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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit zumindest einem ersten Batterieelement und einem zweiten Batterieelement und mit einer als Wärmerohr ausgebildeten Überhitzungsschutzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Kraftfahrzeugbau, insbesondere für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, insbesondere für vollelektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, ist bekannt, dass innerhalb des elektrischen Energiespeichers eine thermische Erhitzung zum Schaden des elektrischen Energiespeichers führen kann. Insbesondere kann in einem elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs eine Wärmeausbreitung stattfinden, welche dazu führen kann, dass der elektrische Energiespeicher zerstört wird beziehungsweise, dass es beispielsweise zu einem Brand im Kraftfahrzeug kommen kann. Aus diesem Grund ist aus dem Kraftfahrzeugbau bekannt, dass unterschiedliche Überhitzungsschutzmaßnahmen innerhalb des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt werden, um ein thermisches Durchgehen beziehungsweise eine Wärmeausbreitung innerhalb des elektrischen Energiespeichers zu verhindern.
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Beispielsweise offenbart die
CN 204441415 U eine Wärmeabführvorrichtung, mittels welcher ein Gehäuse und eine Vielzahl von Batteriezellen sowie Wärmerohre bereitgestellt werden, mittels welchen eine Kühlung des elektrischen Energiespeichers realisiert werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, mittels welchem ein verbesserter Überhitzungsschutz für den elektrischen Energiespeicher realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit zumindest einem ersten Batterieelement und einem zweiten Batterieelement und mit einer als Wärmerohr ausgebildeten Überhitzungsschutzeinrichtung, wobei das Wärmerohr zumindest bereichsweise zwischen den Batterieelementen angeordnet ist und wobei das Wärmerohr in einem Innenraum des Wärmerohrs zumindest ein Dochtelement zum lokalen Abführen von Wärme aufweist.
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Es ist vorgesehen, dass das Dochtelement aus Siliziumdioxid ausgebildet ist.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass ein verbesserter Schutz vor einer Überhitzung für den elektrischen Energiespeicher realisiert ist. Insbesondere ist somit das Siliziumdioxid das Dochtelement. Das Siliziumdioxid ist insbesondere vorteilhaft mit einem als Wasser ausgebildeten Kühlfluid. Das Siliziumdioxid hat eine höhere Permeabilität und einen kleineren Porenradius gegenüber den Metallen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dadurch ist ein verbesserter Hitzetransfer mittels des Siliziumdioxids ermöglicht.
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Mittels des Dochtelements kann insbesondere ein sogenannter Kapillareffekt genutzt werden. Mit anderen Worten kann mittels des Dochtelements innerhalb des Wärmerohrs entsprechend das Wasser, abgeführt werden. Insbesondere nutzt hierzu das Wärmerohr eine Wärmesenke, an welche die aufgenommene Wärme abgegeben werden kann. Mit anderen Worten wird das Wärmerohr derart ausgebildet, dass eine Verdampfung an der Hitzequelle durchgeführt werden kann, wobei diese Verdampfung wiederum mittels des Siliziumdioxids an die Hitzesenke weitergeführt wird und das Fluid an der Hitzesenke wieder zu kondensieren beginnt. Mittels des Dochtelements und des Kapillareffekts kann dann wiederum das kondensierte Fluid zur Hitzequelle transportiert werden. Dadurch ist eine Kühlung der Hitzequelle, im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere der Batterieelemente, ermöglicht. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher als Lithium-Ionen-Energiespeicher ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist als Kühlfluid Wasser im Innenraum des Wärmerohrs ausgebildet. Insbesondere hat dies den Vorteil, dass das Wasser bereits bei 100°C verdampft. Dadurch kann bereits bei geringen Temperaturen eine entsprechende Wärmeabfuhr für die Batterieelemente realisiert werden. Das Siliziumdioxid wiederum hat insbesondere eine entsprechende Permeabilität und Porengröße, so dass das Wasser vorteilhaft mittels des Kapillareffekts von der Wärmesenke zu der Wärmequelle transportiert werden kann. Ferner ist an Wasser vorteilhaft, dass es nicht toxisch und nicht entflammbar ist. Dadurch kann ein verbesserter Überhitzungsschutz für den elektrischen Energiespeicher realisiert werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das erste Batterieelement und