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Die Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zum Temperieren einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei die Temperieranordnung die Batterie und eine Kühleinrichtung aufweist, und wobei die Batteriezellen über zumindest einen thermischen Pfad mit der Kühleinrichtung gekoppelt sind, so dass Wärme von den Batteriezellen über den zumindest einen thermischen Pfad zur Kühleinrichtung abführbar ist. Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Temperieranordnung.
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Die Erfindung ist auf dem Gebiet von Temperieranordnungen für Batterien, insbesondere für HV(Hochvolt)-Batterien für Kraftfahrzeuge, angesiedelt. HV-Batterien werden punktuell für konkrete dynamische Fahrprofile, insbesondere für Hochlast, bei der Serienentwicklung ausgelegt. Das Kühlsystem wird üblicherweise am Zellmodul nur auf einer Seite, zumeist an der Bodenfläche, entwickelt bzw. angeordnet. Eine nachträgliche Erweiterung für eine Sport- oder gar Rennsportmotorisierung ist nur begrenzt unter Ausnutzung der Wärmekapazität der HV-Batterie bei maximal möglicher Kühlleistung über das bestehende Kühlsystem und deren Anbindung an das Zellmodul möglich. Fahrprofile mit sehr sportlicher Ausrichtung für die jeweiligen Fahrzeugauslegungen, zum Beispiel für Rennstreckenanwendungen, sind nur sehr eingeschränkt möglich, was bei Erreichen des Grenzwerts der Wärmeabführung zu einer Lastreduzierung bei gleichzeitiger Performancereduzierung führt.
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Um die tatsächlich maximale Leistung einer HV-Batterie vollständig nutzen zu können, wäre es wünschenswert, die Wärmeabfuhr von den Batteriezellen zu verbessern.
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Die
DE 10 2008 054 958 A1 beschreibt ein Temperiersystem zum Temperieren mindestens eines elektrischen Speichers, insbesondere einer Batterie mit mehreren Batteriezellen. Diese Batteriezellen sind in einem Zellpack angeordnet, wobei an der Unterseite dieser Anordnung eine plattenförmige Wärmekontakteinrichtung angeordnet ist. Weitere Platten befinden sich auch zwischen den jeweiligen Batteriezellen und sind im Kontakt mit der bodenseitig angeordneten Platte. Die Wärme von der bodenseitigen Platte kann dabei über eine Heatpipe an eine Wärmesenke abgeführt werden. In einem anderen Bereich dieser bodenseitigen Wärmekontakteinrichtung kann ein Kühlkörper mit Kühlrippen oder ein Peltier-Element angeordnet sein.
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Auch hierdurch wird lediglich eine bodenseitige Abführung der Wärme ermöglicht. Zudem bedeuten die zwischen den Batteriezellen angeordneten Platten eine Erhöhung von Gewicht und erforderlichem Bauraum.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperieranordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche eine möglichst gute und auch möglichst flexible Temperierung, insbesondere Kühlung, einer Batterie ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Temperieranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Temperieranordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Temperieranordnung zum Temperieren einer Batterie mit mehreren Batteriezellen weist die Batterie und eine Kühleinrichtung auf, wobei die Batteriezellen über zumindest einen thermischen Pfad mit der Kühleinrichtung gekoppelt sind, so dass Wärme von den Batteriezellen über den zumindest einen thermischen Pfad zur Kühleinrichtung abführbar ist. Dabei ist der zumindest eine thermische Pfad durch eine Wärmeleitanordnung bereitgestellt, die ein thermo-elektrisches Modul und mindestens ein Wärmeleitelement umfasst. Dabei ist das Wärmeleitelement mit einem ersten Ende am thermo-elektrischen Modul angeordnet und vom ersten Ende zu einem zweiten Ende des Wärmeleitelements zumindest zum Teil gekrümmt ausgebildet, so dass das Wärmeleitelement in einer Richtung von der Kühleinrichtung zu den Batteriezellen in seiner Erstreckung variabel ausgebildet ist. Darüber hinaus weist das thermo-elektrische Modul eine zumindest einer der Batteriezellen zugewandte erste Seite und eine der zumindest einen der Batteriezellen abgewandte zweite Seite auf, wobei das thermo-elektrische Modul in einem kühlenden Zustand dazu ausgebildet ist, bei einer Gleichstrombeaufschlagung mit einer vorbestimmten ersten Stromrichtung die erste Seite zu kühlen und die zweite Seite zu wärmen.
