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Die Erfindung betrifft einen Batteriepack und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriepacks. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Batteriepacks bekannt. Diese werden zum Beispiel als Energiequelle eines elektrisch betriebenen Fahrrads, Rollers, Elektromobils usw. verwendet. Für solche Batteriepacks besteht zum einen die Anforderung, dass in dem Batteriepack möglichst viel Energie mitgeführt werden kann, zum anderen muss die Energie beispielsweise beim bergauf fahren schnell ausgegeben, oder beim Schnellladen schnell aufgenommen werden können. Die Akkumulatoren des Batteriepacks besitzen jeweils einen Innenwiderstand, der bei Abruf hoher Leistung einen Spannungsabfall über diesen Innenwiderstand bewirkt. Das Produkt aus dem abgegebenen Strom und der über dem Innenwiderstand abfallende Spannung entspricht der Leistung, die in Wärme umgewandelt wird. Durch höhere Wärme wird der Innenwiderstand größer, wo durch sich auch die Wärmeentwicklung erhöht. Zudem hat eine höhere Temperatur den Nachteil, dass die Akkumulatoren beschädigt werden können, was ihre Lebensdauer verringert. Es besteht somit der Bedarf, die Akkumulatoren zu kühlen.
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Die
FR 2 991 106 A1 beschreibt ein Batteriemodul, in dem die Zellen mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit, die zwischen den Zellen zirkuliert, gekühlt werden. Eine Flüssigkeitskühlung braucht aber viel Platz an dem Fahrrad und erhöht das Gewicht. Bei anderen Batteriemodulen, wie zum Beispiel in der
WO 2017 / 220 514 A1 beschrieben, werden die Akkumulatoren in ein Gehäuse gesteckt, bei dem zwischen den Zellen Wärmeleit-Erhebungen vorgesehen sind. Die Batteriezellenanordnung der
DE 10 2006 059 989 A1 weist mehrere Bündel aus Batterien und Kühlelementen auf, die mit Spannbändern durch Pressen zusammengehalten werden. Gemäß der
DE 10 2016 206 463 A1 erheben sich aus einer Grundplatte Kühlelemente, zwischen denen Batterien untergebracht sind. In der
DE 10 2017 203 250 A1 ist ein Batteriepack gezeigt, dessen Gehäuse einen Kunststoff mit einem Additiv enthält, das eine größere Wärmeleitfähigkeit als der Kunststoff aufweist. Die
DE 10 2017 202 890 A1 offenbart eine Batteriezellenanordnung mit einem Flügelrad, das Luft im Gehäuse zirkulieren lässt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Batteriepack bereitzustellen, bei dem die Wärmeleitung gegenüber bisherigen Lösungen verbessert wird, wobei das Gewicht und die Abmessungen begrenzt sind. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Batteriepack bereitgestellt, der insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrrad geeignet ist, um in ihm Antriebsenergie zu speichern. Der Batteriepack enthält eine Vielzahl von zylindrischen, ersten Akkumulatoren, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Vielzahl, sich in Längsrichtung erstreckender, erster Wärmeleitstangen zwischen den Akkumulatoren zum Ableiten der Wärme von den zylindrischen ersten Akkumulatoren. Die ersten Akkumulatoren und die ersten Wärmeleitstangen sind lose nebeneinander als Bündel angeordnet und werden durch einen Befestigungsring, das Bündel umfasst, durch Pressen zusammengehalten. Durch das Pressen wird sichergestellt, dass möglichst wenige Zwischenräume zwischen den Wärmeleitstangen und Akkumulatoren verbleiben. Damit verringert sich der thermische Widerstand zwischen den Akkumulatoren und den Wärmeleitstangen.
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Falls der Befestigungsring als ein Schrumpfschlauch ausgebildet ist, wird das Bündel gleichmäßig von außen zusammengedrückt, so dass der Druck an verschieden Orten innerhalb des Bündels jeweils möglichst gleich groß ist.
