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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug umfassend eine Hochvoltbatterie.
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Stand der Technik
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Hochvoltbatterien, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sogenannte Traktionsbatterien, können mit Strömen bis zu 1000 Ampere oder darüber beaufschlagt werden. Entsprechend hoch ist deshalb auch die thermische Belastung der Batterie und die an ihr angeschlossenen Bauteile. Ein Bestandteil einer Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug ist dabei die sogenannte elektrische Schaltbox, im Fachjargon auch „Battery Junction Box (BJB)" genannt.
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Aufgrund der hohen Ströme in der Hochvoltbatterie werden auch die elektrische Schaltbox und die darin befindlichen Bauteile thermisch belastet. Um Beschädigungen dieser Bauteile in der elektrischen Schaltbox zu vermeiden, dürfen die Temperaturen dieser Bauteile in der elektrischen Schaltbox definierte Grenzen nicht überschreiten.
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Die
DE 10 2009 035 458 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen und einer Kühlvorrichtung, die mit wenigstens einem Großteil der Batterieeinzelzellen in thermischem Kontakt steht. Die
WO 2007/124767 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Stromsensor. Die
WO 2010/031856 A2 beschreibt eine Verbindungsplatte zum Verbinden mehrerer Flachzellen einer Energiespeichereinheit (Batterieeinzelzellen) mit einem flächig ausgebildeten kupfernen Wärmeleitungsabschnitt.
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Die thermische Belastung zwischen einem Plus- und einem Minus-Strompfad innerhalb der Hochvoltbatterie ist dabei sehr unterschiedlich. In der Regel umfasst der Minus-Strompfad einer Hochvoltbatterie einen zusätzlichen Widerstand, einen sogenannten Shunt. Durch die thermische Belastung des Shunts bei hohen Strömen weist der Minus-Strompfad der Hochvoltbatterie eine höhere Temperatur auf als der Plus-Strompfad der Hochvoltbatterie. Der Plus- und der Minus-Strompfad der Hochvoltbatterie entwickeln also unterschiedliche Temperaturen. Die dadurch auftretenden hohen Temperaturen im Minus-Strompfad der Hochvoltbatterie beeinträchtigen und begrenzen jedoch deren Leistungsfähigkeit und erfordern eine entsprechende Kühlung. Doch aufgrund des Platzmangels innerhalb der Hochvoltbatterie ist eine direkte Anbindung der Hochvoltbatterie an eine aktive Kühlung oft nicht möglich.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, derart weiter zu entwickeln, dass die oben beschriebenen Nachteile reduziert werden und zugleich eine einfache und kostengünstige Möglichkeit des Schutzes der Hochvoltbatterie vor thermischer Überlastung bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Hochvoltbatterie, umfassend einen Plus-Strompfad, einen Minus-Strompfad, wobei in einem der Strompfade mindestens ein elektrischer Widerstand angeordnet ist und in der Nähe des elektrischen Widerstandes die beiden Strompfade über mindestens ein Wärmekopplungselement thermisch miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander isoliert sind. In der Nähe des elektrischen Widerstands heißt dabei in maximal einigen Zentimetern Abstand, zum Bespiel zwischen ungefähr 5 cm und 60 cm, angeordnet.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung eines Wärmekopplungselements, das beide Strompfade, also den Plus-Strompfad und den Minus-Strompfad, thermisch miteinander verbindet, ein Ausgleichsvorgang, ein sogenannter Wärmetransport, von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem Bereich mit niedriger Temperatur erfolgt. Aufgrund dieses thermischen Ausgleichsvorganges stellt sich eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Hochvoltbatterie ein.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch diesen thermischen Ausgleichsvorgang eine lokale Dimensionierung vom Plus-Strompfad und/oder Minus-Strompfad in der Hochvoltbatterie vermieden wird. Der Plus-Strompfad und der Minus-Strompfad der Hochvoltbatterie sind dabei in der Regel als sogenannte Stromschienen ausgebildet. Die Stromschienenquerschnitte der Strompfade können also derart dimensioniert werden, dass beispielsweise kostengünstigere Gleichteile für diese Stromschienen verwendet werden können. Eine Überdimensionierung von Bauteilen in der Hochvoltbatterie ist deshalb nicht nötig. Dadurch kann wertvoller Bauraum in der Hochvoltbatterie eingespart werden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der schnelleren Entschärfung von lokalen Temperaturhotspots in der Hochvoltbatterie. Eine zusätzliche Belastung der in der Hochvoltbatterie vorhandenen elektrischen Bauteile durch Wärmeentwicklung und Wärmestau in bestimmten Bereichen innerhalb der Hochvoltbatterie wird dadurch vermieden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der elektrische Widerstand ein Shunt-Widerstand. Die Verwendung eines Shunt-Widerstands ermöglicht die Messung eines Stromes im Strompfad.
