DE102014213091B3 - Elektrischer Energiespeicher und Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Elektrischer Energiespeicher (1), mit – einem Gehäuse (2), in dem mindestens eine Speicherzelle (3, 4) angeordnet ist, – einem Wärmerohr (8) und – einem Peltier-Element (10), welches ein zweites Wärmeübertragungselement (10b) aufweist, das mittelbar oder unmittelbar thermisch mit dem ersten Abschnitt (8a) des Wärmerohrs (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) thermisch zwischen die mindestens eine Speicherzelle (3, 4) und das Wärmerohr geschaltet ist, wobei das Peltier-Element (10) ein erstes Wärmeübertragungselement (10a) aufweist, welches mittelbar oder unmittelbar thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Energiespeicher ist aus der US 2011 0 287 285 A1 bekannt.
  • In Fahrzeugen eingesetzte elektrische Hochvoltspeicher müssen temperiert, d. h. bei Bedarf gekühlt bzw. beheizt werden. Nur durch eine sorgfältige Temperierung des Hochvoltspeichers kann eine hinreichend lange Lebensdauer erreicht werden. Mit dem Temperieren eines Batteriemoduls hat sich bereits die DE 10 2011 084 749 A1 befasst. Dort wird vorgeschlagen, ein aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen bestehendes Batteriemodul durch ein oder mehrere Wärmerohre (sog. Heat Pipes) zu temperieren.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher mit einer verbesserten „Temperiereinrichtung” zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere ein aus mehreren oder einer Vielzahl von Batteriezellen, z. B. Lithium-Ionen-Zellen, bestehender Hochvoltspeicher, der ein Gehäuse aufweist, in dem mindestens eine Speicherzelle angeordnet ist. Der elektrische Energiespeicher weist ferner ein Wärmerohr (Heat Pipe) auf, das zumindest mit einem Teilabschnitt seiner Länge in dem Gehäuse des Energiespeichers angeordnet ist.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Speicherzelle nicht unmittelbar, sondern über ein Peltier-Element mit dem Wärmerohr thermisch gekoppelt ist.
  • Im Unterschied zu Hochvoltspeichern, die eine Kühlflüssigkeits- oder Kältemittelkühlung aufweisen, d. h. bei denen ein Fluidkreislauf durch den Hochvoltspeicher hindurchgeführt ist, wird hier ein „autarkes Kühlsystem” vorgeschlagen. Unter dem Begriff „autarkes Kühlsystem” wird verstanden, dass der Energiespeicher nicht von einem Kühlmittel oder einem Kältemittel durchströmt ist, wodurch sich die Betriebssicherheit und ganz allgemein die Sicherheit des Hochvoltspeichers erhöht. Im Vergleich zu kühlflüssigkeits- oder kältemitteldurchströmten Hochvoltspeichern ermöglicht die Erfindung eine sehr kompakte Bauweise. Durch die Zwischenschaltung eines Peltier-Elements zwischen die Speicherzelle und das Wärmerohr wird ein sehr effektiver Wärmeübergang erreicht.
  • Das Peltier-Element weist ein erstes Wärmeübertragungselement auf, welches mittelbar (d. h. über mindestens ein weiteres Bauteil, eine wärmeleitende Substanz o. ä.) oder unmittelbar thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle gekoppelt ist, und ein zweites Wärmeübertragungselement, das mittelbar (d. h. über mindestens ein weiteres Bauteil, eine wärmeleitende Substanz o. ä.) oder unmittelbar thermisch mit dem Wärmerohr gekoppelt ist. Die Wärmeübertragungselemente können bspw. durch ebene Metallplatten gebildet sein, wie dies bei vielen auf dem Markt erhältlichen Peltier-Elementen der Fall ist.
  • Die „Zwischenschaltung” eines Peltier-Elements zwischen die mindestens eine Speicherzelle und das Wärmerohr hat den Vorteil, dass auch bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Speicherzelle und der Umgebung durch elektrische Ansteuerung des Peltier-Elements ein für einen guten Wärmeübergang hinreichendes Temperaturgefälle in Richtung der Speicherzelle oder von der Speicherzelle weg erzeugt werden kann bzw. dass Temperaturdifferenzen zwischen Speicherzelle und der Umgebung durch elektrische Ansteuerung des Peltier-Elements ausgeglichen werden können.
