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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer aus mindestens einer Einzelzelle bestehenden Batterie.
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Stand der Technik
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Die Versorgung von elektrischen Verbrauchern, wie sie zum Beispiel in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, mit elektrischer Energie für deren Betrieb, kann mit Batterien erfolgen. Diese Batterien können aus einer Vielzahl von Einzelzellen bestehen, wobei jede Einzelzelle einen spezifischen Energiebeitrag für die bereitgestellte Gesamtenergie der Batterie bereitstellt. Bei der Nutzung von Batterien als Energielieferanten besteht ein wesentliches Problem darin, dass diese sich im Betrieb erwärmen. Eine zu starke Erwärmung von Batterien kann deren Lebensdauer in einem erheblichen Maße verringern. Daher werden Batterien im Betrieb, also bei einer Leistungsaufnahme und einer Leistungsabgabe in der Regel gekühlt. Aus dem Stand der Technik sind deshalb verschiedene Methoden zur Kühlung von Batterien bekannt.
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Ein erstes Beispiel für eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie ist in der
DE 10 2009 057 163 beschrieben. Die zu kühlende Batterie ist dabei über eine Wärmeaufnahmefläche, welche an einer Seite der Batterie angebracht ist, mit einem Wärmerohr thermisch verbunden. Die von der Batterie erzeugte Wärmeenergie wird über die Wärmeaufnahmefläche an das Wärmerohr übertragen. Über eine Wärmeabgabefläche des Wärmerohrs, welche thermisch mit einem Kühlmedium verbunden ist, wird die von dem Wärmerohr aufgenommene Wärme an das Kühlmedium abgegeben. Bei dieser Kühlvorrichtung erfolgt die Kühlung einseitig, das heißt, die Batterie umfasst lediglich eine wärmeabführende Seite.
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Ein zweites Beispiel zur Kühlung einer Batterie ebenfalls unter Verwendung eines Wärmerohrs beschreibt die
DE 197 24 020 . Das Wärmerohr ist dabei am Boden des zu kühlenden Batteriemoduls angeordnet. Auch hier erfolgt die Kühlung des Batteriemoduls einseitig.
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Die US-Patentschrift
US 7,968,223 B2 offenbart eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, mit zwischen den Batteriezellen angeordneten Zellbegrenzungswänden zum Abführen der in den Zellen entstehenden Wärme sowie eine mit einer Stirnseite der Zellbegrenzungswand verbundenen Kühlplatte, die wiederum mit einer aktiven Kühleinrichtung gekoppelt ist. Dabei unterstützen die Zellbegrenzungswände eine Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen, jedoch wird eine Wärmedifferenz innerhalb der Batteriezellen nicht ausgeglichen.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2011 088 737 A1 beschreibt einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine an den Stirnseiten der den Batteriespeicher bildenden Batteriezellen angeordnete Kühlplatte über ein Wärmerohr (Heatpipe) mit einem Abwärmekonvektor einer separat zum Energiespeicher angeordneten Kühlung verbunden ist.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2012 220 873 A3 beschreibt ein Verfahren zum Vermeiden einer Wärmeausbreitung von Batterien mithilfe von Wärmerohren, die zwischen den Batteriezellen in Form von Kühlplatten angeordnet sind, jedoch wird eine Wärmedifferenz innerhalb der Batteriezellen nicht ausgeglichen.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 061 755 A1 offenbart eine Halte- und Kühlungsvorrichtung für Batteriezellen eines Energiespeichers, wobei Halteelemente senkrecht auf einer Kühlplatte angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel sind Wärmerohre parallel zur Kühlplatte innerhalb des Halteelements angeordnet.
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Eine einseitige Kühlung einer Batterie, wie in den Beispielen eingangs beschrieben, weist jedoch folgende Nachteile auf. Der von der wärmeerzeugenden Batterie abzuführende Wärmebetrag ist wesentlich geringer als dies bei einer mehrseitigen Kühlung der Fall wäre, da weniger Batteriezellfläche mit der Kühlvorrichtung thermisch verbunden ist. Zweitens kann eine einseitige Kühlung der Batterie zu einer Temperaturdifferenz in der Batterie führen. Das bedeutet, dass durch eine einseitige Kühlung von lediglich einer Seite der Batterie, diese Seite der Batterie eine geringere Temperatur aufweist, als eine andere Seite der Batterie, welche nicht aktiv oder weniger stark gekühlt wird. Dadurch kann sich eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen diesen verschiedenen Seiten der Batterie ergeben, welche sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt und die Batterie schneller altern lässt.