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Erfindungsgemäß weist das Wärmekopplungselement mindestens ein Wärmerohr auf. Die Verwendung eines Wärmerohrs, im Fachjargon auch Heatpipe genannt, hat den Vorteil, dass das Wärmerohr einen äußerst geringen effektiven thermischen Widerstand besitzt. Dadurch können auch weite Distanzen, beispielsweise von der Hochvoltbatterie zu einer entfernt liegenden Kühleinheit, überbrückt werden.
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Die Verwendung eines Wärmerohrs hat weiterhin den Vorteil, dass eine Kühlung innerhalb der Hochvoltbatterie stattfinden kann, auch wenn keine direkte Anbindung der Batterie an eine aktive Kühlung aufgrund eines Platzmangels möglich ist. Ebenso lässt sich das Wärmerohr in gewissen Grenzen auch gegen die Schwerkraft betreiben, so dass Bereiche mit elektrischen Bauteilen in der Hochvoltbatterie, welche in einer höheren Ebene angeordnet sind, als darunterliegende Bauteile durch den thermischen Ausgleichsvorgang kühlbar sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Strompfade jeweils Stromschienen auf, die aus Kupfer sind. Die Verwendung von Kupfer hat den Vorteil, dass dieses Material einen hohen elektrischen Leitwert aufweist, um Strom gut zu leiten und um die Wärmeentwicklung innerhalb der Hochvoltbatterie zu reduzieren. Ein geringerer elektrischer Widerstand, der durch das Kupfer gegeben ist, ist für die Temperaturentwicklung innerhalb der Hochvoltbatterie von großer Bedeutung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Wärmekopplungselement ein erstes Wärmeableitelement und ein zweites Wärmeableitelement auf, wobei die Wärmeableitelemente mit einem der beiden Strompfade verbunden sind. Die Wärmeableitelemente ermöglichen eine schnellere Ableitung der Wärme von dem Wärmekopplungselement auf den Strompfad (Stromschienen), da die Wärmeableitelemente jeweils eine größere Anbindungsfläche für das Wärmekoppelelement bereitstellen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wärmeableitelemente aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere Aluminium oder Kupfer. Dies hat den Vorteil einer besseren und schnelleren Wärmeableitung von dem Wärmekopplungselement zum jeweiligen Strompfad.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umschließen die Wärmeableitelemente jeweils das Wärmekopplungselement. Dadurch ist ein besserer Übergang der Wärme von dem Wärmekopplungselement auf das Wärmeableitelement gewährleistet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wärmeableitelemente jeweils über eine elektrisch isolierende Auflagefläche mit einem der Strompfade verbunden. Die Auflagefläche kann dabei Bestandteil eines Strompfades sein, wobei der Strompfad isolierende Abschnitte aufweist auf denen das Wärmekopplungselement aufliegt. Alternativ kann die Auflagefläche auch Bestandteil des Wärmekopplungselements selbst sein. Da die übrigen geometrischen Bestandteile des Wärmeableitelements aus einem wärmeleitenden Material bestehen, kann auf diese Weise möglichst viel Wärme von dem Wärmekopplungselement auf das Wärmeableitelement übertragen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Auflagefläche Bestandteil des Wärmeableitelements. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Austausch des Wärmeableitelements auch das Material der Auflagefläche je nach Anwendung ausgewechselt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Auflagefläche eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen einer Oberfläche eines einzelnen Strompfades entspricht. Wegen des vergleichsweise hohen thermischen Widerstandes der elektrischen Isolationsschicht der Auflagefläche des Wärmekopplungselements wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung, die gesamte Oberfläche genutzt, um eine große Wärmeableitung von dem Wärmekopplungselement