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Durch diese Ausbildung der Wärmeleitanordnung lassen sich gleich mehrere Vorteile erzielen. Zum einen kann eine deutlich bessere Wärmeabfuhr dadurch bereitgestellt werden, dass das Wärmeleitelement zusätzlich mit einem thermo-elektrischen Modul gekoppelt ist, um den thermischen Pfad zur Kühleinrichtung bereitzustellen. Im Gegensatz zur alleinigen Verwendung nur einer einzelnen Heatpipe, kann durch das thermo-elektrische Modul zusätzlich eine Wärmepumpe bereitgestellt werden, die für eine deutlich bessere Wärmeabfuhr von der einen oder den mehreren Batteriezellen über das Wärmeleitelement zur Kühleinrichtung sorgt. Zusätzlich ist die Wärmeabfuhr auch dadurch deutlich effektiver, dass somit auch das thermo-elektrische Modul an die Kühleinrichtung gekoppelt ist und dadurch nicht selbst als Wärmesenke fungieren muss, wodurch die Kühlleistung insgesamt deutlich erhöht werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei vor allem, dass das Wärmeleitelement zumindest zum Teil gekrümmt ausgebildet ist, so dass dieses in eine Richtung von der Kühleinrichtung zu den Batteriezellen in seiner Erstreckung variabel ausgebildet ist. Hierdurch lassen sich vorteilhafterweise Toleranzen zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung ausgleichen. Durch die zum Teil gekrümmte Ausbildung des Wärmeleitelements übernimmt dieses also zusätzlich eine federnde oder elastische Funktion und kann sich so an Abstände zwischen der Kühleinrichtung und den Batteriezellen deutlich besser anpassen. Gerade hierdurch ist für die Temperieranordnung ein besonders hohes Maß an Flexibilität bereitgestellt, denn so kann die Wärmeleitanordnung besonders flexibel an beliebiger Stelle zwischen den Batteriezellen und der Kühleinrichtung angeordnet werden. Hierdurch ist es zudem auch möglich, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, dass die Wärmeleitanordnung auch mit den Polen der jeweiligen Batteriezellen gekoppelt werden kann. Einen oder mehrere thermische Pfade direkt an die Pole von Batteriezellen anzukoppeln ist dabei besonders vorteilhaft, da sich hierdurch Wärme von den Batteriezellen am effektivsten abführen lässt. Hierdurch lässt sich die Wärmeleitanordnung auch besonders gut mit herkömmlichen und zum Beispiel bodenseitig, d.h. auf der den Polen der Batteriezellen abgewandten Seite, angeordneten Kühlsystemen kombinieren, und so mittels der zur Kühleinrichtung führenden Wärmeleitanordnung an anderer Stelle der Batteriezellen als zusätzliche Kühlung verwenden. Zudem ist dadurch, dass das thermo-elektrische Modul durch Gleichstrombeaufschlagung die Wärme abführende Wirkung ausführt, auch eine besonders gute Situationsanpassung bereitgestellt, die es ermöglicht, die Wärmeleitanordnung gezielt bei Bedarf einzusetzen. Hierdurch eignet sich die Temperieranordnung vor allem besonders gut für dynamische Fahrprofile mit einer hohen Lastanforderung, zum Beispiel für Sportwagen und Rennstreckenanwendungen und die durch eine Batterie, insbesondere eine HV-Batterie, bereitstellbare Leistung ist durch die bessere Kühlung vollständig nutzbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeleitelement als ein Metallstreifen oder als Wärmerohr, insbesondere als Heatpipe, ausgebildet. Sowohl bei der Ausbildung als Metallstreifen sowie auch bei der Ausbildung als Wärmerohr kann das Wärmeleitelement relativ dünn ausgebildet werden, sodass dieses auf einfache Weise mit der gewünschten Krümmung versehen werden kann und damit genug Flexibilität bietet, um die elastische bzw. federnde Wirkung in Richtung von der Kühleinrichtung zu den Batteriezellen bereitzustellen. Das Wärmeleitelement kann zum Beispiel U-förmig bzw. Hufeisen-förmig ausgebildet sein oder beispielsweise auch S-förmig mit zumindest am ersten und zweiten Ende vorgesehenen abgeflachten Kontaktstellen zur besseren thermischen Anbindung. Zudem kann das Wärmeleitelement jedes beliebige Metall oder Legierung umfassen, wie beispielsweise Kupfer, das sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet.
