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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinrichtung. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens eine Kühleinrichtung zur Temperierung des Batteriemoduls mit wenigstens einer Wärmerohreinrichtung. Zudem betrifft die Erfindung eine Kühleinrichtung.
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Die Leistung und Lebensdauer der Batterien von Elektrofahrzeugen hängt in der Regel stark von der Betriebstemperatur ab. Daher werden solche Batterien üblicherweise temperiert bzw. gekühlt. Im Stand der Technik sind Batterien bekannt geworden, bei denen dazu Wärmerohre, auch als Heatpipes bezeichnet, eingesetzt werden. Die Wärmerohre ermöglichen durch Verdampfen und Kondensieren eines eingeschlossenen Arbeitsmediums einen Transport von latenter Wärme.
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Dabei werden die Wärmerohre üblicherweise an die Batteriezellen oder an die Batteriemodule, in denen die Batteriezellen gruppiert sind, angebunden. So wird die Wärme von den Batteriezellen bzw. Batteriemodulen zu kühleren Stellen und beispielsweise zu Kühlkanälen oder Kühlrippen abtransportiert. Das Anbinden der Wärmerohre ist jedoch oft sehr aufwendig und führt regelmäßig zu einem hohen Verbrauch an Bauraum.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2012 220 873 A1 eine Batterie für ein Elektrofahrzeug mit Wärmerohren zur Kühlung der Batteriezellen. Batterien, welche unter Verwendung von Wärmerohren gekühlt werden, werden auch in der
DE 10 2011 011 148 A1 und der
WO 2007/053992 A1 beschrieben.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieeinrichtung mit einer verbesserten Kühleinrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 14. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung ist insbesondere als eine Traktionsbatterie für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Traktionsbatterie ist insbesondere für ein Elektrofahrzeug. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens eine Kühleinrichtung zur Temperierung und vorzugsweise Kühlung und/oder Erwärmung des Batteriemoduls. Die Kühleinrichtung umfasst wenigstens eine Wärmerohreinrichtung mit wenigstens einem Druckbehälter und mit wenigstens einem in den Druckbehälter eingeschlossenen Arbeitsmedium. Dabei ist wenigstens die wenigstens eine Batteriezelle innerhalb des Druckbehälters angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bietet die erfindungsgemäße Anordnung der Batteriezelle innerhalb des Druckbehälters. Dadurch entfällt die in der Regel sehr aufwendige und Bauraum verbrauchende Anbindung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls an die Wärmerohre. Zugleich kann jedoch die durch das Prinzip des Wärmerohrs ermöglichte besonders hohe Kühlleistung erreicht werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff Wärmerohreinrichtung bzw. Wärmerohr insbesondere zur Verdeutlichung der Funktionsweise eingesetzt. Dabei muss die Wärmerohreinrichtung und insbesondere der Druckbehälter jedoch nicht zwingend einen rohrartigen Aufbau aufweisen bzw. ein Rohr umfassen. Bei der hier vorgestellten Erfindung weist der Druckbehälter vorzugsweise eine an die Batteriezelle bzw. an das Batteriemodul angepasste Geometrie auf. Der Druckbehälter kann als ein Wärmerohr mit einer angepassten Geometrie ausgebildet sein. Die Wärmerohreinrichtung kann beispielsweise nach dem Prinzip einer Heatpipe oder eines Thermosiphons oder eines thermoakustischen Wärmeüberträgers betreibbar sein.
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Vorzugsweise weist das Batteriemodul ein Modulgehäuse auf. Das Modulgehäuse stellt vorzugsweise den Druckbehälter bereit. Eine solche Ausgestaltung bietet viele Vorteile und ermöglicht beispielsweise die Einsparung von Komponenten und Bauraum. Insbesondere ist das Modulgehäuse als Druckbehälter ausgebildet. Insbesondere sind im Modulgehäuse eine Mehrzahl von Batteriezellen aufnehmbar. Das Batteriemodul kann auch nur aus einer einzelnen Batteriezelle bestehen oder eine solche umfassen.
