-
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit einem Klimatisierungselement und einer Batteriezelle.
-
Die Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle ist abhängig von ihrer aktuellen Temperatur, bei der sie betrieben wird. Liegt die aktuelle Temperatur der Batteriezelle außerhalb eines Be- triebstemperaturbereichs, so kommt es zu einer sinkenden Leistungsfähigkeit der Batteriezelle. Die Temperatur kann von der Betriebstemperatur aufgrund einer Überhitzung oder einer Unterkühlung der Batteriezelle abweichen. Um dies zu vermeiden, ist es üblich, die Temperatur einer Batteriezelle zu regulieren. Diese Temperaturregulierung, welche auch als Thermomanagement bezeichnet wird, erfolgt mittels eines Klimatisierungselements. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Wärme von einer Oberfläche der Batteriezelle abzuführen oder der Batteriezelle zuzuführen. Bei runden und prismatischen Zellen ist das Klimatisierungselement an einer Gehäuseoberfläche und bei Pouchzellen an einer Aluminiumhülle angeordnet.
-
Nachteilig an der besagten Anordnung ist die Tatsache, dass abzuführende Wärme aus einem Kern einer Batteriezelle an die Oberfläche der Batteriezelle gelangen muss, um abgeführt werden zu können. Denn es kann ein Wärmeaustausch mit der Batteriezelle nur in Oberflächennähe erfolgen. Dies hat zur Folge, dass es zu einem Wärmeaufstau im Kern der Batteriezelle kommen kann und somit zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit oder zu einem stärkeren Verschleiß. Diese Problematik ist abhängig von einem Volumen der Batteriezelle, weil die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen in einem geringeren Ausmaß zunimmt.
-
Ein weiteres Problem besteht in der eingeschränkten Gestal- tungsmöglichkeit, welche eine Formgebung der Batteriezelle betrifft. Die Form muss in ihren Abmessungen in der Regel vorbestimmten Normen entsprechen. Eine Abweichung von den vorbestimmten Normen, welche aufgrund einer Anordnung eines Klimatisierungselements außerhalb des Batteriezellengehäuses auftreten kann, kann die Kompatibilität der Batteriezellen mit bestehenden Vorrichtungen einschränken.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Temperatur- regulierung für eine Batteriezelle zu ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa- tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Pa- tentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren.
-
Durch die Erfindung wird eine Energiespeichervorrichtung mit einem Klimatisierungselement und zumindest einer Batteriezelle bereitgestellt. Die Energiespeichervorrichtung kann bei- spielsweise ein Batteriemodul sein, welches zumindest eine Batteriezelle der im Folgenden beschriebenen Art aufweist. Die Batteriezelle weist ein Batteriezellengehäuse und ein in einem Innenraum des Batteriezellengehäuses angeordnetes galvanisches Element auf. Das Klimatisierungselement kann eine Vorrichtung sein, welche dazu eingerichtet ist, Wärme aus dem Innenraum ab oder zuzuführen. Das galvanische Element kann eine Primärzelle oder eine Sekundärzelle sein. Mit anderen Worten kann es sich um ein einmalig entladenes Element oder ein wieder aufladbares Element handeln. Das Batteriezellengehäuse kann das galvanische Element umschließen, sodass dieses von dem Bereich außerhalb des Innenraums abgegrenzt ist. Das Batteriezellengehäuse weist eine in den Innenraum ragende Aufnahmevorrichtung auf, wobei das Klimatisierungselement zumindest mit einem Teilbereich in der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist. Die Aufnahmevorrichtung kann beispielsweise ein in dem Innenraum angeordneter Körper sein, welcher über eine Öffnung an dem Batteriezellengehäuse zu der Umgebung des Batteriezellengehäuses offen sein kann. Mit anderen Worten umfasst die Energiespeichervorrichtung die Batteriezelle mit dem Batteriezellengehäuse und dem Klimati- sierungselement. In dem Innenraum des Batteriezellengehäuses ist das galvanische Element angeordnet. In dem Innenraum des Batteriezellengehäuses befindet sich die durch das Batterie- zellengehäuse gebildete Aufnahmevorrichtung, welche in den Innenraum hineinragt. In der Aufnahmevorrichtung ist zumindest der Teilbereich des Klimatisierungselements angeordnet.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein Wär- meaustausch zwischen dem galvanischen Element und dem Klima- tisierungselement in dem Innenraum der Batteriezelle ermöglicht wird. Somit kann ein Wärmeaustausch zusätzlich oder alternativ zu dem Wärmeaustausch an einer äußeren Oberfläche der Batte- riezelle stattfinden. Dies verhindert einen Wärmestau.