  • Je nach Richtung des Stroms, der durch das Peltier-Element fließt, kann nämlich das erste Wärmeübertragungselement gekühlt und das zweite Wärmeübertragungselement erhitzt oder das erste Wärmeübertragungselement erhitzt und das zweite Wärmeübertragungselement gekühlt werden. Dadurch kann von der Speicherzelle sehr effektiv Wärme abgeführt oder der Speicherzelle Wärme zugeführt werden.
  • Das Wärmerohr kann thermisch mit dem Gehäuse des Energiespeichers gekoppelt sein. Bei einer thermischen Kopplung des Wärmerohrs mit dem Gehäuse kann somit Wärme von der Speicherzelle über das Peltier-Element und das Wärmerohr an das Gehäuse abgegeben werden. In einem Betriebszustand „Heizen” des Energiespeichers kann der Wärmestrom umgekehrt gerichtet sein, d. h. das Gehäuse des Energiespeichers kann über das Wärmerohr und das Peltier-Element Wärme an die mindestens eine Speicherzelle abgeben.
  • Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass sich das Wärmerohr durch eine in dem Gehäuse vorgesehene Öffnung nach außen erstreckt. Das Wärmerohr weist dementsprechend einen innerhalb des Gehäuses angeordneten „ersten Abschnitt” auf, der thermisch mit dem zweiten Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements gekoppelt ist und einen außerhalb des Gehäuses vorgesehenen „zweiten Abschnitt”.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das erste Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements thermisch mit einem „Terminal”, d. h. mit einem Pluspol oder einem Minuspol, der mindestens einen Speicherzelle gekoppelt ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das erste Wärmeübertragungselement thermisch mit einem Gehäuse der mindestens einen Speicherzelle gekoppelt ist.
  • Das erste Wärmeübertragungselement muss nicht notwendigerweise unmittelbar mit einem Terminal (Pluspol oder Minuspol) und/oder dem Gehäuse der mindestens einen Speicherzelle gekoppelt sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Terminals von Speicherzellen über einen Zellverbinder elektrisch und thermisch miteinander verbunden sind und das erste Wärmeübertragungselement mit dem Zellverbinder thermisch gekoppelt ist. Ein derartiger Zellverbinder besteht üblicherweise aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie z. B. Kupfer, Aluminium o. ä.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Peltier-Element und die mindestens eine Speicherzelle bzw. der Zellverbinder mechanisch gegeneinander verspannt sind, d. h. gegeneinander gedrückt werden. Durch eine mechanische Verspannung (zusammenpressen bzw. zusammendrücken) wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem ersten Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements und der mindestens einen Speicherzelle bzw. dem Zellverbinder erreicht.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements über eine Lötverbindung mit der mindestens einen Speicherzelle oder dem Zellverbinder thermisch gekoppelt ist.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements über eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle oder dem Zellverbinder gekoppelt ist.
  • Für die Darstellung der thermischen Kupplung zwischen dem zweiten Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements und dem Wärmerohr gibt es ebenfalls verschiedene Möglichkeiten.
  • Das zweite Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements und das Wärmerohr können beispielsweise mechanisch gegeneinander verspannt sein. Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass das zweite Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements über eine Lötverbindung thermisch mit dem Wärmerohr gekoppelt ist und/oder über eine Wärmeleitpaste oder über einen Wärmeleitkleber.
  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das zweite Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements nicht unmittelbar mit dem Wärmerohr verbunden sein muss. Vielmehr kann zwischen dem zweiten Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements und dem Wärmerohr ein gut wärmeleitendes „Adapterstück” angeordnet sein. Viele auf dem Markt erhältliche Wärmerohre haben nämlich einen runden bzw. gekrümmten Querschnitt, wohingegen die Wärmeübertragungselemente von auf dem Markt erhältlichen Peltier-Elementen üblicherweise durch ebene Platten gebildet sind.