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Möglich ist aber auch, dass der Druckbehälter von wenigstens einem separaten Modulgehäuse umgeben ist. Möglich ist auch, dass das Batteriemodul innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist. Dann stellt der Druckbehälter insbesondere das Modulgehäuse bereit. Dabei kann das Batteriemodul nur eine einzelne Batteriezelle umfassen oder durch eine solche bereitgestellt werden. Möglich ist auch, dass das Batteriemodul innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist und eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst.
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Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen. Dabei sind die Batteriezellen des Batteriemoduls vorzugsweise wenigstens teilweise in dem Druckbehälter angeordnet. Das ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kühlung von mehreren Zellen mittels eines einzelnen Druckbehälters. Insbesondere sind alle Batteriezellen des Batteriemoduls in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet. Möglich ist auch, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls auf wenigstens zwei oder mehr Druckbehälter aufgeteilt sind. Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der Batteriezellen des Batteriemoduls in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet. Die Batteriezellen des Batteriemoduls können auch einzeln in jeweils einem Druckbehälter angeordnet sein.
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Die Batterieeinrichtung umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriemodulen. Dabei ist für jedes Batteriemodul vorzugsweise wenigstens ein Druckbehälter vorgesehen ist. Es können auch zwei oder mehr Batteriemodule jeweils einem Druckbehälter zugeordnet sein.
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Die Wärmerohreinrichtung umfasst insbesondere wenigstens einen Verdampfungsabschnitt mit wenigstens einem Dampfkanal für das verdampfte Arbeitsmedium. Insbesondere umfasst die Wärmerohreinrichtung wenigstens einen Kondensationsabschnitt mit wenigstens einem Kondensatkanal zum Rückführen des kondensierten Arbeitsmediums. Insbesondere ist die Wärmerohreinrichtung so ausgebildet, dass das Arbeitsmedium in dem Kondensationsabschnitt kondensiert und über den Kondensatkanal zurück zum Verdampfungsabschnitt geführt wird. Das kann beispielsweise durch Kapillarkräfte und/oder Schwerkraft erfolgen. Der Verdampfungsabschnitt ist insbesondere derart an der Batteriezelle angeordnet, dass deren Abwärme zum Verdampfen des Arbeitsmediums führt. Insbesondere liegen der Verdampfungsabschnitt mit dem Dampfkanal und der Kondensationsabschnitt mit dem Kondensatkanal vollständig im Druckbehälter. Insbesondere liegt der Kondensationsabschnitt in einem Randbereich des Batteriemoduls. Insbesondere liegt der Verdampfungsabschnitt in einem von dem Randbereich umgebenen mittleren Bereich des Batteriemod uls.
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Der Kondensationsabschnitt ist vorzugsweise wärmeleitend an wenigstens einen Kühlmittelkanal angebunden. Dadurch wird eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht. Der Kühlmittelkanal wird vorzugsweise von wenigstens einem Kühlmedium durchströmt. Der Kühlkanal kann in einer Gehäusewandung und/oder einer Bodenplatte angeordnet sein. Möglich ist auch, dass der Kondensationsabschnitt wärmeleitend an wenigstens eine Kühlrippe angebunden ist. Das Kühlmedium ist zum Beispiel Öl, Wasser oder ein anderes geeignetes Medium.
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Der Kondensatkanal umfasst insbesondere wenigstens eine Kapillarstruktur und/oder wenigstens eine Sinterstruktur. Die Sinterstruktur umfasst insbesondere wenigstens einen Sinterwerkstoff. Das bietet Vorteile bei der Herstellung und ermöglicht einen besonders guten Transport des Arbeitsmediums.
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Der Dampfkanal ist insbesondere als ein wenigstens teilweise offener Kanal ausgebildet. Insbesondere ist der Dampfkanal als ein Freiraum ausgebildet oder umfasst wenigstens an solchen. In einem solchen Dampfkanal kann das Arbeitsmedium besonders gut verdampfen.