-
Die Energiespeichervorrichtung kann beispielsweise ein Modul sein, welches zur Anordnung in einem Batteriesystem vorgesehen ist. Das Batteriezellengehäuse kann beispielsweise eine prismatische oder zylindrische Form und eine starre Beschaf- fenheit aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Batterie- zellengehäuse eine flexible Aluminiumhülle ist. Dies kann beispielsweise bei Pouchzellen der Fall sein. Durch das Bat- teriezellengehäuse wird der Innenraum der Batteriezelle ab- geschlossen oder umschlossen. In dem Innenraum kann das gal- vanische Element angeordnet sein, wobei es sich beispielsweise um ein Lithiumionenelement handeln kann. Das Batteriezellen- gehäuse kann die Aufnahmevorrichtung aufweisen, wodurch ein von einem Außenraum des Batteriezellengehäuses in den Innenraum der Batteriezelle ragendes Volumen bereitgestellt ist. Das Kli- matisierungselement kann beispielsweise ein Material aufweisen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/(m-K) aufweisen kann. Zumindest ein Teilbereich des Klimatisierungselements kann in der Aufnahmevorrichtung angeordnet sein, also z.B. in dem Volumen. Es ist beispielsweise möglich, dass der Teilbereich des Klimatisierungselements in der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist und ein übriger Teil des Klimatisierungselements aus dem Batteriezellengehäuse hinausragt.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement in der Aufnahmevorrichtung zumindest be- reichsweise, insbesondere allseitig, an dem galvanischen Element anliegt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Kli- matisierungselement und das galvanisches Element in der Auf- nahmevorrichtung eine gemeinsame Kontaktfläche bilden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in einem Inneren einer Batte- riezelle ein direkter Wärmeaustausch ermöglicht wird. Es ist beispielsweise möglich, dass die Aufnahmevorrichtung von dem galvanischen Element umschlossen ist und das Klimatisie- rungselement und das galvanisches Element entlang zumindest eines Bereichs der Oberfläche der Aufnahmevorrichtung eine gemeinsame Grenzfläche bilden.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der in der Aufnahmevorrichtung angeordnete Teilbereich des Klimatisie- rungselements stabförmig ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist das Klimatisierungselement zumindest innerhalb der Aufnahmevorrichtung die Form eines Stabs oder Zylinders oder Rohrs oder Quaders auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine einfache Einbringung des Klimatisierungselements in die Auf- nahmevorrichtung z.B. durch Strecken ermöglicht wird. Es ist beispielsweise möglich, dass das Klimatisierungselement einen Teilbereich aufweist, welcher beispielsweise eine Form eines Quaders oder eines Zylinders aufweist, welcher formschlüssig in der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnah- mevorrichtung in dem Batteriezellengehäuse eine Einführungs- öffnung und eine Austrittsöffnung aufweist, wobei das Klima- tisierungselement aus der Einführungsöffnung und/oder der Austrittsöffnung herausragt. Mit anderen Worten ist das Kli- matisierungselement als Körper ausgebildet, welcher insbe- sondere über die Austrittsöffnung und die Eintrittsöffnung mit einem Bereich außerhalb des Batteriezellengehäuses verbunden ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Klimatisie- rungselement an zwei Enden thermisch kontaktiert werden kann. Es ist beispielsweise möglich, dass die Aufnahmevorrichtung ein in dem Innenraum angeordnetes zylindrisches Volumen bereitstellen kann, wobei eine der beiden Grundflächen des Zylinders die Einführungsöffnung und die andere und Fläche des Zylinders die Austrittsöffnung darstellt. Das Klimatisierungselement kann formschlüssig in der Aufnahmevorrichtung angeordnet sein, wobei das Klimatisierungselement aus der Einführungsöffnung und/oder der Austrittsöffnung herausragt. Das Klimatisierungselement kann somit ein Zylinder sein, welcher eine gleiche Grundfläche aufweist wie die Aufnahmevorrichtung, jedoch eine größere Länge aufweist.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement zumindest einen Kanal zum Durchleiten eines Wärmeträgers aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Klimatisierungselement zumindest den einen Kanal aufweist, welcher der Art eingerichtet ist, dass ein Wärmeträger, also ein Kühl- und/oder ein Heizmittel, durch den Kanal geleitet werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Wärmeableitung und/oder eine Wärmezuleitung in den Innenraum einer Batte- riezelle mittels des Wärmeträgers ermöglicht ist. Der Kanal kann beispielsweise eine Leitung darstellen, welche eine Einlei- tungsöffnung und eine Ausleitungsöffnung für den Wärmeträger aufweisen kann. Der Wärmeträger kann beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Das Durchleiten des Wärmeträgers er- möglicht es, dass beispielsweise Wärme, welche von dem gal- vanischen Element in das Klimatisierungselement eindringt, von dem Wärmeträger aufgenommen und aus dem Innenraum und dem Klimatisierungselement ausgeleitet wird.