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Die Erfindung betrifft einen wärmeleitenden Halterahmen für Vorrichtungen, so dass ein Temperaturunterschied zwischen aufgenommenen Vorrichtungen minimiert wird.
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Stand der Technik
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In einem Fahrzeug mit Elektroantrieb wird bei einem hohen Leistungsverbrauch durch ohmsche Widerstände auch eine hohe Verlustleistung als Wärme frei, wobei die Wärme sich über die metallischen Leitungen verteilt. Batteriezellen können durch hohe oder niedrige Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel irreparabel geschädigt werden. Eine hohe thermische Belastung sollte in einem Batteriemodul deshalb möglichst vermieden werden. Eine Kühlung eines Batteriemoduls hat demnach große Bedeutung. Eine Wärmeableitung zur Kühlung sollte schnell erfolgen. Außerdem ist bei niedriger Temperatur eine Erwärmung des Batteriemoduls auf eine Betriebstemperatur notwendig. Die Temperatur der Batteriezellen ist demnach ein wichtiger Parameter, wobei auch eine homogene Temperaturverteilung im Batteriemodul angestrebt werden sollte.
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In der Schrift
DE 10 2007 063 194 A1 und in der Schrift
DE 10 2007 010 751 A1 werden jeweils ein Zellverbund mit elektrisch verschalteten Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte beschrieben, wobei die Einzelzellen wärmeleitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind und zumindest Hohlräume zwischen den Einzelzellen und einer Seitenwand mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Das Füllmaterial ist wärmeleitend und/oder elektrisch isolierend.
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In der Schrift
US 2010/0104938 A1 ist ein elastischer und reißfester Sammler mit Kühlkanälen beschrieben, welcher zwischen Einzelzellen in einem Batteriemodul angeordnet ist. Der Sammler verbindet die Zellen wärmeleitend und isoliert die Zellen elektrisch. Der Sammler kann an die Kontur der Einzelzellen angepasst sein und formschlüssig zwischen Einzelzellen in einem Batteriemodul verlaufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen wärmeleitenden Halterahmen für Vorrichtungen, insbesondere Batteriezellen. Der Halterahmen umfasst mindestens ein wärmeleitfähiges Material und weist mindestens eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung auf. Die Öffnungen des Halterahmens sind entsprechend einer spezifizierten Vorrichtung ausgeformt und können deshalb diese Vorrichtung form- und/oder kraftschlüssig aufnehmen, wobei die aufgenommenen Vorrichtungen durch den Halterahmen wärmeleitend kontaktiert und elektrisch isoliert sind. Temperaturunterschiede der aufgenommenen Vorrichtungen werden somit ausgeglichen und minimiert, so dass eine homogene Temperaturverteilung der im Haltrahmen aufgenommener Vorrichtungen resultiert.
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Der wärmeleitende Halterahmen kann mindestens zwei Rahmenelemente umfassen, so dass der Halterahmen aus mehreren gleichen Rahmenelementen aufgebaut sein kann. Die Rahmenelemente sind in Kontakt und aneinander fixiert, z.B. sind die Rahmenelemente aneinander gesteckt oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Der Halterahmen bzw. die Rahmenelemente können mindestens zwei unterschiedliche Materialien umfassen, wobei sich die Materialien insbesondere in der Elastizität, der Wärmeleitfähigkeit und/oder der elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden. Durch eine Ausführung mit unterschiedlichen Materialien kann die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Festigkeit des Halterahmens verbessert werden.
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In einer Ausführung der Erfindung sind im Bereich jeder Öffnung mindestens zwei Führungselemente am Haltrahmen angeordnet. Die Führungselemente sind punktuell und/oder linienförmig entlang einer Höhe des Haltrahmens ausgeprägt und zur form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme einer Vorrichtung ausgestaltet. Diese Ausführung erlaubt damit eine Steckverbindung von Vorrichtungen mit dem Halterahmen.
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Der Halterahmen kann ein Polymer oder ein Metall umfassen. Die Führungselemente sind in einer bevorzugten Ausgestaltung aus einem Polymer. Durch einen metallischen Halterahmen kann eine hohe thermische Leitfähigkeit erreicht werden, wobei Führungselemente aus einem wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Polymer den Halterahmen von den aufgenommenen Vorrichtungen elektrisch isolieren. Letzteres ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich bei den Vorrichtungen um Batteriezellen handelt.