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Die Kühleinrichtung kann beliebig ausgestaltet sein, zum Beispiel im einfachsten Fall lediglich als Metallplatte oder Deckel, optional mit Kühlrippen oder auch als ein mit einem Kühlmedium durchströmbares Element. Die Kühleinrichtung kann insbesondere auch als metallisches Gehäuseteil der Batterie selbst bereitgestellt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das thermo-elektrische Modul als Peltier-Element ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Ausgestaltung des thermo-elektrischen Moduls. Ein Peltier-Element weist zwei oder mehrere kleine Quader auf, je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und können vorteilhafterweise durch eine beidseitig auffliegende Keramikschicht oder Keramikplatte nach außen elektrisch isoliert ausgeführt werden, was gerade für HV-Anwendungen wie in diesem Fall besonders vorteilhaft ist. Denn dies ermöglicht es gerade, die Wärmeleitanordnung zum Beispiel auch mit den Polen der Batteriezellen zu koppeln und an die Kühleinrichtung anzubinden, da durch eine solche Ausbildung des thermo-elektrischen Moduls gleichzeitig auch für die dafür erforderliche elektrische Isolierung gesorgt ist. Zudem kann je nach Stromfluss durch das Peltier-Element Wärme der einen Seite des thermo-elektrischen Moduls entzogen und der anderen Seite zugeführt werden oder umgekehrt. Unbestromt lässt sich durch ein solches Peltier-Element sogar eine thermisch isolierende Wirkung bereitstellen, zum Beispiel damit im Winter bzw. bei niedrigen Außentemperaturen keine ungewollten Wärmeverluste über die thermische Anbindung an die Kühleinrichtung entstehen. Hierdurch ist ein besonders hohes Maß in Bezug auf eine Situationsanpassung gegeben.
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Daher ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das thermo-elektrische Modul vom kühlenden Zustand in zumindest einen weiteren Zustand schaltbar ist, welcher einen thermisch isolierenden Zustand darstellt, in welchem keine Strombeaufschlagung des thermo-elektrischen Moduls erfolgt, oder welcher einen heizenden Zustand darstellt, in welchem eine Gleichstrombeaufschlagung mit einer der ersten entgegengesetzten zweiten Stromrichtung erfolgt, wobei das thermo-elektrische Modul dazu ausgelegt ist, bei Gleichstrombeaufschlagung mit der zweiten Stromrichtung die erste Seite zu wärmen und die zweite Seite zu kühlen.
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So lässt sich die Temperieranordnung vorteilhafterweise nicht nur zum Kühlen der Batteriezellen verwenden, sondern je nach Situation auch beispielsweise zum Beheizen der Batteriezellen oder als thermischer Isolator, wenn kein Wärmetransport vollzogen werden soll.