auf den Strompfad zu ermöglichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Hochvoltbatterie ein zweites Wärmekopplungselement auf, das einen der Strompfade mit einer Kühlvorrichtung verbindet. Das zweite Wärmekopplungselement kann dabei die Wärme, die in der Hochvoltbatterie entsteht, zu einer Kühleinheit abführen, die an einem ortsfernen Ort installiert ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, da Wärmerohre einen äußerst geringen thermischen Widerstand aufweisen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Strompfade auf voneinander unterschiedlichen vertikalen Ebenen angeordnet. Durch die Verwendung von Wärmerohren, die auch zu einem bestimmten Grad gegen die Schwerkraft betreibbar sind, lassen sich also Bauteile auf einer höher liegenden Ebene an eine darunter liegende Kühlung durch das Wärmerohr anschließen. Zugleich lässt sich mit Ebenen unterschiedlicher Höhe, zum Beispiel durch die Stapelung von Strompfaden, Raum innerhalb der Hochvoltbatterie effizienter nutzen. Auf diese Weise lässt sich eine Ausführungsform realisieren, bei der ein wärmerer Strompfad unterhalb eines kühleren Strompfades angeordnet ist, wobei die beiden Strompfade über ein Wärmekopplungselement thermisch miteinander verbunden sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug einbaubar.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das anhand von Zeichnungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Abbildung der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie mit Strompfaden und einem Wärmekopplungselement, das beide Strompfade thermisch miteinander verbindet;
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2 einen Ausschnitt einer schematischen Abbildung der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie in Seitenansicht mit einem Wärmekopplungselement und einer isolierenden Auflagefläche, die auf einem Strompfad installiert ist.
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1 zeigt eine Hochvoltbatterie 1 mit einem Plus-Strompfad 2, einem Minus-Strompfad 3, wobei ein elektrischer Widerstand 4, auch als Shunt bezeichnet, in der gezeigten Ausführungsform im Minus-Strompfad 3 angeordnet. Der Shunt 4 könnte jedoch ebenso im Plus-Strompfad 2 angeordnet sein und dient als Messwiderstand für eine Auswerteschaltung, die den Stromfluss misst.
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In der Nähe des elektrischen Widerstandes 4, der einen thermischen Hotspot bildet, sind die beiden Strompfade 2, 3 über ein Wärmekopplungselement 5 thermisch miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander isoliert. Der Ausdruck "in der Nähe des elektrischen Widerstands" bezeichnet dabei einen Abstand von maximal einigen Zentimetern. Dieser kann zum Beispiel ungefähr zwischen 5 cm und 60 cm liegen. Der Ausdruck "in der Nähe des elektrischen Widerstands" wird auch definiert durch die Position eines Temperaturhotspots, an dem sich Wärme entwickelt aufgrund von Verlustleistung, die zum Beispiel durch ein elektrisches Bauelement erzeugt wird, das diesen Temperaturhotspot erzeugt. Dieser Ausdruck ist also immer auch in Bezug auf einen Temperaturhotspot in der Hochvoltbatterie zu betrachten, der entschärft werden soll.
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In der Ausführungsform der 1 umfasst die Hochvoltbatterie 1 weiterhin elektrische Bauelemente. Diese elektrischen Bauelemente sind in der 1 als Schütze 10 ausgebildet, die jeweils in einem der Strompfade 2, 3 angeordnet sind. Die Schütze 10 tragen ebenfalls dazu bei, dass sich bei einer hohen Stromlast innerhalb der Hochvoltbatterie 1 die Temperaturen erhöhen.
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Zur vereinfachten Darstellung sind weitere in einer elektrischen Hochvoltbatterie 1 vorhandene elektrische Bauteile nicht dargestellt.