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Die Kapillarstruktur und/oder die Sinterstruktur weisen vorzugsweise wenigstens abschnittsweise einen mäanderförmigen Querschnitt auf. Der mäanderförmige Querschnitt begrenzt vorzugsweise wenigstens abschnittsweise den Dampfkanal. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine besonders vorteilhafte Bereitstellung von Zonen zum Verdampfen und Kondensieren. Der mäanderförmige Querschnitt kann rechteckig oder trapezförmig oder stufenartig oder auch abgerundet ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Dampfkanälen und Kondensatkanälen abwechselnd nebeneinander an wenigstens einer Seitenfläche der Batteriezelle angeordnet. Das bietet viele eine besonders gleichmäßige und leistungsstarke Abfuhr der Wärme aus der Batteriezelle. Insbesondere sind an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der Batteriezelle die Dampfkanäle und Kondensatkanäle derart angeordnet. Insbesondere verlaufen die Dampfkanäle und/oder die Kondensatkanäle parallel zueinander. Insbesondere sind dabei längliche Kondensatkanäle und/oder Dampfkanälen vorgesehen. Möglich sind auch andere Formgebungen.
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Vorzugsweise ist eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Dampfkanälen und Kondensatkanälen im Druckbehälter angeordnet. Die Anordnung grenzt wenigstens abschnittsweise an die Batteriezelle und/oder an wenigstens eine Wandung des Druckbehälters. Die Dampfkanäle und/oder Kondensatkanäle sind insbesondere netzartig verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls jeweils eine Anordnung von abwechselnd nebeneinanderliegenden Dampfkanälen und Kondensatkanälen vorgesehen. Vorzugsweise weisen die Anordnungen dabei einen Versatz zueinander auf, sodass ein Dampfkanal einer Batteriezelle an einen Kondensatkanal einer anderen Batteriezelle bzw. einer benachbarten Batteriezelle angrenzt und umgekehrt.
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Es ist möglich und bevorzugt, dass der Kondensationsabschnitt wenigstens einen Querkanal aufweist. Der Querkanal verläuft insbesondere quer zur Längsachse des wenigstens einen Kondensatkanals. Der Querkanal verbindet insbesondere eine Mehrzahl von Kondensatkanälen. Der Querkanal ist insbesondere entlang einer quer zur Seitenfläche der Batteriezelle verlaufenden Seite angeordnet. Insbesondere ist der Querkanal entlang einer Oberseite und/oder Unterseite der Batteriezelle angeordnet. Der Querkanal verläuft insbesondere oberhalb und/oder unterhalb der Batteriezelle. Insbesondere ist der Querkanal in einem Randbereich des Batteriemoduls angeordnet. Der Querkanal liegt insbesondere an einer Seite des Batteriemoduls, welches wenigstens einem Kühlmittelkanal zugewandt ist. Insbesondere ist an zwei gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls jeweils wenigstens ein Querkanal vorgesehen.
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Insbesondere umfasst die Kühleinrichtung wenigstens einen Kühlmittelkanal. Der Kühlmittelkanal ist insbesondere von einem Kühlmedium durchströmbar. Insbesondere ist der Druckbehälter wärmeleitend an den Kühlmittelkanal angebunden. Vorzugsweise ist wenigstens ein Kühlmittelkanal wenigstens abschnittsweise außerhalb und/oder wenigstens abschnittsweise innerhalb des Druckbehälters angeordnet. Möglich und bevorzugt ist auch, dass wenigstens ein Kühlmittelkanal wenigstens abschnittsweise innerhalb einer Wandung des Druckbehälters angeordnet ist. Durch solche Ausgestaltungen kann die vom Arbeitsmedium transportierte Wärme besonders vorteilhaft durch das Kühlmittel abgeführt werden.
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In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass im Druckbehälter ein zu Arbeitsmedium und Betriebstemperatur passender Unterdruck vorliegt. Insbesondere liegt im Druckbehälter ein absoluter Druck von weniger als 100 mbar und vorzugsweise von weniger als 80 mbar und besonders bevorzugt von weniger als 60 mbar und zum Beispiel von 50 mbar oder weniger vor. Insbesondere liegt im Druckbehälter ein absoluter Druck von größer 5 mbar und vorzugsweise von größer 10 mbar und besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 mbar vor. Beispielsweise liegt im Druckbehälter ein absoluter Druck zwischen 20 und 50 mbar vor. Insbesondere ist der Druck im Druckbehälter an das Arbeitsmedium und/oder an die zu erwartenden Betriebstemperaturen und/oder andere Parameter angepasst.