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Das insbesondere als Peltier-Element ausgebildete thermo-elektrische Modul kann in der Wärmeleitanordnung in Kombination mit dem Wärmeleitelement gelichzeitig mehrere Funktionen übernehmen. Es fungiert nicht nur als Wärmeleiter, sondern auch als Wärmepumpe zur aktiven Förderung des Wärmetransports. Gleichzeitig ist dieser Wärmetransport durch die Schaltbarkeit des Peltier-Elements in seiner Richtung steuerbar, so dass neben der Kühlfunktion auch eine optionale Heizfunktion bereitgestellt werden kann. Weiterhin kann das thermo-elektrische Modul, wenn gar kein Wärmetransport erwünscht ist, unbestromt eine thermisch isolierende Funktion übernehmen und zusätzlich kann durch das thermo-elektrische Modul auch eine elektrisch isolierende Funktion bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperieranordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, das thermo-elektrische Modul in Abhängigkeit von einem Parameter, insbesondere einer in der Batterie erfassten Temperatur, in den kühlenden Zustand oder den zumindest einen zweiten Zustand zu schalten. Um die Temperatur in der Batterie zu erfassen, können bereits vorhandene Temperatursensoren innerhalb der Batteriemodule bzw. der Batterie verwendet werden. Überschreitet diese Temperatur beispielsweise einen vorbestimmten Grenzwert, der vorzugsweise zwischen 35°C und 40°C liegt, so kann die Steuereinrichtung das thermo-elektrische Modul in den kühlenden Zustand schalten. Unterschreitet die Temperatur einen bestimmten Grenzwert, der zum Beispiel zwischen 0°C und 5°C° liegt, so kann die Steuereinrichtung das thermo-elektrische Modul in den heizenden Zustand schalten, und andernfalls, d.h. wenn die Temperatur zwischen diesen beiden genannten Grenzwerten liegt, kann die Steuereinrichtung das thermo-elektrische Modul in den unbestromten Zustand schalten.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein erster Pol einer ersten Batteriezellen mit einem zweiten Pol zumindest einer zweiten Batteriezellen über einen elektrisch leitenden Zellverbinder verbunden, wobei die Wärmeleitanordnung an der dem ersten und zweiten Pol abgewandten Seite des Zellverbinders einerseits und an der Kühleinrichtung andererseits angeordnet ist.
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Die Wärmeleitanordnung lässt sich dadurch über den Zellverbinder direkt mit den Polen der Batteriezellen koppeln, wodurch eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt wird. Zellverbinder, wie beispielsweise Stromschienen, auch Busbar genannt, werden üblicherweise verwendet, um mehrere Batteriezellen miteinander je nach Bedarf zu verschalten. Die Batteriezellen können hierdurch sowohl parallel geschaltet werden, um dadurch die Kapazität zu erhöhen, sowie andererseits auch in der Reihe geschaltet werden, um die Gesamtspannung zu erhöhen. Dadurch lassen sich auch mehrere Batteriezellengruppen, die jeweils parallel geschaltete Batteriezellen umfassen, zusätzlich zueinander in Reihe schalten. Die zur Verschaltung der Batteriezellen verwenden Zellverbinder können dabei flach ausgebildet sein, sodass sich daran die Wärmeleitanordnung besonders einfach und formschlüssig anbringen lässt. Hierzu kann beispielsweise das thermo-elektrische Modul direkt auf einen solchen Zellverbinder aufgebracht werden. Mit anderen Worten kontaktiert dabei die erste Seite des thermo-elektrischen Moduls die dem ersten und zweiten Pol abgewandte Seite des Zellverbinders. Die Geometrie des thermo-elektrischen Moduls kann dabei auf die Geometrie und die Abmessungen des Zellverbinders angepasst sein, sodass ein Großteil der Fläche der den Polen abgewandten Seite des Zellverbinders durch die erste Seite des thermo-elektrischen Moduls bedeckt ist, wodurch die Wärmeabfuhr, und auch die optionale Wärmezufuhr, optimiert werden kann. Das Wärmeleitelement, zum Beispiel der zumindest zum Teil gekrümmte Metallstreifen oder die Heatpipe, ist dann entsprechend mit einem ersten Ende am thermo-elektrischen Modul, d.h. auf dessen zweiter Seite, angeordnet und mit einem zweiten Ende an der Kühleinrichtung. Die Anordnung von Wärmeleitelement und thermo-elektrischen Modul kann aber auch umgekehrt sein, d.h. beispielsweise kann das Wärmeleitelement mit dem zweiten Ende direkt auf der den Polen abgewandten Seite des Zellverbinders angeordnet sein, während das erste Ende des Wärmeleitelements am thermo-elektrischen Modul angeordnet ist, insbesondere an dessen erster Seite, während die zweite Seite des thermo-elektrischen Moduls an der Kühleinrichtung angeordnet ist. Um den Wärmetransport aufgrund von Wandrauigkeiten und Oberflächentoleranzen zu verbessern, kann an den jeweiligen Kontaktflächen optional auch eine wärmeleitende Ausgleichsmasse, wie zum Beispiel ein Spaltfüller, auch Gapfiller genannt, bzw. eine Wärmeleitpaste eingesetzt werden. Diese Ausgleichsmasse kann beispielsweise zwischen dem Wärmeleitelement und dem thermo-elektrischen Modul sowie auch zwischen der Wärmeleitanordnung und der Kühleinrichtung einerseits sowie dem Zellverbinder andererseits angebracht werden.