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Das Wärmekopplungselement 5 ist in der 1 als ein Wärmerohr ausgebildet. Durch die Verwendung eines Wärmekopplungselements 5, das beide Strompfade 2, 3 miteinander verbindet, kann ein Wärmeausgleichsvorgang innerhalb der Hochvoltbatterie 1 stattfinden. Dieser thermische Ausgleichsvorgang findet statt, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Plus-Strompfad 2 und dem Minus-Strompfad 3 vorhanden ist. Durch den thermischen Ausgleichsvorgang über das Wärmerohr 5 gleichen sich die Temperaturen der beiden Bereiche einander an. Dies führt zu einer homogenen Temperaturverteilung und thermischen Entlastung für die Bauteile innerhalb der Hochvoltbatterie 1.
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Da der Shunt 4 in der gezeigten Ausführungsform der 1 im Minus-Strompfad 3 angeordnet ist, erfolgt ein Wärmeübergang von dem Minus-Strompfad 3 zum Plus-Strompfad 2.
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Aufgrund dieser homogenen Temperaturverteilung können Spitzentemperaturen, sogenannte Temperatur-Hotspot entschärft werden, ohne dafür zum Beispiel lokal höhere Querschnitte für Stromschienen in den einzelnen Strompfaden vorzusehen oder die elektrischen Bauteile überdimensionieren zu müssen. Die Stromschienen sind dabei jeweils im Plus-Strompfad 2 und im Minus-Strompfad 3 angeordnet und haben gleiche Querschnitte. Auf diese Weise wird die Stromtragfähigkeit der Hochvoltbatterie maximiert und zugleich lassen sich die Kosten für die Stromschienen reduzieren, da für beide Strompfade 2, 3 nunmehr gleiche Teile verwendet werden können.
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Die Verwendung eines Wärmerohres 5 hat weitere Vorteile. Mit dem Wärmerohr 5 können weite Distanzen überbrückt werden, um die Wärme aus der Hochvoltbatterie 1 zu einem entfernteren Ort abzuleiten. An diesem Ort kann beispielsweise eine entsprechende Kühleinheit installiert sein, die die Wärme aus der Hochvoltbatterie 1 aufnimmt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Wärmerohr 5 in gewissen Grenzen gegen die Schwerkraft betreibbar ist. Dadurch lassen sich zu kühlende Bauteile, die in einer höheren horizontalen Ebene angeordnet sind als eine unmittelbar darunter liegende Kühlung, aufgrund des thermischen Ausgleichsvorgangs ebenso kühlen. Das heißt, dass ein Fluid, das im Wärmerohr zirkuliert, durch das zu kühlende Bauteil in einer höher liegenden horizontalen Ebene verdampft. Der Dampf wandert dann in die darunter liegende horizontale Ebene des zu kühlenden Bauteils und kühlt dabei ab und nimmt wieder einen flüssigen Aggregatzustand an. Durch die Beschaffenheit des Wärmrohrs wieder das flüssige Fluid dann wieder in die darüber liegende höhere horizontale Ebene mit dem zu kühlenden Bauteil transportiert. Zum Beispiel könnte auf diese Weise der wärmere Strompfad unterhalb des kühleren Strompfads angeordnet sein.
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In der 1 ist das Wärmekopplungselement 5 an seinen Enden jeweils von einem Wärmeableitelement 7, 8 umschlossen. Dadurch wird ein besserer Übergang der Wärme von dem Wärmekopplungselement 5 auf das Wärmeableitelement 7, 8 erreicht.
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Die beiden Wärmeableitelemente 7, 8 sind jeweils mit einem der beiden Strompfade 2, 3 verbunden. Dadurch wird die Wärme von dem Wärmerohr 5 über das Wärmeableitelement 7, 8 auf den jeweiligen Strompfad 2, 3 übertragen.
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Auf diese Weise wird eine schnellere Ableitung der Wärme von dem Wärmekopplungselement 5 auf den jeweiligen Strompfad, der in der Regel als Stromschiene 21 ausgebildet ist, erreicht. Die Wärmeableitelemente 7, 8 bestehen im Wesentlichen aus einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, um eine möglichst schnelle Wärmeableitung von dem Wärmekopplungselement 5 zu dem jeweiligen Strompfad 2, 3 zu erzielen.