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Besonders bevorzugt ist der Druckbehälter mit einem Druck beaufschlagt, welcher einen Kompressionsdruck für die Batteriezellen zur Verfügung stellt. Das hat den Vorteil, dass auf eine Vorspannung der Batteriezellen verzichtet werden kann, welche sonst beispielsweise mittels Kompressionspads oder dergleichen erreicht würde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Batterieeinrichtung und insbesondere einer Traktionsbatterie für ein wenigstens teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer Batteriezelle und mit wenigstens einer Kühleinrichtung zur Temperierung des Batteriemoduls. Die Kühleinrichtung umfasst wenigstens eine Wärmerohreinrichtung mit wenigstens einem Druckbehälter mit wenigstens einem in den Druckbehälter eingeschlossenen Arbeitsmedium. Dabei wird wenigstens die wenigstens eine Batteriezelle innerhalb des Druckbehälters angeordnet.
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Auch das erfindungsgemäße Verfahren bietet viele Vorteile und ermöglicht eine besonders wirtschaftliche Herstellung einer Batterieeinrichtung mit einer besonders zuverlässigen und wirkungsvollen Kühlung.
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Insbesondere wird die zuvor beschriebene Batterieeinrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die zuvor beschriebene Batterieeinrichtung herstellbar ist.
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Insbesondere wird der Druckbehälter ausgeformt. Insbesondere wird der Druckbehälter an die Geometrie der wenigstens einen Batteriezelle und/oder des Batteriemoduls angepasst. Es ist möglich, dass ein Wärmerohr als Druckbehälter ausgeformt und z. B. aufgeblasen wird. Insbesondere wird die Batteriezelle und vorzugsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen in den Druckbehälter eingelegt. Insbesondere wird wenigstens ein Kondensatkanal mit wenigstens einer Kapillarstruktur und/oder mit wenigstens einer Sinterstruktur an die Batteriezelle angelegt bzw. zwischen den Batteriezellen angeordnet. Insbesondere wird der Druckbehälter mit dem Arbeitsmedium befüllt. Insbesondere wird der Druckbehälter mit einem Unterdruck beaufschlagt. Insbesondere wird der Druckbehälter verschlossen. Insbesondere wird der Druckbehälter unter Vakuumbedingungen befüllt und/oder verschlossen. Insbesondere wird der Druckbehälter wärmeleitend an wenigstens einen Kühlkanal angebunden.
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Eine erfindungsgemäße Aufgabe liegt vorzugsweise darin, die Kühlung auch von anderen Komponenten und beispielsweise von Komponenten für Elektrofahrzeuge zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kühleinrichtung gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug und dient zur Temperierung wenigstens einer sich im Betrieb erwärmenden Komponente. Die Kühleinrichtung umfasst wenigstens eine Wärmerohreinrichtung mit wenigstens einem in wenigstens einem Druckbehälter eingeschlossenen Arbeitsmedium. Dabei ist die zu kühlende und sich im Betrieb erwärmende Komponente innerhalb des Druckbehälters angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung bietet viele Vorteile und eine erheblich verbesserte Kühlung der Komponente. Durch die Anordnung der Komponente im Druckbehälter wird eine sehr hohe Leistung und Homogenität der Kühlung erreicht.
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Die Komponente ist beispielsweise eine Leistungselektronik oder eine Elektromaschine oder wenigstens ein Teil einer solchen. Möglich ist auch, dass die Komponente eine Diode und beispielsweise eine LED ist oder wenigstens eine solche umfasst. Die Komponente kann auch ein Prozessor und beispielsweise eine CPU sein oder wenigstens einen solchen umfassen. Die Komponente kann auch durch ein anderes sich im Betrieb erwärmendes Bauteil eines Kraftfahrzeugs und insbesondere eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt werden.