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Temperieranordnung mehrere solche Wärmeleitanordnungen aufweist. Dabei ist vor allem die Verwendung bzw. das Vorsehen von mehreren Wärmeleitelementen vorteilhaft, da diese hierdurch selbst relativ dünnwandig und damit flexibel gehalten werden können und dennoch große Wärmemengen über die Wärmeleitelemente transportiert werden können. Andererseits ist es auch besonders vorteilhaft, mehrere separate thermo-elektrische Module zu verwenden anstelle eines einzigen mit allen Batteriezellen gekoppelten. Hierdurch kann nämlich eine zusätzliche Sicherheitsfunktion in Bezug auf die elektrische Isolierung der Batteriezellen bereitgestellt werden. Durch die Keramikschichten sind die thermo-elektrischen Module zwar an und für sich bereits elektrisch isolierend, so dass auch prinzipiell die Anbindung von Zellpolen unterschiedlichen Potentials an ein gemeinsames thermo-elektrisches Modul denkbar wäre, gerade jedoch bei HV Anwendungen, wie bei der Kühlung von Hochvolt-Batterien bzw. deren Batteriezellen kann durch die Verwendung mehrerer separater thermo-elektrische Module, oder im Allgemeinen mehrerer Wärmeleitanordnungen eine zusätzlich erhöhte elektrische Isolierung der jeweiligen elektrischen Potenziale bereitgestellt werden.
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Damit stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterie mehrere Zellverbinder aufweist, wobei ein jeweiliger Zellverbinder einen Pol einer Batteriezellen mit mindestens einem Pol einer anderen Batteriezelle verbindet, wobei an einem jeweiligen Zellverbinder eine Wärmeleitanordnung angeordnet ist, und wobei die jeweiligen thermoelektrischen Module der jeweiligen Wärmeleitanordnungen räumlich voneinander getrennt sind. Die Zellverbinder, die unterschiedliche Pole von Batteriezellen miteinander koppeln, liegen auch auf unterschiedlichen Potenzialen. Das Vorsehen einer jeweiligen Wärmeleitanordnung für einen jeweiligen Zellverbinder ist damit besonders vorteilhaft, da somit ein jeweiliges einem bestimmten Potenzial zugeordneter Zellverbinder separat über einen eigenen thermischen Pfad an die Kühleinrichtung angebunden werden kann.
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Wie beschrieben ist aber das thermo-elektrische Modul selbst vorzugsweise ebenfalls elektrisch isoliert ausgebildet. Mit anderen Worten weist das thermo-elektrische Modul vorzugsweise zur Bereitstellung einer elektrischen Isolation Keramikschichten auf, insbesondere wobei eine jeweilige Keramikschicht die erste Seite und die zweite Seite des thermo-elektrischen Moduls bereitstellt. Somit wird eine direkte Ankopplung einer oder mehrerer durch die Wärmeleitanordnung bereitgestellten thermischen Pfade an die Pole der Batteriezellen auf besonders sichere und gleichzeitig flexible Weise ermöglicht.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Batteriezellen um prismatische Zellen. Solche prismatischen Zellen können auf einfache Weise mit den oben beschriebenen schienenförmigen Zellverbinder über ihre jeweiligen Pole verschaltet werden. Die Batteriezellen können aber auch anders ausgebildet sein, zum Beispiel als Pouch-Zellen. Solche Pouch-Zellen weisen üblicherweise nur dünne Plättchen als Anschlusselektroden bzw. Pole auf, die üblicherweise nicht über die oben beschriebenen Zellverbinder miteinander verschaltet werden können. Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen lässt sich dennoch vorteilhafterweise auch für solche Zellen verwenden, jedoch ist es in diesem Fall bevorzugt, die Wärmeleitanordnung nicht direkt mit dem Polen solcher Zellen zu koppeln, sondern an anderer Stelle an den jeweiligen Zellgehäusen anzuordnen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Wärmeleitanordnung an zumindest einer der Batteriezellen in einem von einem Pol der Batteriezelle verschiedenen Bereich einerseits und an der Kühleinrichtung andererseits angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist wie beschrieben gerade für Pouch-Zellen besonders geeignet, ermöglicht ebenfalls eine effektive Wärmeabfuhr, sowie wiederum eine optionale Beheizung oder Isolation.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Temperieranordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Temperieranordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Temperieranordnung zum Temperieren einer Batterie mit mehreren Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines thermo-elektrischen Moduls einer Temperieranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines thermoelektrischen Moduls einer Temperieranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperieranordnung 10 zum Temperieren einer Batterie 12, insbesondere einer HV-Batterie, mit mehreren Batteriezellen 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellen sind in diesem Beispiel als prismatische Batteriezellen 14 ausgebildet. Weiterhin weist eine jeweilige Batteriezelle 14 einen Pluspolanschluss 14a sowie einen Minuspolanschluss 14b auf. Die Batteriezellen 14 sind dabei durch als Stromschienen ausgeführte Zellverbinder 16 miteinander verschaltet. Ein solcher Zellverbinder 16 kann dabei je nach gewünschter Verschaltung zwei oder auch mehrere Pole bzw. Poolanschlüsse 14a, 14b verschiedener Batteriezellen 14 miteinander elektrisch leitend verbindenden.