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In Ausführungsformen weisen die Wärmeleitstangen jeweils an mindestens einem ersten Ende einen Stift auf, dessen Umfang geringer als der kleinste Durchmesser der Wärmeleitstange ist. Mit Hilfe dieses Stiftes können beispielsweise mehrere Wärmeleitstangen in Längsrichtung miteinander gekoppelt werden oder an einem Deckel befestigt werden.
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Im ersten Fall weisen die Wärmeleitstangen vorzugsweise jeweils an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, eine Aussparung auf.
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Wenn der Stift 6 und die Aussparung 7 so ausgebildet sind, dass ein Stift 6 eine Form hat, die formschlüssig in die Aussparung 7 passt, kann damit eine mechanische Verbindung hergestellt werden. Zusätzlich und alternativ ist es auch möglich, dass eine weitere mechanische Verbindung zwischen in Längsrichtung angeordneten Wärmeleitstangen vorgesehen ist.
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Besonders geeignet sind Wärmeleitstangen aus Aluminium, weil Aluminium ein leichtes Metall ist, dessen Wärmeleitfähigkeit aber auch so groß ist, dass es die Wärme gut ableiten kann.
Wenn die Wärmeleitstangen Strangpresselemente sind, können diese kostengünstig hergestellt werden und ihre Abmessungen variieren wenig.
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Mit einem ersten Deckel, der ein Ende eines Bündel abschließt und mit dem die Wärmeleitstangen in thermischem Kontakt sind, kann die Wärme aus dem Batteriepack nach außen weiter abgeleitet werden.
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Vorzugsweise enthält der Deckel Aussparungen zum Aufnehmen der Stifte der Wärmeleitstangen, damit der Deckel örtlich an den Wärmeleitstangen fixiert werden kann.
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Wenn der Deckel aus Aluminium ist und Kühlrippen aufweist, ist eine gute Wärmeleitung gegeben und die Wärme kann nach außen abgegeben werden, womit sich die Temperaturen in den Zellen der Akkumulatoren verringern.
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Ein zweiter Deckel zum Anschließen des Bündels an einem zweiten Ende kann ebenfalls zum Ableiten der Wärme verwendet werden.
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Wenn der Akkumulator viel Energie speichern soll, kann ein weiteres Bündel aus einer Vielzahl von Akkumulatoren und einer Vielzahl von Wärmeleitstangen vorgesehen werden, wobei das weitere Bündel durch den Befestigungsring, das auch das erste Bündel hält, oder einen weiteren Befestigungsring durch Pressen zusammengehalten wird.
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Durch Stifte der Wärmeleitstangen des Bündels, die in Aussparungen der Wärmeleitstangen des weiteren Bündels stecken, können mehrere Bündel in Längsrichtung hintereinander angebracht werden, womit die Wärmeleitstangen unterschiedlicher Bündel miteinander nicht nur mechanisch, sondern auch thermisch miteinander gekoppelt sind.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen
- 1 einen Batteriepack gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Draufsicht;
- 2 den Batteriepack in einem Querschnitt;
- 3 einen Wärmeleitstift aus einem Batteriepack;
- 4 verdeutlicht die Reihenfolge der Arbeitsschritte während des Zusammenbaus eines Batteriepacks.
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1 zeigt einen Batteriepack 1, der mehrere zylindrische Akkumulatoren 2 enthält, in einer Draufsicht, so dass die Pluspole 13 in dieser Draufsicht sichtbar sind. Die Pluspole 13 der Akkumulatoren 2 sind durch metallene Verbindungsbrücken 10 mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Ebensolche Verbindungsbrücken gibt es auf der, in der 1 nicht gezeigten, Unterseite, wodurch auch die Minuspole der Akkumulatoren 2 miteinander elektrisch parallel und mechanisch verbunden sind. Zwischen den Akkumulatoren 2 befinden sich Wärmeleitstangen 3 die konvexe Rundungen aufweisen, in die sich die konkaven Rundungen der Akkumulatoren 2 anschmiegen. Nicht gezeigt in 1 ist ein Schrumpfschlauch, der die Gesamtheit von Akkumulatoren 2 und Wärmeleitstangen 3 umfasst und diese dabei aneinander presst.