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement zumindest einen endseitig geschlossenen Kanal zum Einbringen eines Wärmeträgers aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Klimatisierungselement zumindest einen Kanal aufweist, welcher nur eine gemeinsame Öffnung zur Wärmeträgerzuleitung und Wärmeträgerableitung aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Klimatisierungselement als Teil eines Wärmerohrs bzw. einer Heatpipe verwendet werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Kanal mit dem Wärmeträger gefüllt ist, der beispielsweise an einem Innenmantel des Kanals kon- densiert und aufgrund der Gravitation oder dem Kapillareffekt aus dem Kanal geführt wird. Zur Verstärkung des Kapillareffekts kann der Kanal ein Drahtgeflecht oder eine Kapillarstruktur auf- weisen. Die Öffnung kann ein Gewinde zum Anschluss eines Wärmerohrs aufweisen, in welchem der Wärmeträger in einen anderen Aggregatzustand überführt wird.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement zumindest außerhalb der Aufnahmevorrichtung eine elektrische Isolierschicht und/oder eine Isolierhülle aufweist. Mit anderen Worten ist das Klimatisierungselement zumindest außerhalb der Aufnahmevorrichtung mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet und/oder durch eine Iso- lierhülle abgedeckt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass kein Strom durch das Klima- tisierungselement geleitet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Klimatisierungselement das Batte- riezellengehäuse im Bereich eines elektrischen Anschlusspols verlässt. Durch die Isolierschicht kann in diesem Fall ein Kurzschluss verhindert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Klimatisierungselement außerhalb der Aufnahmevorrichtung von einem flüssigen Wärmeträger umflossen ist. Die Isolierung kann beispielsweise eine Keramik- oder Kunststoffkappe oder eine Lackschicht oder Folie sein. Bevorzugterweise weist die Iso- lierschicht oder Isolierhülle ein Material auf, welches eine Korrosion des Klimatisierungselements unterbindet. Aufgrund der elektrischen Isolierung ist es somit nicht erforderlich, eine elektrisch isolierende Flüssigkeit als Wärmeträger zu wählen.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement einen Heizdraht aufweist. Mit anderen Worten umfasst das Klimatisierungselement einen Draht, welcher mittels eines Heizstroms erhitzt werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Wärmezufuhr in die Batteriezelle ohne Verwendung eines Wärmeträgers ermöglicht werden kann. Es kann beispielsweise sein, dass das Klimatisierungselement ein elektrisch isolierendes Material aufweist, in welchem ein Kupferdraht angeordnet ist.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Klima- tisierungselement Kupfer aufweist. Mit anderen Worten besteht das Klimatisierungselement ganz oder zumindest teilweise aus Kupfer. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Klimati- sierungselement eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es kann zusätzlich oder alternativ dazu Aluminium und/oder Silber vorgesehen sein.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ener- giespeichervorrichtung eine Haltevorrichtung aufweist, welche eine zu einem aus dem Batteriezellengehäuse ragenden Volumen des Klimatisierungselements formschlüssige Aufnahmefassung auf- weist. Mit anderen Worten umfasst die Energiespeichervorrichtung eine von der Batteriezelle verschiedene Haltevorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein aus dem Batteriezellengehäuse ra- gendes Volumen des Klimatisierungselements formschlüssig in einer Aufnahmefassung aufzunehmen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Klimatisierungselement auch zur Anordnung der Batteriezelle in der Energiespeichervorrichtung verwendet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung eine Wandung aufweist, in welcher sich eine Führung befindet, in die das aus dem Batteriezel- lengehäuse ragende Volumen des Klimatisierungselements form- schlüssig eingeführt werden kann, also z.B. eingeführt werden kann.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Weiterbildungen.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung be- schrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung;
- 2 eine Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung;
- 3 eine Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung;
- 4 eine Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung.
-
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.