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Wie in der 2 exemplarisch gezeigt, ist jedes der Wärmeableitelemente 7, 8 über jeweils eine elektrische isolierende Auflagefläche 12, 13, zum Beispiel aus Kunststoff, mit einem der Strompfade 2, 3 verbunden. In der praxisorientierten Anwendung kann eine derartige isolierende Auflagefläche 12, 13, im Fachjargon auch "Gap-Pad" oder "Gap-Filler" genannt, derartig ausgebildet sein, dass diese eine elektrische Isolation bei gleichzeitig noch akzeptabler Wärmeleitfähigkeit bereitstellt. Die elektrisch isolierende Auflagefläche 12, 13 kann also ausgebildet sein, eine elektrische Isolation und eine thermische Anbindung an ein elektrisches Bauteil wie zum Beispiel eine Stromschiene zugleich bereitzustellen. Zum Beispiel bieten die Oberflächen der Stromschienen eine relativ große Fläche, um einen geringen thermischen Widerstand zu realisieren.
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Die isolierende Auflagefläche 12, 13 kann dabei zum Beispiel über eine Klebeschicht verfügen, um das auf ihm liegende Wärmekoppelelement 7, 8 entsprechend zu fixieren. Eine andere Möglichkeit, das Wärmekopplungselement 5, 6 mit der isolierenden Auflagefläche 12, 13 zu fixieren, besteht darin, durch entsprechende Klemmelemente die erforderliche Anpresskraft bereitzustellen (nicht dargestellt).
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Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmeableitelement 7, 8 und dem jeweiligen Strompfad 2, 3 zu erzielen, ist eine große Auflagefläche 12, 13 gewählt, da bedingt durch die elektrisch isolierende Auflagefläche 12, 13 auch ein höherer thermischer Widerstand verursacht wird.
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Die Auflagefläche 12, 13 kann einerseits integraler Bestandteil des Strompfades 2, 3 sein. Dies bedeutet, dass die Auflagefläche direkt in den Strompfad integriert ist, dass also der Strompfad 2, 3 isolierende Abschnitte aufweist auf denen das jeweilige Wärmekopplungselement 5 aufliegt. Alternativ wäre jedoch auch möglich, dass die Auflagefläche 12, 13 direkter Bestandteil des Wärmeableitelements 7, 8 ist.
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Insbesondere entspricht eine Oberfläche 14 der Auflagefläche 12, 13 im Wesentlichen einer Oberfläche 15 des jeweiligen Strompfades 2, 3.
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In der 1 umfasst die Hochvoltbatterie 1 ein zweites Wärmekopplungselement 6, das den Strompfad 3 mit einer Kühlvorrichtung 20 verbindet. Die Kühlvorrichtung 20 nimmt die Wärme der Hochvoltbatterie 1 auf. Vorzugsweise kann sich ein Ende des zweiten Wärmekopplungselementes 6 auf einem der beiden Strompfade 2, 3 befinden, an dem eine höhere Temperatur herrscht als an dem anderen Strompfad. Auf diese Weise kann die Wärme von einem thermisch hochbelasteten Strompfad schneller abtransportiert werden und ein Temperaturhotspot schneller entschärft werden.
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Die beiden Strompfade 2, 3 können auf voneinander unterschiedlichen vertikalen Ebenen, also in unterschiedlicher Höhe zueinander, angeordnet. Dies ist vorteilhaft, wenn Platzmangel innerhalb der Hochvoltbatterie 1 die Bauelemente dicht aufeinander gedrängt sind. Durch die Verwendung eines Wärmerohres 5, welches diese unterschiedlichen vertikalen Ebenen überbrücken kann, lässt sich ein Wärmeausgleich zwischen den einzelnen Strompfaden 2, 3 trotz Höhenunterschiede der einzelnen Strompfadebenen realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltbatterie
- 2
- Plus-Strompfad
- 3
- Minus-Strompfad
- 4
- Elektrischer Widerstand (Shunt)
- 5
- Wärmekopplungselement
- 6
- Wärmekopplungselement
- 7, 8
- Wärmeableitelement
- 10
- Schütz
- 12, 13
- Auflagefläche
- 14
- Oberfläche der Auflagefläche
- 15
- Oberfläche des Stromschiene / Strompfads
- 20
- Kühlvorrichtung
- 21
- Stromschiene