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2 zeigt den Batteriepack 1 in einem Querschnitt. Gezeigt sind hier jeweils auch die Akkumulatoren 2 und die Wärmeleitstangen 3. Die Akkumulatoren 2 und die Wärmeleitstangen 3 erstrecken sich jeweils in Längsrichtung und sind in Bezug auf ihre Längsrichtung parallel zueinander angeordnet. Die jeweils parallel angeordneten Akkumulatoren 2 und Wärmeleitstangen 3 werden als ein Bündel bezeichnet. In der vorliegenden 2 sind ein oberes Bündel 22 und ein unteres Bündel 23 gezeigt. Ein Schrumpfschlauch 9 ist außen um die Bündel von Akkumulatoren 2 und Wärmeleitstangen 3 gelegt. Dieser Schrumpfschlauch 9 presst von außen die Komponenten, das heißt die Akkumulatoren 2 und die Wärmeleitstangen 3, des Bündels zusammen. Zwischen den Akkumulatoren und den Wärmeleitstangen 3 ist ein KAPTON Polyimid Band vorgesehen, dass eine isolierende Wirkung hat und das die Wärmeleitstangen und die Akkuzellen elektrisch voneinander isoliert bei optimaler thermischer Kopplung.
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Die Größenverhältnisse in 2 sind zur besseren Darstellung nicht unbedingt maßstabgetreu. Die Akkumulatoren 2 haben in einem Beispiel 18 mm Durchmesser, und die Wärmeleitstangen 3 circa 8 mm Kantenlänge. In einer bevorzugten Ausführungsform ist kein Luftspalt zwischen Akkumulatoren 2 und Wärmeleitstangen 3 wie in der Skizzen, sondern isolierendes KAPTON Band ohne Luftspalt vorgesehen.
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Die Ausführungsform der 2 enthält nur einen Schrumpfschlauch 9. In hier nicht gezeigten, alternativen Ausführungsformen können auch zwei Schrumpfschläuche verwendet werden, einer für das obere Bündel 22 aus Akkumulatoren und Wärmeleitstangen und einer für das untere Bündel 23 aus Akkumulatoren 2 und Wärmeleitstangen 3.
Die Wärmeleitstangen 3 weisen an einem Ende, in der 2 oben gezeigt, einen Stift 6 auf, deren Durchmesser kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Wärmeleitstange 3. An ihrem gegenüberliegenden Ende enthält der Wärmeleitstange eine Aussparung 7.
Die Wärmeleitstangen bilden eine standardisierte skalierbare Wärmeleitstangen-Struktur, die in X-, Y- und Z-Richtung skaliert. Das heißt, sie ist beliebig aneinander reihbar und somit für jede Größe, Auslegung und Anwendungsfall von Batteriepacks geeignet.
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Der Batteriepack 1 enthält ferner einen oberen Deckel 4 und einen unteren Deckel 5. Oberer Deckel 4 und unterer Deckel 5 weisen jeweils Kühlrippen 8 auf. Der obere Deckel 4 weist zudem eine Aussparung 7 auf, in die der Stift 6 der Wärmeleitstange 3 des oberen Bündels 22 hineingesteckt ist. In die Aussparung 7 des Wärmeleitstift 3 des oberen Bündels 22 ist der Stift 6 der Wärmeleitstange 3 des unteren Bündels 23 gesteckt, während ein Stift 6 des unteren Deckels 5 in die Aussparung 7 dieser Wärmeleitstange 3 gesteckt ist. Durch diese Verbindung, die möglichst passgenau ist, werden unterer Deckel 5, die Wärmeleitstangen 3 und der obere Deckel 4 miteinander thermisch verbunden. Wärme, die in den Akkumulatoren 2 entsteht, wird über die Wärmeleitstangen 3 nach außen zu den Deckeln 4 und 5 und dort zu den Kühlrippen 8 gebracht. Die Kühlrippen 8 strahlen die Wärme ab, so dass sich die Temperatur in dem Inneren der Akkumulatoren 2 des Batteriepack 1 verringert. Geringere Temperatur führt zu einem geringeren Innenwiderstand der Akkumulatoren, was die Verlustleistung reduziert und damit die für den Antrieb entnehmbare Energie erhöht. Zum anderen sinkt bei geringerer Temperatur das Risiko von Schädigungen der Akkumulatorzellen.