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In einer weiteren, alternativen Ausführung kann der Halterahmen ein Polymer oder ein Metall umfassen, wobei im Inneren einer Öffnung und zumindest in einem Teilbereich der Öffnung ein elastisches und wärmeleitfähiges Innenelement aus einem Polymer angeordnet ist. Durch das Innenelement können Vorrichtungen form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen und wärmeleitend kontaktiert werden. Diese Ausführung erlaubt die Steckverbindung einer Vorrichtung mit dem Halterahmen, wobei gegenüber einer Ausgestaltung mit Führungselementen die wärmeleitende Kontaktfläche vergrößert werden und ein metallischer Halterahmen gegenüber den Vorrichtungen elektrisch isoliert werden kann.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführung des Halterahmens ist in einem ersten, abgegrenzten Bereich des Halterahmens eine elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Kontaktierung zwischen mindestens zwei aufgenommenen Vorrichtungen ausgeführt. Ein zweiter Bereich des Halterahmens ist nicht wärmeleitfähig ausgestaltet. Der zweite Bereich kann beispielsweise eine Trägerstruktur des Halterahmens realisieren. Diese Ausführung kann durch Spritzguss eines Halterahmengerüstes (zweiter Bereich) und Aufschieben oder Aufstecken von Wärmeleitelementen (erster Bereich) auf das Halterahmengerüst, d.h. ein Fügen des ersten Bereiches an den zweiten Bereich, realisiert werden und erlaubt einen geringen Einsatz an wärmeleitfähigem Material und eine höhere Festigkeit des Halterahmens, da der zweiten Bereich aus einem Material ohne Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit ausgeführt werden kann.
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Vorteilhafterweise können der Halterahmen, die Führungselemente und/oder das Innenelement eine Materialmischung umfassen, welche leitfähige Elemente enthält. Leitfähige Elemente können insbesondere Metall- oder Kohlenstoff-Partikel, ein metallisches Geflecht, ein metallisches Flies und/oder metallische Stäbe sein. Durch Zugabe solcher leitfähigen Elemente in einem Polymer kann die Wärmeleitfähigkeit eines Polymers gesteigert werden, wobei die elektrische Isolation erhalten bleibt.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Halterahmen zumindest in einem Teilbereich mit einem elektrisch isolierenden und/oder wärmeleitfähigen Material beschichtet wird. So kann eine elektrische Isolation zwischen einem metallischen Halterahmen und einer Vorrichtung erfolgen, wobei der thermische Widerstand aufgrund der geringen Materialstärke einer Beschichtung gering ist.
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Gemäß eines weiteren Aspekts kann vorgesehen sein, dass im Halterahmen Kanäle für eine wärmespeichernde Flüssigkeit und/oder mindestens einen Temperatursensor angeordnet sind, so dass mittels der Flüssigkeit und einer Pumpe Wärme vom Halterahmen abgeführt und zum Halterahmen zugeführt werden kann. Mittels des Temperatursensors kann eine aktive Kühlleistung geregelt und die Information auch an weitere Geräte weitergegebenen werden. Mit einer aktiven Kühlung des Halterahmens kann eine Kühlleistung erhöht und eine Betriebstemperatur der Vorrichtungen geregelt werden.
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Zeichnungen
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1a zeigt einen wärmeleitenden Halterahmen für zwei Vorrichtungen.
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1b zeigt den Halterahmen aus 1a in dreidimensionaler Ansicht.
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1c zeigt einen Halterahmen für drei Vorrichtungen im Querschnitt.
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2a zeigt einen Halterahmen mit Führungselementen.
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2b zeigt den Halterahmen aus 2a in dreidimensionaler Ansicht.
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2c zeigt einen weiteren Halterahmen mit Führungselementen.
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2d zeigt einen weiteren, alternativen Halterahmen mit Führungselementen.
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2e zeigt einen Halterahmen mit Innenelementen.
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2f zeigt den Halterahmen aus 2e in dreidimensionaler Ansicht.
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3 zeigt einen Halterahmen mit einem Kanal für eine Flüssigkeit.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Halterahmens.
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Ausführungsbeispiele
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In 1a ist ein Halterahmen 101 mit einer ersten Öffnung 102 und einer zweiten Öffnung 103 zur Aufnahme von zwei Vorrichtungen dargestellt. Der Halterahmen 101 umfasst mindestens ein wärmeleitendes Material. Aufgenommene Vorrichtungen sind durch den Haltrahmen 101 wärmeleitend kontaktiert, so dass Temperaturunterschiede zwischen aufgenommenen Vorrichtungen ausgeglichen und minimiert werden.
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In 1b ist der wärmeleitende Halterahmen 101 aus 1a dreidimensional mit einer in der ersten Öffnung 102 aufgenommenen ersten Vorrichtung 104 und mit einer in der zweiten Öffnung 103 aufgenommenen zweiten Vorrichtung 105 dargestellt. Der Halterahmen weist eine Höhe 106 auf, so dass die Vorrichtungen 104 und 105 von den Öffnungen 102 und 103 zumindest in einem Teilbereich umschlossen sind.