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Es gibt jedoch noch einen weiteren Nachteil, und zwar, dass innerhalb der Batterie lokale Bereiche mit temperaturkritischen Wärme-Hotspots entstehen, für deren Entschärfung die einseitige Kühlung der Batterie nicht ausreichend ist. Eine zweiseitige Kühlung von Batterien wäre bei den eingangs beschriebenen Beispielen wesentlich aufwendiger umzusetzen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Kühlung einer aus mindestens einer Einzelzelle bestehenden Batterie derart weiterzuentwickeln, dass die eingangs beschriebenen Nachteile reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kühlung einer aus mindestens einer Einzelzelle bestehenden Batterie gelöst, wobei die Vorrichtung eine erste Kühlplatte umfasst, wobei die erste Kühlplatte mit der mindestens einen Einzelzelle in einem thermischen Kontakt steht. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine zweite Kühlplatte, und mindestens ein Wärmerohr, wobei die erste Kühlplatte mit der zweiten Kühlplatte über das mindestens eine Wärmerohr thermisch verbindbar ist, damit die von der mindestens einen Einzelzelle erzeugte Wärme zu der ersten Kühlplatte und der zweiten Kühlplatte abführbar ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die erzielte mehrseitige Kühlung der Einzelzellen der Batterie mehr Wärme von den Einzelzellen der Batterie, welche bei Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der Einzelzellen bei verschiedenen Betriebszuständen der Batterie erzeugt wird, abtransportiert werden kann, da eine größere Batteriezellfläche mit der Vorrichtung zur Kühlung thermisch verbunden werden. Unter einer mehrseitigen Kühlung ist in diesem Kontext zu verstehen, dass die von den jeweiligen Einzelzellen der Batterie produzierte Wärme über die erste Kühlplatte und der zweiten Kühlplatte, welche als Wärmeleitplatte ausgeführt ist, abgeführt wird. Also dass allgemein gesprochen mehr als nur eine wärmeabführende Fläche für die Batterie bereitgestellt wird.
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Der Weg der Wärme kann über zwei sogenannte Wärmepfade in der Vorrichtung wie folgt beschrieben werden: Bei einem ersten Wärmepfad wird die von den jeweiligen Einzelzellen erzeugte Wärme über den thermischen Kontakt der Einzelzellen mit der ersten Kühlplatte an die erste Kühlplatte abgegeben. Bei einem zweiten Wärmepfad nimmt die zweite Kühlplatte, welche als Wärmeleitplatte oder als Wärmesammelplatte ausgebildet ist, Wärme von den jeweiligen Einzelzellen auf. Durch die thermische Verbindung der zweiten Kühlplatte mit mindestens einem Wärmerohr wird die von der zweiten Kühlplatte aufgenommene Wärme über das mindestens eine Wärmerohr an die erste Kühlplatte weitergeleitet, mit dem Effekt, dass die zweite Kühlplatte dadurch abkühlt. Diese Verteilung von Wärme von der zweiten Kühlplatte auf die erste Kühlplatte führt vorteilhafterweise auch dazu, dass eine Temperaturdifferenz innerhalb der Batterie, das heißt in oder zwischen den jeweiligen Einzelzellen der Batterie reduziert wird. Dadurch kann der Alterungsprozess der Batterie verlangsamt werden, da neben einer Homogenität der Batteriezellentemperatur bei verschiedenen Betriebszuständen der Batterie auch die Einhaltung einer Maximaltemperatur gewährleistet wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die zweite Kühlplatte, welche als Wärmeleitplatte oder als Wärmesammelplatte ausgebildet ist, innerhalb der Batterie verbaut werden kann, da die zweite Kühlplatte kein Kühlmedium führt, was in einem möglichem Schadensfall der Batterie zu Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen kann.