  • Um einen guten Wärmeübergang zu erreichen, kann ein Adapterstück verwendet sein, das auf der dem zweiten Wärmeübertragungselement zugewandten Seite eben ist und relativ großflächig auf dem zweiten Wärmeübertragungselement des Peltier-Elements auf- bzw. anliegt. Die dem Wärmerohr zugewandte Seite des Adapterstücks kann an die Außenkontur des Wärmerohrs angeschmiegt sein und z. B. gekrümmt bzw. halbkreisförmig konkav ausgebildet sein.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Wärmerohr ein Gehäuse aus Kupfermaterial, oder Aluminiummaterial oder aus Stahl auf.
  • Im Falle eines aus dem Gehäuse des Energiespeichers herausgeführten Wärmerohrs kann vorgesehen sein, dass von dem außerhalb des Gehäuses vorgesehenen zweiten Abschnitt des Wärmerohrs mindestens eine Wärmeübertragungslamelle absteht, die dazu vorgesehen ist, Wärme an die Umgebung abzugeben oder Wärme von der Umgebung aufzunehmen. Selbstverständlich können mehrere derartige Wärmeübertragungslamellen vorgesehen sein, wodurch sich die übertragbare Wärmeleistung vergrößern lässt.
  • Wenn der erfindungsgemäße Energiespeicher in ein Fahrzeug eingebaut ist, kann das Wärmerohr so angeordnet sein, dass der aus dem Gehäuse herausstehende zweite Abschnitt des Wärmerohrs bzw. die daran angeordneten Wärmeübertragungslamellen von Fahrtwind um- oder durchströmt sind.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann ein Lüfter vorgesehen sein, der Luft entlang der mindestens einen Wärmeübertragungslamelle bläst.
  • Alternativ dazu könnte auch vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt des Wärmerohrs bzw. die daran vorgesehene mindestens eine Wärmeübertragungslamelle thermisch mit einem Fluidkreislauf, wie z. B. einem Kühlkreislauf einer Leistungselektronik, eines Verbrennungsmotors, einem Ölkreislauf eines Motors oder eines Getriebes o. ä. gekoppelt ist.
  • Alternativ oder ergänzend dazu können die Wärmeübertragungslamellen so angeordnet sein, dass diese von Luft des Fahrgastraums eines Fahrzeugs umströmt sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 gemäß der Erfindung. Der Energiespeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem mehrere Speicherzellen angeordnet sind, von denen in 1 lediglich zwei Speicherzellen 3, 4 dargestellt sind. Die Speicherzellen 3, 4 haben eine prismatische bzw. quaderförmige Form. An ihrer Oberseite weisen die Speicherzellen 3, 4 jeweils ein Terminal (Pluspol oder Minuspol) 5, 6 auf. Die beiden Terminals 5, 6 sind über einen Zellverbinder 7 elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden.
  • Ferner ist ein Wärmerohr (Heat Pipe) 8 vorgesehen, das einen ersten innerhalb des Gehäuses 2 sich erstreckenden Abschnitt 8a und einen sich außerhalb des Gehäuses 2 erstreckenden Abschnitt 8b aufweist. Das Wärmerohr erstreckt sich durch eine im Gehäuse 2 vorgesehene Gehäuseöffnung 9.
  • Der erstes Abschnitt 8a des Wärmerohrs 8 ist über ein hier nur äußerst schematisch dargestelltes Peltier-Element 10 thermisch mit dem Zellverbinder 7 und dem ersten Abschnitt 8a des Wärmerohrs 8 verbunden. Das Peltier-Element weist ein erstes z. B. durch eine Metallplatte gebildetes Wärmeübertragungselement 10a auf und ein zweites thermisch mit dem ersten Abschnitt 8a des Wärmerohrs 8 gekoppeltes Wärmeübertragungselement 10b auf. Einzelheiten des Peltier-Elements 10 brauchen hier nicht näher erläutert werden, da Peltier-Elemente an sich seit langem bekannt sind.