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1c zeigt einen Halterahmen 101 mit einer ersten Öffnung 102, einer zweiten Öffnung 103 und einer dritten Öffnung 107, wobei in die Öffnungen 102, 103 und 107 jeweils eine Vorrichtung aufgenommen wird. Der Halterahmen 101 umfasst mindestens ein wärmeleitendes Material. Der Halterahmen 101 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Aneinanderreihung ringförmiger Rahmenelemente 108 für die Öffnungen 102, 103 und 107 ausgeführt. Die ringförmigen Rahmenelemente 108 des Halterahmens 101 sind strukturell verbunden und wärmeleitend in Kontakt, so dass der Halterahmen 101 eine handhabbare Einheit bildet und Temperaturunterschiede zwischen den aufgenommenen Vorrichtungen ausgeglichen und minimiert werden können. In einer alternativen Ausführungsform können die Öffnungen 102, 103 und 107 zur Aufnahme von Vorrichtungen auch beispielsweise rechteckig sein, so dass die Rahmenelemente 108 in einer solchen Ausführungsform rechteckig ausgestaltet sind.
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2a zeigt einen Halterahmen 101 mit einer ersten Öffnung 102 und einer zweiten Öffnung 103 mit Führungselementen 201 zur Aufnahme von zwei Vorrichtungen. Dieses Ausführungsbeispiel reduziert gegenüber dem Beispiel aus 1a beim Einführen von Vorrichtungen in eine Öffnung 102 und 103 die Reibungskräfte aufgrund kleinerer Kontaktflächen zwischen einer Vorrichtung und dem Halterahmen 101, wobei eine kraftschlüssiger Steckverbindung und eine wärmeleitende Kontaktierung durch die wärmeleitenden Führungselementen 201 realisiert wird.
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In 2b ist der wärmeleitende Halterahmen 101 aus 2a dreidimensional mit einer in der ersten Öffnung 102 aufgenommenen ersten Vorrichtung 104 und mit einer in der zweiten Öffnung 103 aufgenommenen zweiten Vorrichtung 105 dargestellt, wobei in jeder Öffnung 102 und 103 drei Führungselemente 201 ausgeprägt sind. Der Halterahmen 101 weist eine Höhe 106 auf, so dass die Vorrichtungen 104 und 105 in den Öffnungen 102 und 103 zumindest in einem Teilbereich von dem Halterahmen 101 umschlossen sind. Die Führungselemente 201 sind linienförmig entlang der Höhe 106 des Haltrahmens 101 ausgeprägt, so dass die Vorrichtungen 104 und 105 von den Öffnungen 102 und 103 form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen sind.
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2c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Ein Halterahmen 101 ist ähnlich zum Halterahmen 101 aus 1c ausgeführt. An den ringförmigen Rahmenelementen 108 des Halterahmens 101 sind in 2c Führungselemente 201 im Inneren der Öffnungen 102, 103 und 107 zur form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme von Vorrichtungen 104, 105 und 109 angeordnet. Die ringförmigen Rahmenelemente 108 des Halterahmens 101 sind in diesem Ausführungsbeispiel metallisch. Die Führungselemente 201 sind aus einem elastischen und wärmeleitfähigen Material, welches elektrisch isolierend ist. Damit kontaktiert der Halterahmen 101 durch die Führungselemente 201 und ringförmigen Rahmenelemente 108 die Vorrichtungen 104, 105 und 109 wärmeleitfähig, wobei die Führungselemente 201 die Vorrichtungen 104, 105 und 109 und den Halterahmen 101 elektrisch voneinander isolieren. Die Führungselemente 201 können punktuell oder linienförmig entlang der Höhe 106 des Haltrahmens 101 ausgeprägt sein, so dass die Vorrichtungen 104, 105 und 109 von den Öffnungen 102 und 103 form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen sind. Dies erlaubt gegenüber der Ausführung aus 1c eine einfachere form- und/oder kraftschlüssige Steckverbindung einer Vorrichtung 103, 104 und 109 in eine Öffnung 102, 103 und 107 durch Reduktion der Reibungskräfte.
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In einer alternativen Ausführungsform können die ringförmigen Rahmenelemente 108 des Halterahmens 101 in 2c statt eines Metalls bzw. einer Metalllegierung ein wärmeleitfähiges Polymer umfassen. Die Wärmeleitfähigkeit des Polymers für den Halterahmen kann mittels der Zugabe von Metallpartikeln verbessert werden, wobei die Metallpartikel sich nicht untereinander berühren, so dass keine elektrische Leitfähigkeit resultiert.