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sogenannte Wärme-Hotspots innerhalb der Batterie, welche an unterschiedlichen Orten innerhalb der Batterie entstehen können, entschärft werden können. Die Ausbildung von lokalen Wärme-Hotspots an verschiedenen Stellen innerhalb der Batterie kann dabei durchaus variieren. Die Variationen entstehen in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall, welcher beispielsweise durch die Bauart der Vorrichtung, den Umgebungstemperaturbedingungen, dem Betriebszustand der Batterie, vorgegeben ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Kühlplatte aktiv gekühlt. Eine aktive Kühlung ist einer passiven Kühlung leistungsmäßig überlegen. Bei einer aktiv gekühlten ersten Kühlplatte kann eine größere Wärmemenge pro Zeiteinheit von der wärmeerzeugenden Quelle, der Einzelzelle, schneller abtransportiert werden kann. Dies ermöglicht eine größere Leistungsaufnahme der Batterie, so dass Wärmestaus aufgrund einer Überhitzung von Einzelzellen innerhalb der Vorrichtung zumindest reduziert werden, um temperaturkritische Betriebszustände innerhalb der Vorrichtung vorzubeugen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Kühlplatte über der zweiten Kühlplatte angeordnet und das mindestens eine Wärmerohr im Betriebszustand senkrecht zu der ersten Kühlplatte angeordnet. Durch eine solche Anordnung kann das warme Kondensat innerhalb eines Wärmrohrs nach oben in Richtung zur aktiv gekühlten ersten Kühlplatte steigen und auf diese Weise die Wärme an die erste Kühlplatte abgeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Wärmerohr mit den Einzelzellen thermisch verbindbar. Dies hat den Vorteil, dass durch die thermische Verbindung ein direkter Wärmeübergang zwischen Wärmerohr und Einzelzelle möglich ist und somit ein zusätzlicher Wärmepfad erzeugt werden kann, um überschüssige Abwärme von der Einzelzelle wegzuleiten, was die Gefahr einer Überhitzung der Einzelzelle weiter reduziert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Packungsdichte der Wärmerohre in einem Kernbereich der Vorrichtung größer als in einem Randbereich der Vorrichtung. Im Kernbereich der Vorrichtung ist in der Regel die größte Wärmeentwicklung zu erwarten, da sich dort die Wärme aufgrund einer Dichtheit der Einzelzellen zu sogenannten Wärme-Hotspots aufstauen kann. Deshalb ist es von Vorteil, im Kernbereich der Vorrichtung eine größere Anzahl von Wärmerohren zu installieren, also deren Packungsdichte zu erhöhen, um in diesem Bereich Wärmestaus und damit auch unverhältnismäßige Temperaturerhöhungen, die zu kritischen Betriebszuständen der Einzelzellen führen können, zu begegnen. Man könnte auch sagen, dass in einem Kernbereich die thermische Beanspruchung in der Vorrichtung höher ist, als gegenüber einem sogenannten Randbereich in der Vorrichtung, der thermisch weniger beansprucht wird. Der Kernbereich kann sich zum Beispiel in der Mitte der Vorrichtung befinden oder in einem Randbereich mit hoher thermischer Belastung, welche zum Bespiel durch ein Bauteil mit hoher Wärmeentwicklung verursacht wird. Die Vorrichtung kann auch mehrere Kernbereiche enthalten.
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Die Packungsdichte kann jedoch auch oder zusätzlich durch einen Abstand zwischen benachbarten Wärmerohren bestimmt und beeinflusst werden. Der Abstand zwischen einzelnen Wärmerohren lässt sich in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles, welcher beispielsweise durch die Bauart der Vorrichtung, den Umgebungstemperaturbedingungen, der Batteriebelastung, vorgegeben sein kann, entsprechend variieren, um beispielsweise durch eine größere Anzahl von Wärmerohren mit einem geringeren Abstand zueinander, einen größeren und schnelleren Wärmetransport weg von der wärmeerzeugenden Quelle zu ermöglichen. Dies kann vorzugsweise in einem Kernbereich der Vorrichtung erfolgen, in welchem eine größere Wärmeentwicklung zu erwarten ist, als zum Beispiel in einem Randbereich der Vorrichtung, weil von außen vorbeiströmendes Kühlmedium wie etwa Luft die Einzelzellen nahe dieses Randbereiches zusätzlich kühlt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Wärmerohr zwischen den Einzelzellen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine platzsparende Anordnung der Wärmerohre unter Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes innerhalb der Vorrichtung möglich ist. Zwischen benachbarten Einzelzellen in der Vorrichtung kann also jeweils ein freier, das heißt, ein nicht mit einem Bauteil besetzter