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Die Temperieranordnung 10 weist nun weiterhin eine Wärmeleitanordnung 18 auf, um Wärme von den Batteriezellen 14 über die Wärmeleitanordnung 18 zu einer Kühleinrichtung 20 abzuführen, welche beispielsweise als Kühlplatte, die in diesem Beispiel gleichzeitig einen metallischen Deckel des Batteriegehäuses der Batterie 12 bereitstellt, ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann diese Kühleinrichtung 20 noch an weitere Teile eines Kühlsystems angebunden sein oder diese aufweisen, wie zum Beispiel mit einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle oder Ähnliches.
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Diese Wärmeleitanordnung 18 weist nun vorteilhafterweise ein thermo-elektrisches Modul 22 sowie ein als zumindest zum Teil gekrümmter Metallstreifen oder als zumindest zum Teil gekrümmte Heatpipe ausgebildetes Wärmeleitelement 24 auf. Dieses Wärmeleitelement 24 kann dabei wie dargestellt U-förmig ausgebildet sein oder alternativ auch S-förmig. Aufgrund dieser zumindest zum Teil gekrümmten Form des Wärmeleitelement 24 dient dieses vorteilhafterweise nicht nur als sehr guter Wärmeleiter sondern gleichzeitig auch als toleranzausgleichendes Element.
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Des Weiteren weist das Wärmeleitelement 24 ein erstes Ende 24a sowie ein zweites Ende 24b auf. Das erste Ende ist dabei am thermo-elektrischen Modul 22 angeordnet und das zweite Ende 24b in diesem Beispiel am Zellverbinder 16.
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Die Anordnung von Wärmeleitelement 24 und thermo-elektrischem Modul 22 kann in Bezug auf die Kühleinrichtung 20 und den Zellverbinder 16 auch umgekehrt sein, d.h. beispielsweise kann das thermo-elektrische Modul 22 direkt auf dem Zellverbinder 16, d.h. auf dessen den Polanschlüssen 14a, 14b der Batteriezellen 14 abgewandter Seite, angeordnet sein und das Wärmeleitelement 24 kann entsprechend auf der dem Zellverbinder 16 abgewandten Seite des thermo-elektrischen Moduls 22 und an der Kühleinrichtung 20 andererseits angeordnet sein.
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Das Wärmeleitelement 24 weist weiterhin am ersten und zweiten Ende 24a, 24b entsprechende abgeflachte Kontaktstellen zur besseren thermischen Anbindung am Zellverbinder 16 bzw. an der Kühleinrichtung 20 sowie am thermo-elektrischen Modul 22 auf. Die Kontaktoberfläche einer solchen abgeflachten Kontaktstelle, über welcher der Kontakt zum thermo-elektrischen Modul, zum Zellverbinder, oder bei der alternativen Variante zur Kühleinrichtung 20, bereitgestellt ist, ist dabei eben ausgebildet. Zur besseren Kontaktierung können auch Spaltfüller wie zum Beispiel eine Wärmeleitpaste verwendet werden, um kleinste verbleibende durch Unebenheiten bedingte Luftspalte zwischen dem ersten Ende 24a des Wärmeleitelements 24 und dem thermo-elektrischen Modul 22 einerseits, sowie andererseits zwischen dem zweiten Ende 24b des Wärmeleitelements 24 und dem Zellverbinder 16 oder in der weiteren Variante zu der Kühleinrichtung 20, sowie weiterhin optional auch zwischen dem thermo-elektrischen Modul 22 und der Kühleinrichtung 20 oder in der weiteren Variante zwischen dem thermo-elektrischen Modul 22 und dem Zellverbinder 16 zu schließen.