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Die Wärmeleitstangen 3 und auch die Deckel 4 sind vorzugsweise Aluminiumstrangpressteile, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und zudem mit relativ geringen Herstellungskosten hergestellt werden können.
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In der 2 sind zur besseren Darstellung Abstände zwischen dem Schrumpfschlauch 9, den Akkumulatoren 2 und den Wärmeleitstäben 3 gezeigt. In montiertem Zustand bestehen diese Abstände nicht. Die Elemente sind zusammengepresst, so dass Wärmeleitung zwischen diesen Elementen möglichst gut ist.
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Die Pluspole 13 beziehungsweise die Minuspole 14 der Akkumulatoren 2 der gleichen Bündel sind miteinander über Verbindungsbrücken 10 miteinander elektrisch verbunden, ohne die Wärmeleitstäbe zu berühren. Diese Verbindungsbrücken 10 sind beispielsweise aus Hiluminband oder Kupferband und verbinden die Akkumulatorzellen über Punkt- oder Laserschweißverfahren. Wo erforderlich, ist zwischen den Verbindungsbrücken 10 und beispielsweise dem oberen Deckel 4 eine Isolierung auf der Unterseite 12 des oberen Deckels 4 vorgesehen.
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3 zeigt eine Wärmeleitstange 3 in der Seitenansicht. Diese ist 68 mm hoch und hat eine Grundfläche, die 4 Ecken aufweist. Diese Ecken sind wie die Ecken eines Quadrats zueinander beanstandet, wobei dieses Quadrat circa 18,5 mm mal 18,5 mm groß wäre. Die Grundfläche ist allerdings kein Quadrat, sondern weist Einbuchtungen zwischen den Eckpunkten auf, so dass sich die zylinderförmigen Akkumulatoren 2 in die Einbuchtungen anschmiegen können. An der Oberseite der Wärmeleitstange 3 befindet sich mittig in der Grundfläche ein Stift 6, der eine zylindrische Form mit einem Radius von 1,5 mm hat. An ihrer Unterseite weist die Wärmeleitstange 3 eine entsprechende Aussparung 7 auf.
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4 zeigt in der Draufsicht das Muster eines Batteriepacks von oben, wobei mit kleinen Buchstaben angezeigt ist, in welcher Reihenfolge die Komponenten des Batteriepacks während der Montage montiert werden. Zunächst wird im Schritt a eine Wärmeleitstange platziert, neben der vier sich angrenzende Akkumulatoren in einem Schritt b platziert werden. In einem Schritt c werden weitere Wärmeleitstangen vorgesehen, während im Schritt d wieder entsprechend benachbarte Akkumulatoren platziert werden. So werden nach und nach Akkumulatoren und Wärmeleitstangen nebeneinander angebracht, bis die richtige Anzahl von Komponenten vorhanden ist. Dieses Bündel wird in der Fertigung provisorisch fixiert. Dann werden die Verbindungsbrücken 10 angebracht, indem die Pluspole und die Minuspole der Akkumulatoren 2 jeweils miteinander verbunden werden, womit die Zellen parallelgeschaltet sind. Durch die Aussparungen an den Wärmeleitstäben ist sichergestellt, dass die Verbindungsbrücken nicht die Wärmeleitstangen berühren. Anschließend werden weitere Bündel auf die gleiche Weise zusammengefügt und anschließend diese vertikalen „Ebenen“ ineinandergesteckt. Am Ende wird der so entstandene Batteriepack von einem Schrumpfschlauch umfasst. Dieser wird erwärmt, wodurch er sich zusammenzieht und das Bündel zusammenpresst.