Zwischenraum vorhanden sein. In diesem Zwischenraum kann dann eine beliebige Anzahl von Wärmerohren je nach Betriebszustand der Batterie und erforderlichem Kühlungsbedarf untergebracht werden. Generell kann man jedoch sagen, dass die Anordnung der einzelnen Wärmerohre von der Bauform und der verwendeten Zellenart abhängig ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Packungsdichte durch den Durchmesser und/oder der Querschnittsform der einzelnen Wärmerohre bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass je nach gewähltem Anwendungsfall der Batterie, auch Wärmerohre mit verschieden ausgeprägtem Durchmesser und/oder Querschnittsform eingesetzt werden können, um Bereiche, in denen eine größere Wärmeentwicklung infolge einer Leistungsabgabe der Einzelzellen zu erwarten ist, als in anderen Bereichen der Vorrichtung, durch größere und schnellere Wärmewegleitung zu entlasten. Die erforderliche Kühlfunktion kann also zusätzlich oder anstatt der Parametrierung über die Anzahl der verwendeten Wärmerohre auch über eine geeignete Wahl des Durchmessers der verwendeten Wärmerohre eingestellt werden. Hierbei sei angemerkt, dass sich in der Vorrichtung ebenso Wärmerohre verwenden lassen, welche eine voneinander unterschiedliche Länge oder eine voneinander unterschiedliche Querschnittsform wie zum Beispiel eine rechteckige anstelle eine runde Querschnittsform, aufweisen, wenn diese Wärmerohre zum Beispiel an zusätzlichen Kühlplatten thermisch gekoppelt werden sollen oder es der Anwendungsfall erforderlich macht.
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Im Kernbereich der Vorrichtung sind in einem solchen Fall mehr, größere und/oder Wärmerohre mit einer größeren Querschnittsfläche eingesetzt als außerhalb des Kernbereiches, um einen größeren Wärmetransport im Kernbereich umzusetzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Wärmerohr in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzbereich der Vorrichtung in einem Betriebstemperaturbereich zwischen ungefähr 25 und 60 Grad Celsius betreibbar. Hier sei allgemein angemerkt, dass sich der Betriebstemperaturbereich der Wärmerohre danach richtet, für welche Belastungsszenarien die Batterie ausgelegt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Wärmerohr aus einem Material gefertigt, welches Kupfer enthält.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das mindestens eine Wärmerohr einen Durchmesser von ungefähr 4 mm bis 6 mm auf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Batterie für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei die Batterie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung umfasst. Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein Elektrofahrzeug sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Einzelzelle als Rundzelle, als Pouchzelle oder als eine prismatisch geformte Zelle ausgebildet. Der Einsatz von anderen Zelltypen oder Kombinationen davon ist möglich, beeinflusst aber auch zugleich die Form der verwendeten Wärmerohre. So ist zum Beispiel bei einem Einsatz von Pouchzellen die Verwendung von abgeflachten Wärmerohren ratsam.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Kühlung in Schnittdarstellung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Vorrichtung zur Kühlung in Schnittdarstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kühlung einer Batterie 6, wobei die Batterie 6 eine Vielzahl von Einzelzellen 2 umfasst. Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Kühlplatte 3 und eine zweite Kühlplatte 4. Die zweite Kühlplatte 4 ist dabei als Wärmeleitplatte oder als Wärmesammelplatte ausgebildet. Die erste Kühlplatte 3 steht mit den dargestellten Einzelzellen 2 in einem thermischen Kontakt. Dies bedeutet, dass die Wärme, welche von den Einzelzellen 2 bei Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe erzeugt wird, zu der ersten Kühlplatte 3 abgeleitet wird. Die erste Kühlplatte 3 kann dabei aktiv gekühlt sein, um die von den Einzelzellen 2 übertragene Wärme auf die gesamte Fläche der ersten Kühlplatte 3 besser und schneller verteilen zu können.
