteriezelle 2 erstreckt. Weiterhin ist eine Wärmesenke 6 von Vorteil, die ein Phasenwechselmaterial, einen Phasenwechselspeicher und/oder einen Latentwärmespeicher umfasst.
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2 zeigt eine Anordnung 1 von zwei Batteriezellen 2, die thermisch über ein gemeinsames Wärmerohr 4 gekoppelt sind. Hierbei erstreckt sich das Wärmerohr 4 von einer Wärmesenke 6 durch eine erste Bohrung 511 des ersten Zellenanschlusses 311 der ersten Batteriezelle 21, anschließend durch einen ersten Zellenanschluss 321 der zweiten Batteriezelle 22, weiter durch eine Bohrung 522 des zweiten Zellenanschlusses 322 der zweiten Batteriezelle 22, durch eine Bohrung 512 des zweiten Zellenanschlusses 312 der ersten Batteriezelle 21 und schließlich wieder zurück zur Wärmesenke 6. Die Zellenanschlüsse 311, 312, 321, 322 der ersten und zweiten Batteriezelle 21, 22 werden somit durch die Bohrungen 511, 512, 521, 522 kaskadenartig von dem Wärmerohr 4 durchlaufen und gekühlt.
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3 zeigt eine Batteriezelle 2 mit zwei Zellenanschlüssen 31, 32, die jeweils eine Bohrung 51, 52 aufweisen. Hierbei ist in jede der Bohrungen 51, 52 ein Latentwärmespeicher 8 eingebracht, der sich durch die jeweilige Bohrung 51, 52 des jeweiligen Zellenanschlusses 31, 32 der Batteriezelle 2 erstreckt. Bevorzugt ist ein Latentwärmespeicher, der wenigstens ein Phasenwechselmaterial und/oder einen Phasenwechselspeicher umfasst. Hierbei ist besonders ein Phasenwechselspeicher bevorzugt, dessen Phasenwechseltemperatur in einer Umgebung der kritischen Temperatur der Batteriezelle 2 liegt. Vorteilhafterweise bildet der Latentwärmespeicher 8 einen Wärmepuffer für die Batteriezelle 2 und/oder die Zellenanschlüsse 31, 32 aus. Die Wärme der Batteriezelle 2 kann folglich im Latentwärmespeicher 8, bevor sie an eine nicht dargestellte Wärmesenke abgeführt wird, zwischengespeichert werden. Insbesondere sind Latentwärmespeicher, die Weichparaffin, Hartparaffin und/oder Mikrowachse umfassen, bevorzugt.
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4 zeigt eine Darstellung einer Batteriezelle 2 mit zwei Zellenanschlüssen 31, 32. Hierbei weist jeder Zellenanschluss 31, 32 wenigstens eine Bohrung 51, 52 auf. Durch die Bohrung 51 des ersten Zellenanschlusses 31 und durch die Bohrung 52 des zweiten Zellenanschlusses 32 erstreckt sich ein gemeinsamer Latentwärmespeicher 8, der die zwei Zellenanschlüsse 31, 32 stofflich und thermisch verbindet. Vorteilhafterweise wird dadurch ein gemeinsamer Wärmepuffer für die zwei Zellenanschlüsse 31, 32 der Batteriezelle 2 geschaffen. Dadurch wird eine mögliche Temperaturdifferenz zwischen den zwei Zellenanschlüssen 31, 32 ausgeglichen bzw. homogenisiert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