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Die Wärmeleitstangen verleihen dem Batteriepack bereits eine gute mechanische Stabilität. Durch das Einschweißen des Batteriepacks mit dem Schrumpfschlauch werden die Zellen aneinander gepresst und gewähren so eine gute Wärmekopplung durch die Wärmeleitstangen. Der Zellenbecher ist üblicherweise auf dem Potential des Minuspols des Akkumulators. Um deshalb eine weitere elektrische Isolation über den bereits vorhandenen Isolierschlauch der Batteriezellen zu erreichen, wird auf allen vier, die Batteriezellen berührenden „Außenflächen“ des Wärmeleitstabs ein Kapton-Band angebracht, das optimale elektrische Isolation und gleichzeitig gute wärmeleitende Eigenschaften, also thermische Kopplung aufweist.
Die Deckel, auch Kopf-und Fußplatte genannt, dienen der Wärmeabfuhr und sind aus massivem Aluminium. In einer Ausführungsform sind die Deckel schwarz eloxiert und werden direkt mit den Wärmeleitstangen verschraubt.
Anders als die Wärmeleitstangen sind diese Kopf- und Fußplatten für einzelne Batteriepacks passend zu fertigen. Diese Deckel können zum Beispiel in den Standardmaßen für jeweils 2 × 2 Zellen oder für 2 × 4 oder 1 × 4 Zellen pro Bündel nebeneinander angeboten werden. Durch eine Kombination dieser Deckel und Wärmeleitstäbe lassen sich dann beliebige Akkugrößen durch Vervielfachung in X , Y- und Z-Richtung zusammenbauen und montieren.
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Durch Standardisierung der Bauform der Wärmeleitstangen kann der Preis bei hohen Stückzahlen minimiert werden. Bisher benötigte Kunststoffzellhalterungen entfallen. In einer Ausführungsform nach 5 sollen in einer zweite Variante der Wärmeleitstäbe nicht massiv ausgeführt, sondern innen hohl sein. Der Hohlraum kann entweder durch eine Bohrung entstehen oder sich aus dem Strangpressverfahren ergeben. Die Wärmeleitstäbe 3 weisen aber die gleiche äußere Form und Funktion wie oben beschrieben auf. Durch den so entstandenen vertikalen Hohlraum 20 kann zusätzlich Luft über mehrere übereinander angebrachte Wärmeleitstäbe zirkulieren. Diese Luft wird bei Erwärmung gegebenenfalls durch einen elektrischen Ventilator auf der Kopfplatte permanent durch die Akkumulatoranordnung gesaugt. Hierdurch ist die Wärmeableitung aus dem Inneren der Akkumulatoren 2 noch effektiver und der Material- und Gewichtsbedarf in den Wärmeleitstäben noch geringer.
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Der Ventilator (hier nicht gezeigt) ist mit Hilfe eines Wärmesensors, der im Akkumulatorkern vorgesehen ist, temperaturgesteuert und wird durch den Akkumulator mit Energie versorgt und durch die Steuerungselektronik im Akkumulator (dem Batterie Management System BMS) gesteuert.
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6 zeigt übereinander gestapelte Akkumulatoren 2 und übereinander gestapelte Wärmeleitstangen 3 zur besseren Darstellung nebeneinander angeordnet. Im zusammengebauten Zustand sind die Wärmeleitstangen 3 und Akkumulatoren 2 wie oben beschrieben unmittelbar benachbart.