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Unter einer aktiven Kühlung ist zu verstehen, dass ein Kühlmedium wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit in der ersten Kühlplatte 3 strömt und zirkuliert und auf diese Weise die von den Einzelzellen 2 abgegebene und von der ersten Kühlplatte 3 aufgenommene Wärme abtransportiert wird. Das Kühlmedium kann auch von außen in die erste Kühlplatte 3 eingebracht werden (nicht dargestellt) oder die erste Kühlplatte 3 bildet mit dem Kühlmedium ein nach außen hin abgeschlossenes Kühlsystem, wobei in der ersten Kühlplatte 3 beispielsweise eine Anzahl von Kühlkanälen verbaut ist, welche das Kühlmittel befördern. Auch eine Kombination aus aktiver und passiver Kühlung der ersten Kühlplatte 3 wäre zur Kühlung der ersten Kühlplatte 3 denkbar, wenn dadurch eine bessere Kühlwirkung erzielt werden kann. So könnte die erste Kühlplatte 3 zum Beispiel an mindestens einer ihrer Oberflächen lamellenartige Ausformungen aufweisen, damit ein Kühlmedium wie Luft, welches außerhalb der ersten Kühlplatte 3 an der ersten Kühlplatte 3 vorbeiströmt, diese jeweilige Oberfläche der ersten Kühlplatte 3 durch Wärmeaustausch kühlt. In der 1 sind weiterhin elektrische Verbindungsanschlüsse 8 ausgebildet. In der Ausführungsform der 1 ist die zweite Kühlplatte 4 über der ersten Kühlplatte 3 angeordnet. Eine umgekehrte Anordnung wäre jedoch auch denkbar.
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Die erste Kühlplatte 3 ist in der 1 über eine Vielzahl von Wärmerohren 5 mit der zweiten Kühlplatte 4 thermisch verbunden. Auf diese Weise kann die von den Einzelzellen 2 der Batterie 6 erzeugte Wärme zu der ersten Kühlplatte 3 und zu der zweiten Kühlplatte 4 abgeführt werden. In der 1 ist zwischen der zweiten Kühlplatte 4 und den Einzelzellen 2 ein Stromsammelblech 7 angeordnet. Zwischen der zweiten Kühlplatte 4 und dem Stromsammelblech 7 ist in der Regel eine isolierende Schicht (nicht dargestellt) angeordnet. Die isolierende Schicht kann jedoch auch an einem anderen Ort innerhalb der Vorrichtung 1 platziert sein, um zu verhindern, dass die elektrisch positive Seite der Batterie mit der elektrisch negativen Seiten der Batterie kurzgeschlossen wird. Das Stromsammelblech 7 in der 1 hat direkten physikalischen Kontakt mit den Einzelzellen 2 und leitet die Wärme von den Einzelzellen 2 weiter zur zweiten Kühlplatte 4.
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Weiterhin wäre es denkbar, dass das Stromsammelblech 7 die Verteilung und Abgabe der Wärme an die einzelnen Wärmerohre 5 übernimmt, so dass auf diese Weise eine gesonderte, zweite Kühlplatte eingespart werden könnte. Es sollte an dieser Stelle erwähnt werden, dass die zweite Kühlplatte 4 in der 1 und in der 2 nicht in einem direkten physikalischen Kontakt mit den jeweiligen Einzelzellen 2 steht.
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Der Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 gestaltet sich dabei wie folgt: In einem ersten Wärmepfad wird durch den thermischen Kontakt der Einzelzellen 2 der Batterie 6 von den Einzelzellen 2 Wärme auf die erste Kühlplatte 3 übertragen. Die erste Kühlplatte 3 nimmt diese Wärme auf und verteilt diese Wärme über die gesamte Fläche der ersten Kühlplatte 3.
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In einem zweiten Wärmepfad nimmt die zweite Kühlplatte 4, welche als eine Wärmesammelplatte oder als eine Wärmeleitplatte ausgebildet ist, Wärme von den jeweiligen Einzelzellen 2 auf. Da die zweite Kühlplatte 4 mit Wärmerohren 5 in einem thermischen Kontakt steht, wird die von der zweiten Kühlplatte 4 aufgenommene Wärme, welche von den Einzelzellen 2 abgegeben wird, an die Wärmerohre 5 abgegeben. Die zweite Kühlplatte 4 kühlt dadurch also ab. Die Wärmerohre 5 übertragen diese Wärme dann auf die erste Kühlplatte 3.
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Die zweite Kühlplatte 4 wird dabei nicht aktiv von einem sie durchströmenden Kühlmedium gekühlt, wie dies bei der ersten Kühlplatte 3 der Fall ist. Dies hat den Vorteil, dass die zweite Kühlplatte 4 innerhalb der Batterie verbaut werden kann, da im Schadensfall kein Kurzschluss zu erwarten ist. Der Grad des Wärmetransports zwischen der zweiten Kühlplatte 4 und der ersten Kühlplatte 3 ist dabei abhängig von einer Temperaturdifferenz, welche zwischen der zweiten Kühlplatte 4 und der ersten Kühlplatte 3 besteht. Die Annäherung der Temperaturen der ersten Kühlplatte 3 und der zweiten Kühlplatte 4 hängt dabei wesentlich von der Qualität des Wärmepfads ab, also zum Beispiel von der Länge, von dem Durchmesser, von der Querschnittsfläche, von der Querschnittsform und / oder der Anzahl der Wärmerohre 5, welche in der Vorrichtung 1 installiert sind, sowie von der Qualität der Anbindung der einzelnen Wärmerohre 5 an das Kühlmedium, welches in der ersten Kühlplatte 3 strömt und / oder mit welchem die erste Kühlplatte 3 bei einer passiven Kühlung gekühlt wird.