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Zudem kann die Temperieranordnung 10 auch mehrere solcher Wärmeleitanordnungen 18 aufweisen. Beispielsweise kann zwischen einem jeweiligen Zellverbinder 16 und der Kühleinrichtung 20 mindestens eine solche Wärmeleitanordnung 18 angeordnet sein.
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Eine solche Wärmeleitanordnungen 18 mit einem thermo-elektrischen Modul 22 sowie einem Wärmeleitelement 24 hat dabei vielzählige Vorteile. Zum einen ist diese Wärmeleitanordnung 18 durch die gekrümmte Ausbildung des Wärmeleitelements 24 und dessen elastische Eigenschaften und die dadurch bereitgestellte federnde Funktion sehr flexibel an vielzähligen unterschiedlichen Stellen zwischen den Batteriezellen 14 und der Kühleinrichtung anordenbar und kann dabei Abstandstoleranzen auf einfache Weise ausgleichen. Insbesondere wird es dadurch möglich, diese Wärmeleitanordnung direkt an die Batteriepolanschlüsse 14a, 14b über die entsprechenden Zellverbinder 16 anzubinden. Hierdurch gestaltet sich die Wärmeabfuhr besonders effizient, um die in den jeweiligen Batteriezellen 14 entstehende Wärme aus diesen abzuführen. Zudem wird durch das thermo-elektrische Modul 22 gleichzeitig eine elektrische Isolierung bereitgestellt, welche ebenfalls erst die direkte Ankopplung dieser Wärmeleitanordnung 18 an die Zellverbinder 16 ermöglicht. Diese elektrische Isolierung wird durch eine keramische Schichtung des thermo-elektrischen Moduls 22 bereitgestellt. Dieses kann beispielsweise als Peltier-Element ausgebildet sein, wie dieses in 2 in einer perspektivischen Darstellung und in 3 in einem Querschnitt illustriert ist. Ein solches als Peltier-Element ausgebildete thermo-elektrische Modul 22 weist dabei mehrere kleine Quader 22a auf, die je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial gebildet sind, und die weiterhin abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken 22b miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken 22b bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und können vorteilhafterweise durch eine eine erste Seite des thermo-elektrischen Moduls 22 bildende erste Keramikschicht 22c und durch eine eine zweite Seite des thermo-elektrischen Moduls 22 bildende zweite Keramikschicht 22d nach außen elektrisch isoliert ausgeführt sein. Weiterhin weist dieses Peltier-Element 22 entsprechende Anschlüsse 22e für die Stromversorgung auf. Je nach Polung 25 der anliegenden Spannung an diesen Anschlüssen 22e und der dadurch bereitgestellten Richtung des Stromflusses durch das Peltier-Element 22 erwärmt sich eine Seite 22c, 22d des Peltier-Elements 22, während die andere Seite 22d, 22c abkühlt. Hierdurch lässt sich durch das thermo-elektrische Modul 22 nicht nur ein guter Wärmeleiter, sondern auch eine Wärmepumpe bereitstellen, die genutzt werden kann um den Wärmetransport aktiv auf ein höheres Temperaturniveau zu heben bzw. den Wärmetransport zum Kühlsystem bzw. zur Kühleinrichtung 20 zur verbessern und zusätzlich aktiv zu fördern. Durch die Schaltbarkeit dieses thermoelektrischen Moduls 22 kann aber nicht nur auf einfache Weise eine Kühlung der Batteriezellen 14 bereitgestellt werden, sondern beispielsweise bei Bedarf, zum Beispiel im Winter, auch eine aktive Beheizung der Batteriezellen 14. Ein Umschalten vom kühlenden Betrieb in den heizenden Betrieb oder umgekehrt kann auf einfache Weise durch Umpolung des Stromflusses durch das thermo-elektrische Modul 22 bewerkstelligt werden. Wird darüber hinaus beispielsweise weder eine aktive Kühlung noch Beheizung der Batteriezellen 14 benötigt, so kann das thermo-elektrische Modul 22 auch in den unbestromten Zustand geschaltet werden, in welchen also kein Strom durch das thermo-elektrische Modul 22 fließt. In diesem Zustand fungiert das thermo-elektrische Modul 22 gleichzeitig auch als thermischer Isolator, sodass zum Beispiel im Winter keine Verluste über die thermische Anbindung der Batteriezellen 14 an die Kühleinrichtung 20 entstehen. Die Schaltung des thermo-elektrischen Moduls kann von einer Steuereinrichtung 26 der Temperieranordnung 10 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 26 ist schematisch in 3 dargestellt und kann beispielsweise Teil des Batteriemanagementsystem der Batterie 12 sein aber auch als separate eigene Recheneinheit bereitgestellt sein, wie beispielsweise ein separater Controller.