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Insbesondere wird die Kühleinrichtung auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Dabei wird anstelle der Batteriezelle vorzugsweise die Komponente im Druckbehälter angeordnet. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Kühleinrichtung herstellbar ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Temperierung insbesondere eine Kühlung und/oder Erwärmung verstanden. Die Kühleinrichtung wird insbesondere zur Kühlung eingesetzt, ist vorzugsweise aber auch zur Erwärmung der Batteriezelle bzw. der Komponente geeignet und ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung in einer geschnittenen Darstellung;
- 2 die Batterieeinrichtung in einer geschnittenen Draufsicht; und
- 3 eine Detaildarstellung der Batterieeinrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterieeinrichtung 1, welche hier als eine Traktionsbatterie 10 für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Die Batterieeinrichtung 1 ist in einer geschnittenen Seitenansicht gezeigt. Die 2 zeigt die Batterieeinrichtung 1 in einer geschnittenen Draufsicht. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug zu den 1 und 2 näher beschrieben.
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Die Batterieeinrichtung 1 umfasst hier mehrere Batteriemodule 2, von denen zur besseren Übersichtlichkeit nur ein einzelnes exemplarisch dargestellt ist. Die Batteriemodule 2 sind jeweils mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 12 ausgestattet. Die Batterieeinrichtung 1 umfasst eine Kühleinrichtung 2, welche zur Kühlung und vorzugsweise auch zur Erwärmung der Batteriemodule 2 eingesetzt wird. Die Kühleinrichtung 2 umfasst eine Wärmerohreinrichtung 4 und eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 13. Über die Kühlmittelkanäle 13 kann die Wärme von der Wärmerohreinrichtung 4 mittels eines Kühlmediums und beispielsweise einer Kühlflüssigkeit abtransportiert werden.
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Die Wärmerohreinrichtung 4 umfasst hier einen Druckbehälter 5, in welchem ein Arbeitsmedium 14 eingeschlossen ist. Beispielsweise ist als Arbeitsmedium 14 Ethanol oder Wasser oder ein anderes für den Einsatz in Wärmerohren geeignetes Medium vorgesehen.
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Die Batteriezellen 12 sind in dem Druckbehälter 5 der Wärmerohreinrichtung 4 angeordnet und stehen hier in einem direkten Kontakt mit dem Arbeitsmedium 14. In dem Druckbehälter 5 befinden sich jeweils angrenzend an die Batteriezellen 12 eine Mehrzahl von Verdampfungsabschnitten 6 und Kondensationsabschnitten 7. Den Verdampfungsabschnitten 6 sind hier eine Mehrzahl von Dampfkanälen 16 und den Kondensationsabschnitten 7 eine Mehrzahl von Kondensatkanälen 17 zugeordnet. Die Kondensatkanäle 17 sind hier über Querkanäle 47 miteinander verbunden. Die Dampfkanäle 16 sind hier als Freiräume ausgebildet.
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Der Druckbehälter 5 befindet sich hier im Unterdruck, damit das Arbeitsmedium 14 schon bei geringeren Temperaturen und beispielsweise bei 40° zu verdampfen beginnt. Beispielsweise ist der Druckbehälter 5 mit einem Druck von 20 bis 50 mbar absolut beaufschlagt.
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Aufgrund der Abwärme der Batteriezellen 12 verdampft das Arbeitsmedium 14 in den Verdampfungsabschnitten 6. Die Strömung des verdampften Arbeitsmediums 14 ist durch schraffierte Blockfeile stark schematisch angedeutet. Durch die Ausdehnung beim Verdampfen strömt das Arbeitsmedium 14 entlang der Dampfkanäle 16 zu den kälteren Stellen im Druckbehälter 5. Bei der hier gezeigten Batterieeinrichtung 1 sind dies die von den Kühlmittelkanälen 13 gekühlten äußeren Bereiche des Batteriemoduls 2.