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Denkbar wäre auch eine (hier nicht gezeigte) Ausführungsform, in welcher die Einzelzellen 2 mit der zweiten Kühlplatte 4 in einem direkten physikalischen Kontakt gebracht sind, um den Wärmeübergang von Einzelzelle 2 auf die zweite Kühlplatte 4 zu optimieren. Dabei muss durch geeignete Maßnahmen sichergestellt sein, dass Pluspol und Minuspol der Batterie nicht miteinander verbunden sind, um die Batterie nicht durch einen Kurzschluss zu zerstören.
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Durch die Verteilung der von den Einzelzellen 2 erzeugten Wärme auf die erste Kühlplatte 3 und die zweite Kühlplatte 4 kann eine mehrseitige Kühlung realisiert werden, was bedeutet, dass die Vorrichtung 1 mehr als eine wärmeabführende Seite aufweist und somit die Wärmeabfuhr höher ist als dies bei einer einseitigen Kühlung beispielsweise unter Verwendung von nur der einer Kühlplatte, wie etwa die erste Kühlplatte 3 der Fall wäre.
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In der Ausführungsform der 1 ist die zweite Kühlplatte 4 über der ersten Kühlplatte 3 angeordnet und die einzelnen Wärmerohre 5 sind im Betriebszustand senkrecht zu der ersten Kühlplatte 3 angeordnet. Die senkrechte Anordnung ermöglicht zudem die schnellste Wärmeübertagung von der zweiten Kühlplatte 4 zur ersten Kühlplatte 3. Unter einem Betriebszustand kann in diesem Kontext zum Beispiel der Betriebszustand der Batterie 6 verstanden werden, welcher dadurch definiert ist, dass die Batterie 6 entweder Leistung aufnimmt oder Leistung abgibt. Denkbar wäre auch eine umgekehrte Anordnung der einzelnen Kühlplatten, so dass auf diese Weise unter Ausnutzung der Schwerkraft das Wärmerohr optimal betrieben werden kann. Die Lage oder Ausrichtung der einzelnen Wärmerohre 5 gegenüber der ersten Kühlplatte 3 muss jedoch nicht zwangsläufig senkrecht ausgebildet sein, sondern kann auch einen anderen Winkel annehmen, sofern dies durch die jeweilige technische Anwendung zweckmäßig ist. In der Ausführungsform der 1 sind die einzelnen Wärmerohre 5 derart angeordnet, dass deren Längsachsen parallel zu den jeweiligen Längsachsen der einzelnen Einzelzellen 2 ausgerichtet sind.
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In der 1 sind die Einzelzellen 2 als Rundzellen ausgebildet. Die Verwendung von anderen Zellentypen, wie Pouchzellen oder prismatisch geformte Zellen ist jedoch denkbar und bestimmt dann die jeweilige Ausrichtung und den Typ der verwendeten Wärmerohre 5. Beispielsweise ist es von Vorteil, wenn bei der Verwendung von Pouchzellen abgeflachte Wärmerohre verwendet werden. Andere Ausrichtungen der Wärmerohre 5 sind jedoch denkbar, wenn anstelle von Rundzellen, wie in der Ausführungsform der 1 gezeigt, ein anderer Typ von Einzelzellen 2 verwendet wird. So wäre es beispielsweise auch denkbar, dass einzelne Wärmerohre 5 quer zu den Längsachsen der Einzelzellen 2 ausgerichtet sind, wenn dadurch eine bessere thermische Kontaktierung mit der ersten Kühlplatte 3 und / oder der zweiten Kühlplatte 4 erfolgt.