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2d zeigt einen weiteren, alternativen Halterahmen 101 mit Führungselementen 201 ähnlich zu 2c, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Führungselemente 201 in einem Teilbereich halbrund ausgeführt sind. Somit kann gegenüber der Ausführung aus 2c die Kontaktfläche zur Wärmeleitung vergrößert werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 2e dargestellt. In den Öffnungen 102, 103 und 107 der ringförmigen Rahmenelemente 108 des Halterahmens 101 sind Innenelemente 202 angeordnet. Die Rahmenelemente 108 sind miteinander strukturell und wärmeleitend verbunden. Die Innenelemente belegen in diesem Fall die gesamte Innenfläche der Öffnungen 102, 103 und 107. Die Innenelemente 202 sind beispielsweise elastisch, so dass eine Vorrichtung form- und/oder kraftschlüssig in eine Öffnung 102, 103 und 107 aufgenommen werden kann. Das Innenelement 202 kann ein Polymer sein. Durch diese Ausführungsform resultiert eine größere Kontaktfläche zwischen aufgenommenen Vorrichtungen und dem Halterahmen 101 als bei den Ausführungsbeispielen aus 2c und 2d, d.h. die Wärmleitung zwischen Vorrichtungen im Halterahmen 101 wird aufgrund einer erhöhten Querschnitts der Kontaktfläche erhöht. In 2f ist ein ringförmiges Rahmenelement 108 des Halterahmens 101 aus 2e mit einer aufgenommenen Vorrichtung 104, in diesem Fall eine Batterie, in dreidimensionaler Ansicht dargestellt.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Halterahmen 101 mit ringförmigen Rahmenelemente 108 ähnlich zu 2e, wobei ein Kanal 301 im Halterahmen 101 zwischen den ringförmigen Rahmenelementen 108 entlang der Höhe 106 des Halterahmens 101 angeordnet ist. Der Kanal 301 erlaubt eine zusätzliche, aktive Kühlung des Halterahmens 101 mit einer Flüssigkeit. Alternativ kann insbesondere für einen Halterahmen, welcher ringförmige Rahmenelemente 108 aus einem Polymer umfasst, ein Metallstab anstellte des Kanals 301 angeordnet sein, wodurch sich die Wärmeleitfähigkeit des Halterahmens 101 in Richtung der Stabausdehnung verbessert.
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Der Halterahmen 101, die Führungselemente 201 und/oder das Innenelement 202 können ein gefülltes Polymer umfassen, wobei das Polymer insbesondere leitfähige Elemente umfasst, wie insbesondere Metall- oder Kohlenstoff-Partikel, ein metallisches Geflecht, ein metallisches Flies und/oder einen metallischen Stab. Die Metall- oder Kohlenstoff-Partikel können Pulver, insbesondere feinkörnige Pulver wie Puder oder Stäube, umfassen.
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4 zeigt einen Halterahmen mit einem ersten Bereich 401 des Halterahmens 101 und einem zweiten Bereich 402 des Halterahmens 101, wobei der erste Bereich 401 eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und elektrisch isolierend ist. Der zweiten Bereich 402 kann nicht wärmefähig ausgeführt sein. Der zweite Bereich bildet in diesem Ausführungsbeispiel eine Trägerstuktur aus einem nicht leitfähigen Polymer. Der Bereich 402, d.h. die Trägerstruktur, wird beispielsweise im Herstellungsprozess mit dem Bereich 401 umspritzt.
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Alternativ werden auf den den Bereich 402, d.h. die Trägerstruktur, wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Komponenten aus einem mit metallischen Partikel gefüllten Polymer aufgesteckt, welche den ersten Bereich 401 darstellen. Dieser Aufbau erlaubt eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen benachbarten Vorrichtungen und eine Kostenreduktion, weil nicht der gesamte Halterahmen 101 sondern nur ein Teil des Halterahmens wärmeleitend ausgeführt ist.
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Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele eignen sich insbesondere zur Aufnahme von Batteriezellen in einem Batteriemodul. Die durch ohmsche Verluste auftretende Wärme kann mittels eines erfindungsgemäßen Halterahmens gleichmäßig in einem Batteriemodul verteilt werden. Dies resultiert in einer gleichmäßigen thermischen Belastung für die Batteriezellen eines Batteriemodules und einer schnelleren Zu- und/oder Abführung von Wärme in dem Batteriemodul.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063194 A1 [0003]
- DE 102007010751 A1 [0003]
- US 2010/0104938 A1 [0004]