  • Die Speicherzellen 3, 4 bzw. deren Terminals 5, 6 sind hier also nur „mittelbar”, d. h. über den Zellverbinder 7, mit dem ersten Wärmeübertragungselement 10b des Peltier-Elements 10 thermisch gekoppelt. Durch Anlegen einer Spannung U kann zwischen den beiden Wärmeübertragungselementen 10a, 10b des Peltier-Elements 10 ein Temperaturgefälle erzeugt werden. Je nach Richtung der Spannung U wird das Wärmeübertragungselement 10a kalt und das Wärmeübertragungselement 10b warm, oder umgekehrt.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, stehen von dem zweiten aus dem Gehäuse 2 herausstehenden Abschnitt 8b des Wärmerohrs 8 mehrere Wärmeübertragungslamellen 11 ab, die von Umgebungsluft 12 (im Falle eines Fahrzeugs z. B. von Fahrtwind) durch- oder umströmt werden.

Claims (17)

  1. Elektrischer Energiespeicher (1), mit – einem Gehäuse (2), in dem mindestens eine Speicherzelle (3, 4) angeordnet ist, – einem Wärmerohr (8) und – einem Peltier-Element (10), welches ein zweites Wärmeübertragungselement (10b) aufweist, das mittelbar oder unmittelbar thermisch mit dem ersten Abschnitt (8a) des Wärmerohrs (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) thermisch zwischen die mindestens eine Speicherzelle (3, 4) und das Wärmerohr geschaltet ist, wobei das Peltier-Element (10) ein erstes Wärmeübertragungselement (10a) aufweist, welches mittelbar oder unmittelbar thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) thermisch mit dem Gehäuse (2) des Energiespeichers (1) gekoppelt ist und Wärme an das Gehäuse (2) des Energiespeichers (1) abgibt oder Wärme von dem Gehäuse (2) aufnimmt.
  3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Wärmerohr (8) durch eine in dem Gehäuse (2) vorgesehene Öffnung (9) erstreckt und einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten ersten Abschnitt (8a) und einen außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten zweiten Abschnitt (8b) aufweist.
  4. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeübertragungselement (10a) thermisch mit einem Pluspol oder einem Minuspol (5, 6) der Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist oder über einen Zellverbinder (7) thermisch mit einem Pluspol oder einem Minuspol der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.
  5. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeübertragungselement (10a) thermisch mit einem Gehäuse der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.
  6. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) und die mindestens eine Speicherzelle (3, 4) mechanisch gegeneinander verspannt sind.
  7. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) über eine Lötverbindung thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.
  8. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) über eine Wärmleitpaste oder einen Wärmeleitkleber thermisch mit der mindestens einen Speicherzelle (3, 4) gekoppelt ist.
  9. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) und das Wärmerohr (8) mechanisch gegeneinander verspannt sind.
  10. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) über eine Lötverbindung thermisch mit dem Wärmerohr (8) gekoppelt ist.
  11. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) über eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber thermisch mit dem Wärmerohr gekoppelt ist.
  12. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Wärmeübertragungselement (10b) und dem Wärmerohr (8) ein wärmeleitendes Adapterstück angeordnet ist, welches an die Form des zweiten Wärmeübertragungselements (10b) und an die Form des Wärmerohrs (8) derart angepasst ist, dass sich jeweils eine flächige Berührung ergibt.
  13. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) ein Gehäuse aus Kupfermaterial oder Aluminiummaterial oder aus Stahl aufweist.
  14. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Abschnitt (8b) des Wärmerohrs (8) mindestens eine Wärmeübertragungslamelle (11) absteht, die dazu vorgesehen ist, Wärme an die Umgebung abzugeben oder Wärme von der Umgebung aufzunehmen.
  15. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Abschnitt (8b) des Wärmerohrs (8) mindestens eine Wärmeübertragungslamelle (11) und ein Lüfter vorgesehen ist, der Luft entlang der mindestens eine Wärmeübertragungslamelle (11) bläst.
  16. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
  17. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wärmeübertragungslamelle (11) dazu vorgesehen ist, Wärme an einen Fahrtwind des Fahrzeugs abzugeben oder Wärme aus dem Fahrtwind aufzunehmen.
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