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Im Bereich der Kühlmittelkanäle 13 bzw. an den kühleren Stellen kondensiert das Arbeitsmedium 14 und zieht hier aufgrund von Kapillarkräften in die Kondensatkanäle 17 ein. Dazu sind die Kondensatkanäle 17 hier mit einer Kapillarstruktur 27 ausgestattet. Zusätzlich oder alternativ können die Kondensatkanäle 17 auch durch eine Sinterstruktur 37 bereitgestellt werden. Die Strömung des kondensierten Arbeitsmediums 14 ist durch gepunktete Blockfeile stark schematisch angedeutet. Durch die Kapillarkräfte wird das Arbeitsmedium 14 entlang der Kondensatkanäle 17 wieder zu den wärmeren Bereichen im Druckbehälter 5 transportiert. Die wärmeren Stellen befinden sich hier in einem mittleren Bereich des Batteriemoduls 2 an den Batteriezellen 12. Dort beginnt aufgrund der Zellabwärme erneut das Verdampfen des Arbeitsmediums 14.
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Die Dampfkanäle 16 und Kondensatkanäle 17 sind hier abwechselnd nebeneinander an den Seitenflächen der Batteriezelle 12 angeordnet. Dabei weisen die Anordnungen der Dampfkanäle 16 und Kondensatkanäle 17 von zwei benachbarten Batteriezellen 12 hier einen Versatz zueinander auf. Wie in der 2 besonders gut zu erkennen, grenzen dadurch die Dampfkanäle 16 der einen Batteriezelle 12 jeweils an einen Kondensatkanal 17 der benachbarten Batteriezelle 12 an und umgekehrt. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige und wirksame Kühlung der einzelnen Batteriezellen 12 erreicht.
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Eine solche Anordnung der Dampfkanäle 16 und Kondensatkanäle 17 kann beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass die Kapillarstruktur 27 bzw. die Sinterstruktur 37 mit einem mäanderförmigen Querschnitt geformt wird. Die derart geformten Kapillarstrukturen 27 bzw. Sinterstrukturen 37 können dann bei der Montage der Batterieeinrichtung 1 zwischen den Batteriezellen 12 im Druckbehälter 5 angeordnet werden.
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Der Druckbehälter 5 wird hier durch das Modulgehäuse 22 des Batteriemoduls 2 bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriemodul 2 auch mit einer Gehäuseeinrichtung ausgestattet sein, welche den Druckbehälter 5 umgibt.
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Um eine besonders kompakte Bauweise der Batterieeinrichtung 1 zu ermöglichen, sind die Kühlmittelkanäle 13 hier in die Wandungen des Modulgehäuses 22 und somit auch in den Druckbehälter 5 integriert. In alternativen und ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungen können die Kühlmittelkanäle 13 auch außerhalb des Druckbehälters 5 und/oder des Modulgehäuses 22 angeordnet sein. Möglich ist auch, dass die Kühlmittelkanäle 13 innerhalb des Druckbehälters 5 verlaufen.
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Die 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Kondensatkanals 17 und eines Querkanals 47. Solche Kanäle 17, 47 können bei der Herstellung Batterieeinrichtung 1 besonders unaufwendig verbunden werden.
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Die hier vorgestellte Batterieeinrichtung 1 wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Beispielsweise wird dazu der Druckbehälter 5 auf die Größe des Batteriemoduls 2 gebracht. Als Druckbehälter 5 kann beispielsweise ein Wärmerohr eingesetzt werden. Dazu wird das Wärmerohr auf die Größe des Batteriemoduls 12 aufgeblasen. Das Wärmerohr wird insbesondere so geformt, dass die Batteriezellen 12 möglichst günstig platziert werden können, beispielsweise quaderförmig.
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Anschließend wird der Druckbehälter 5 aufgeschnitten, sodass die typische innere Struktur des Wärmerohrs und beispielsweise eine Kapillarstruktur offen liegt. Dann werden die Batteriezellen 12 in den Dampfraum des Druckbehälters 5 eingelegt.
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Um auch zwischen den Batteriezellen 12 eine besonders gute Kühlwirkung zu erreichen, kann die mäanderförmige Kapillarstruktur 27 bzw. Sinterstruktur 37 zwischen den Batteriezellen 12 eingelegt werden. Anschließend wird der Druckbehälter 5 unter Vakuum verschlossen und mit dem Arbeitsmedium 14 gefüllt. Dabei soll der Dampfdruck zu dem Temperaturbereich der Batteriezellen 12 passen, bei dem der Verdampfungsprozess starten soll. Beispielsweise liegt der Beginn des Verdampfungsprozesses bei 30 °C und erstreckt sich bis zu einem sogenannten Dry-Out bei beispielsweise 60 °C.