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Die beschriebene Wärmeleitanordnung 18 kann dabei weiterhin zusätzlich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten, herkömmlichen Flächenkühlung über den Zellmodul-Boden, welcher die den Polanschlüssen 14a, 14b gegenüberliegende Seite der Batteriezellen 14 darstellt, verwendet werden.
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Zusammenfassend bleibt damit festzuhalten, dass durch die Erfindungen und ihre Ausgestaltungen es somit vorteilhafterweise ermöglicht wird, die HV-Verbinder, d.h. die Zellverbinder 16, innerhalb eines Zellmoduls einer Batterie 12 oder die Oberseite der Batteriezellen 14 selbst an eine oben liegende Kühlung, wie der Kühleinrichtung 20, die separat bereitgestellt oder im Deckel des HV-Batteriegehäuses integriert ist, anzubinden. Die hierbei entsprechend auszugleichenden Toleranzen, die in Abhängigkeit von der Zellmodulbefestigung abzufangen sind, können durch Heatpipes oder auch andersartig ausgebildete Wärmeleitelemente 24 bewerkstelligt werden. Die Ausbildung eines solchen Wärmeleitelements 24 als Heatpipe ist dabei besonders vorteilhaft, da durch Heatpipes eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt werden kann. Zudem können die Heatpipes durch ihre geometrische Verformbarkeit auf einfache Weise wie Federelemente, zum Beispiel U-förmig oder S-förmig, ausgeführt werden und je nach Befestigungsort, zum Beispiel Zellmodul-nah oder Kühlsystem-nah, über thermisch leitende Ausgleichsmaterialien, wie Spaltfüller, angebunden werden. Um die elektrische Isolierung zu gewährleisten, erfolgt die Anbindung zum Kühlsystem, d.h. der Kühleinrichtung 20, über keramische thermo-elektrische Module 22. Durch die Keramik erfolgt die elektrische Isolierung. Zusätzlich kann die Eigenschaft der thermo-elektrischen Module 22 als Wärmepumpe genutzt und damit der Wärmetransport zum Kühlsystem verbessert werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von thermo-elektrischen Modulen 22 ist die Schaltbarkeit der Kühlung. Ohne Nutzung der thermo-elektrischen Module isolieren diese auch thermisch, sodass zum Beispiel im Winter keine Verluste über diese thermische Anbindung der Zellmodule, d.h. der Batteriezellen 14, an das Kühlsystem entstehen. Zudem kann durch den Heizbetrieb den Zellmodulen bzw. Batteriezellen 14 gerade bei kritischen tiefen Temperaturen, zum Beispiel kleiner -15 °C, Wärme zugeführt werden. Der Heizbetrieb kann aber auch schon früher erfolgen, zum Beispiel bei unterschreiten eines Temperaturgrenzwerts, der zwischen 0 und 5° liegt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele wie durch die Erfindung eine Kühlungsanbindung von hochvolt-führenden Bauteilen mittels Heatpipes und thermoelektrischen Modulen bereitgestellt werden kann, die vor allem als Zusatzkühlung die maximal nutzbare Leistung einer HV-Batterie deutlich erhöhen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054958 A1 [0004]