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In der Ausführungsform der 1 sind die einzelnen Wärmerohre 5 zwischen den Einzelzellen 2 angeordnet. Dabei kann der horizontale Abstand zwischen Wärmerohr 5 und Einzelzelle 2 derart minimal ausgeprägt sein, dass es möglich, dass die einzelnen Wärmerohre 5 mit den Einzelzellen 2 in einem thermischen Kontakt stehen. Auf diese Weise kann ein direkter Wärmeübergang von einer Einzelzelle 2 zu einem Wärmerohr 5 erfolgen, so dass der Abtransport der überschüssigen Wärme einer Einzelzelle 2 noch schneller erfolgt.
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Dieser Sonderfall einer thermischen Anbindung zwischen Einzelzelle 2 und Wärmerohr 5 innerhalb der Vorrichtung 1 kann dann erforderlich sein, wenn diese Einzelzelle 2 aufgrund ihrer Leistungsabgabe mehr Kühlung benötigt, als andere Einzelzellen 2 innerhalb der Vorrichtung 1. Diese Art der Bestückung und Anordnung von Wärmerohren zwischen den Einzelzellen ermöglicht eine optimale Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes innerhalb der Batterie 6. Die Vorrichtung 1 ermöglicht zudem eine flexible Anordnung der einzelnen Wärmerohre 5 zwischen den Einzelzellen 2. Eine größere Anzahl von Wärmerohren 5 pro Flächeneinheit in ausgewählten Bereichen in der Vorrichtung 1, was ebenfalls als Packungsdichte verstanden werden kann, kann je nach Anwendungsfall der Batterie 6 eingestellt werden. Eine mögliche Konfiguration der Vorrichtung 1 wäre zum Beispiel, wenn eine Packungsdichte der Wärmerohre 5 in einem Kernbereich der Vorrichtung 1 größer ist als in einem weniger temperaturbeanspruchten Teil der Vorrichtung 1. Dies ist vorteilhaft, da in dem Kernbereich der Vorrichtung 1 in der Regel die größte Wärmeentwicklung durch die Einzelzellen 2 zu erwarten ist.
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Der Kernbereich kann je nach Ausführungsform der Vorrichtung 1 unterschiedliche Ausmaße annehmen. Beispielsweise kann ein Kernbereich relativ zentral oder mittig in der Vorrichtung 1 angelegt sein. Als Kernbereich kann jedoch auch verstanden werden, dass in diesem Bereich die Dichte der Einzelzellen 2 besonders groß ist und / oder dass in diesem Kernbereich die thermische Beanspruchung in der Vorrichtung 1 besonders hoch oder höher ist als gegenüber einem Bereich in der Vorrichtung 1, welcher thermisch weniger beansprucht wird. In solch einem Fall muss der Kernbereich nicht zwangsläufig mittig in der Vorrichtung 1 liegen. Die Definition der Begriffe von Kernbereich und Randbereich in diesem Kontext muss also nicht auf einen bestimmten lokalen Bereich innerhalb der Vorrichtung begrenzt sein.
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Durch eine größere Packungsdichte der einzelnen Wärmerohre 5 können Wärmestaus innerhalb der Vorrichtung 1 reduziert werden und mehr Wärme von den Einzelzellen 2 schneller abtransportiert werden. Die Packungsdichte kann jedoch auch durch einen Abstand zwischen benachbarten Wärmerohren 5 und / oder durch den Durchmesser der einzelnen Wärmerohre 5 bestimmt sein. Die einzelnen Wärmerohre 5 können also auch jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen, um damit den Grad der Wärmemenge zu beeinflussen, welche abtransportiert werden soll. Auch kann eine größere Packungsdichte in einem Bereich der Vorrichtung 1 durch eine größere Anzahl von Wärmerohren in diesem Bereich der Vorrichtung 1 definiert sein.
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In der Vorrichtung 1 zwischen den einzelnen Wärmerohren 5 und der zweiten Kühlplatte 4 ist in der Regel eine elektrische Isolierung vorgesehen (nicht dargestellt). Diese elektrische Isolierung kann zum Beispiel als eine dünne Kaptonfolie ausgebildet sein. Die elektrische Isolierung sollte zudem möglichst dünn sein, um den thermischen Widerstand möglichst niedrig zu halten. Die elektrische Isolierung könnte in der 1 zum Beispiel als eine Schicht auf dem Stromsammelblech 7 platziert sein.