-
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine Energiespeichervorrichtung 1 bei der sich beispielsweise um eine Rundbatterie, insbesondere eine AAA-Batterie, handeln kann. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann eine Batteriezelle 2 aufweisen. Die Batteriezelle 2 kann ein Batteriezellengehäuse 3 aufweisen, welches einen Innenraum 4 der Batteriezelle 2 umschließt, insbesondere hermetisch abschließt. Im Innenraum 4 der Batteriezelle 2 kann ein galvanisches Element 5 angeordnet sein. Bei dem galvanischen Element 5 kann es sich beispielsweise um Alkali-Mangan oder ein Lithium-Ionen-Element handeln. Im Innenraum 4 der Batteriezelle kann eine Aufnah- mevorrichtung 6 angeordnet sein. Die Aufnahmevorrichtung 6 kann eine Einführungsöffnung 7 an einem Anschlusspol 8 der Ener- giespeichervorrichtung 1 vorsehen. An einer Austrittsöffnung 9 des Batteriezellengehäuses 3 kann die Aufnahmevorrichtung 6 aus dem Batteriezellengehäuse 3 münden. Ein Klimatisierungselement 10 kann zumindest mit einem Teilbereich in der Aufnahmevor- richtung 6 angeordnet sein. Die Aufnahmevorrichtung 6 kann z.B. eine in dem galvanischen Element 5 vorgesehene Aussparung vorsehen. Das Klimatisierungselement 10 kann zumindest außerhalb der Aufnahmevorrichtung 6 eine elektrische Isolierhülle oder Isolierschicht 11 aufweisen. Somit ist ein elektrischer Kontakt zwischen dem Anschlusspol 8 und dem Klimatisierungselement 10 verhindert. Das Klimatisierungselement 10 kann Kupfer aufweisen und/oder in dem Teilbereich stabförmig ausgebildet sein. Die Aufnahmevorrichtung 6 und der darin angeordnete Teilbereich des Klimatisierungselements 10 können die Form eines Zylinders aufweisen. Sie sind insbesondere in der Form korrespondierend oder formschlüssig. Das Klimatisierungselement 10 kann somit zumindest bereichsweise an dem galvanischen Element 5 anliegen. Beispielsweise kann eine Mantelfläche des Klimatisierungs- elements 10 in der Aufnahmevorrichtung 6 an dem galvanischen Element 5 anliegen und eine thermische Kontaktierfläche 13 bilden.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespei- chervorrichtung 1. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 kann es sich um die in 1 beschriebene Rundbatterie handeln. Das Klimatisierungselement 10 kann in dieser Ausführung ebenfalls eine Stabform aufweisen. Das Klimatisierungselement 10 kann das Batteriezellengehäuse 3 an der Einführungsöffnung 7 durchdringen und in den Innenraum 4 der Batteriezelle 2 ragen. Das Klima- tisierungselement 10 kann einen Kanal 14 aufweisen, welcher eine Einleitungsöffnung 15 und eine Ausleitungsöffnung 16 aufweisen kann. Der Kanal 14 kann derart beschaffen sein, dass ein Wärmeträger 17, wobei es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln kann, durch den Kanal 14 geleitet werden kann. Der Wärmeträger 17 kann beispielsweise in die Einleitungsöffnung 15 eingeleitet und aus der Ausleitungsöffnung 16 ausgeleitet werden.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespei- chervorrichtung 1. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 kann es sich um die in 1 beschriebene Rundbatterie handeln. Das Klimatisierungselement 10 kann in dieser Ausführung ebenfalls eine Stabform aufweisen. Das Klimatisierungselement 10 kann das Batteriezellengehäuse 3 an der Einführungsöffnung 7 durchdringen und in den Innenraum 4 der Batteriezelle 2 ragen. Das Klima- tisierungselement 10 kann einen endseitig geschlossenen Kanal 18 aufweisen, welcher eine Öffnung 19 aufweisen kann. Durch die Öffnung kann ein Wärmeträger 17 in den endseitig geschlossenen Kanal 18 eingeleitet werden. Der Wärmeträger 17 kann bei- spielsweise gasförmig eingeleitet werden und in dem in dem Klimatisierungselement 10 kondensieren. Der kondensierte Wärmeträger 17 kann danach aus der Öffnung 19 abfließen. Somit kann der Batteriezelle 2 beispielsweise Wärme zugeführt werden.
-
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespei- chervorrichtung 1. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 kann es sich um die in 1 beschriebene Rundbatterie handeln. Das Klimatisierungselement 10 kann in dieser Ausführung ebenfalls eine Stabform aufweisen. Das Klimatisierungselement 10 kann das Batteriezellengehäuse 3 an der Einführungsöffnung 7 durchdringen und in den Innenraum 4 der Batteriezelle 2 ragen. Das Klima- tisierungselement 10 kann einen Heizdraht 20 aufweisen, welcher von einem elektrisch isolierenden Material umschlossen sein kann. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Keramik handeln. Wird durch den Heizdraht ein Heizstrom geleitet, kann die ohmsche Verlustwärme zur thermischen Kontaktfläche 13 geleitet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, eine Batteriezelle auf eine Betriebstemperatur zu wärmen.
-
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Thermomanagement einer Batteriezelle ermöglicht werden kann.