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Nach dem Verschließen stellt der Druckbehälter 5 insbesondere auch das Modulgehäuse 22 bereit, sodass das unter Vakuum verschlossene und mit dem Arbeitsmedium 14 befüllte Batteriemodul 2 nun nach dem Prinzip eines entsprechend großen Wärmrohrs funktioniert.
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Durch die Anbindung eines solchen Batteriemoduls 2 an eine Kühlplatte bzw. an die Kühlmittelkanäle 13 wird durch die Abwärme der Batteriezellen 12 und die Wärmesenke im Bereich der Kühlplatte bzw. der Kühlmittelkanäle 13 der geschlossene Verdampfungsprozess in Modul 2 gestartet. Der Verdampfungsprozess sorgt dafür, dass die Batteriezellen 12 oder sonstige zu kühlende Komponenten nahezu ohne Temperaturspreizung gekühlt werden können.
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Die Kühleinrichtung 3 der zuvor beschriebenen Batterieeinrichtung 1 kann auch anstelle der Batteriezelle 12 mit nahezu beliebigen anderen Komponenten 8 bestückt werden, welche sich im Betrieb erwärmen und daher gekühlt bzw. temperiert werden müssen. Dazu wird der hier gezeigte Druckbehälter 5 anstelle der Batteriezellen 12 mit der entsprechenden Komponente 8 bestückt. Eine solche Komponente kann beispielsweise eine Leistungselektronik oder eine Elektromaschine bzw. ein Bauteil einer solcher sein. Die Komponente kann auch eine LED oder eine CPU oder eine sonstige Wärmequelle sein.
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Die hier vorgestellte Erfindung bietet den Vorteil, dass das gesamte Batteriemodul 2 inklusive der Batteriezellen 12 als ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe funktionieren kann. Dazu ist in dem Druckbehälter 5 eine feine Kapillarstruktur 27 zur Aufnahme des flüssigen Arbeitsmediums 14 nach der Abkühlung an der Kühlplatte bzw. an den Kühlmittelkanälen 13 vorgesehen. Zudem gibt es Verdampfungsabschnitte 6 mit Freiräumen bzw. mit Bereichen ohne Kapillarstruktur 27, in denen das verdampfte Arbeitsmedium 14 aufgenommen werden kann.
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Durch die Verdampfung ist die Temperaturhomogenität an den Batteriezellen 12 und innerhalb des Batteriemoduls 2 besonders gut. Zusätzlich kann durch den Phasenübergang an der Anbindungsfläche zur Kühlung bzw. den Kühlmittelkanälen 13 eine sehr hohe Kühlleistung bzw. Heizleistung realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass an das Batteriemodul 2 lediglich eine Kühlplatte bzw. Kühlmittelkanäle 13 angebunden werden müssen und dennoch eine Kühlleistung und Homogenität über eine Direktkühlung erreicht wird. Wahlweise kann auch die Kühlung in das Batteriemodul 2 integriert werden, wobei entsprechende Kühlmittelanschlüsse vorzusehen sind. Besonders vorteilhaft ist, dass ohne eine Integration der Kühlleitungen in das Modulgehäuse 22 dieses keine hydraulischen Verbindungen nach außen bzw. keine Kühlmittelanschlüsse benötigt. Dadurch wird ein besonders unaufwendiges und unproblematisches Handling der Batteriemodule 2 erreicht.
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Besonders vorteilhaft ist auch, dass durch die Vakuumbefüllung die Batteriezellen 12 automatisch den notwendigen Kompressionsdruck aufweisen, welcher zur einwandfreien Funktion der Zellen 12 notwendig ist. Auf Kompressionspads oder dergleichen kann somit verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220873 A1 [0004]
- DE 102011011148 A1 [0004]
- WO 2007/053992 A1 [0004]