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Das Stromsammelblech 7 hat dabei Öffnungen zum Durchstecken der Wärmerohre 5, die vom Stromsammelblech 7 isoliert sind. So kann das Umstecken von einzelnen Wärmerohren 5 an anderen Plätzen oder Positionen innerhalb der Vorrichtung 1 ohne großen Mehraufwand erfolgen, nachdem die zweite Kühlplatte 4 entfernt wurde. Wenn auch in der elektrischen Isolierung entsprechenden Bohrungen oder Öffnungen ausgebildet sind, wie das für das Stromsammelblech 7 in der 1 dargestellt ist, dann sind die Wärmerohre 5 im direkten Kontakt mit der Kühlplatte 4 und die Kühlwirkung wird durch die Wärmerohre weiter verbessert.
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Die zweite Kühlplatte 4 kann dabei auf jede beliebige und vorzugsweise lösbare Art mit der Vorrichtung 1 verbunden sein. Prinzipiell sind auch Anordnungen denkbar, bei denen zusätzliche Kühlplatten an verschiedenen Seiten der Vorrichtung 1, zum Beispiel seitlich, angebracht sind. Diese zusätzlichen Kühlplatten können dann mit der ersten Kühlplatte 3 und / oder der zweiten Kühlplatte 4 thermisch verbunden sein, um eine noch größere Fläche für den Wärmeausgleich bereitzustellen und einen größeren Kühleffekt zu erzielen.
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Mit der Möglichkeit der flexiblen und gezielten Parametrierung der Wärmerohrkonfiguration in der Vorrichtung 1 können verschiedene Kühlszenarien in unterschiedlichen temperaturkritischen Bereichen in der Vorrichtung einfach realisiert werden, um lokale Wärme-Hotspots, welche je nach Einsatzbereich der Batterie an unterschiedlichen Orten innerhalb der Batterie entstehen können, zu entschärfen.
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Die Entschärfung solcher Hot-Spots ist zum Beispiel möglich, wenn eine entsprechende Anzahl von einzelnen Wärmerohren, welche die erste Kühlplatte und die zweite Kühlplatte thermisch miteinander verbinden, gezielt in temperaturkritischen Bereichen innerhalb der Vorrichtung installiert wird. Solche Bereiche entstehen zum Beispiel aufgrund einer größeren Wärmeentwicklung von elektrischen Bauteilen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wäre es auch möglich, die Verteilung, Größe, Form und Positionierung von einzelnen Wärmerohren in unterschiedlichen Bereichen innerhalb der Batterie in Abhängigkeit der zu erwartenden Wärmeentwicklung jeweils anzupassen.
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Das Wärmerohr 5 ist dabei in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzbereich der Vorrichtung 1 in einem Betriebstemperaturbereich zwischen ungefähr 25 und 60 Grad Celsius betreibbar. Das Wärmerohr 5 ist aus einem Material gefertigt, welches Kupfer enthält. Das Wärmerohr 5 weist vorzugsweise einen Durchmesser von ungefähr 4 mm bis 6 mm auf. Die Form der einzelnen Wärmerohre 5 in der Vorrichtung 1 kann ebenfalls voneinander verschieden sein. Zum Beispiel können auch Wärmerohre 5 verwendet werden, welche nicht nur geradlinig, sondern auch L-förmig oder anderweitig ausgeprägt sind. Je nach Betriebszustand der Batterie 6 können einzelne Wärmerohre 5 sich in Form und Betriebstemperatur voneinander unterscheiden, in Abhängigkeit davon, an welchen Positionen in der Vorrichtung 1 die jeweiligen Wärmerohre 5 platziert werden. Die Batterie 6 kann vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden. Doch ist der Einsatz der Batterie 6 und der Vorrichtung 1 nicht auf diese Bereiche beschränkt. In der Batterie 6 können zudem verschiedene Typen von Einzelzellen 2 eingesetzt werden. Möglich wären zum Beispiel auch die Verwendung von Rundzellen, Pouchzellen oder prismatisch geformten Zellen.
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2 zeigt dieselbe erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wie die 1, allerdings in einem zusammengesetzten, kompakten verbauten Zustand. Die zweite Kühlplatte 4 ist dabei thermisch über eine Vielzahl von einzelnen Wärmerohren 5 mit der ersten Kühlplatte 3 thermisch verbunden. Zwischen der zweiten Kühlplatte 4 und der Einzelzellen 2 ist ein Stromsammelblech 7 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Einzelzelle
- 3
- erste Kühlplatte
- 4
- zweite Kühlplatte
- 5
- Wärmerohr
- 6
- Batterie
- 7
- Stromsammelblech
- 8
- elektrischer Anschluss