das zweite Batterieelement jeweils als eine Einzelbatteriezelle des elektrischen Energiespeichers ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist zumindest bereichsweise das Wärmerohr zwischen einer jeweiligen Zelle des elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Somit kann bei beispielsweise einer Überhitzung einer der mittels des Wärmerohrs die Wärmeenergie abgeführt werden. Dadurch kann die andere Zelle vor einer Überhitzung geschützt werden. Somit ist ein verbesserter Betrieb des elektrischen Energiespeichers realisiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Einzelbatteriezelle als prismatische Batteriezelle und/oder als Rundzelle und/oder als Folienzelle (= Pouchzelle) ausgebildet. Insbesondere die prismatische Batteriezelle und/oder die Rundzelle und/oder die Folienzelle (= Pouchzelle) sind innerhalb eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verbaut. Durch die Nutzung des Wärmerohrs kann somit die prismatische Batteriezelle und/oder die Rundzelle und/oder die Folienzelle (= Pouchzelle) vor einer Überhitzung geschützt werden.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn das erste Batterieelement und das zweite Batterieelement jeweils als ein Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist das Wärmerohr zumindest bereichsweise zwischen einem jeweiligen Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Als Batteriemodul kann insbesondere die Vielzahl von Einzelbatteriezellen angesehen werden, welche beispielsweise in Serie zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Dadurch ist es insbesondere ermöglicht, dass bei einer Überhitzung eines der Batteriemodule ein jeweils anderes Batteriemodul vor einem thermischen Durchgehen geschützt ist.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliges Wärmerohr zwischen jeweiligen Einzelbatteriezellen des elektrischen Energiespeichers und zwischen jeweiligen Batteriemodulen des elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass sowohl eine Einzelbatteriezelle des elektrischen Energiespeichers als auch ein jeweiliges Batteriemodul vor der Überhitzung geschützt ist. Somit kann vorteilhaft der elektrische Energiespeicher vor einer Überhitzung geschützt werden.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Wärmerohr zumindest bereichsweise mit einem thermischen Pad des elektrischen Energiespeichers kontaktiert ist. Ein thermisches Pad ist insbesondere ebenfalls ein wärmeleitfähiges Material, welches zum Kühlen genutzt werden kann. Insbesondere kann dann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr zumindest bereichsweise mit dem thermischen Pad kontaktiert ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass beispielsweise die Wärme des thermischen Pads mittels des Wärmerohrs abgeführt werden kann. Dadurch ist eine nochmals verbesserte thermische Abfuhr der Wärme ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist das Wärmerohr zumindest bereichsweise mit einem elektrischen Verbindungselement, welches zum elektrischen Verbinden des ersten Batterieelements mit dem zweiten Batterieelement ausgebildet ist, kontaktiert. Bei dem Verbindungselement kann es sich insbesondere um eine sogenannte Bus-Bar handeln. Insbesondere ist eine sogenannte Bus-Bar zwischen den jeweiligen Batteriezellen angeordnet. Diese dient insbesondere zum elektrischen Kontaktieren der jeweiligen Batteriezelle. Insbesondere kann dieses Verbindungselement ebenfalls überhitzen. Es ist somit vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Wärmerohr insbesondere auch das Verbindungselement zumindest bereichsweise kontaktiert. Insbesondere kann ein separates Wärmerohr an dem Verbindungselement angeordnet werden. Dadurch ist der Wärmeübergang von der einen Batteriezelle zu einer anderen Batteriezelle verhindert. Dadurch kann der elektrische Energiespeicher verbessert vor einer Überhitzung geschützt werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der elektrische Energiespeicher für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug vollelektrisch angetrieben sein. Dadurch ist es ermöglicht, dass beispielsweise für im Straßenverkehr befindliche elektrische Fahrzeuge der elektrische Energiespeicher verbessert vor einer Überhitzung geschützt ist. Dadurch kann die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der elektrische Energiespeicher als stationärer Energiespeicher, insbesondere als elektrischer Energiespeicher eines lokalen Energienetzes, ausgebildet ist. Bei einem lokalen Energienetz handelt es sich insbesondere um ein sehr kleines Energienetz mit entsprechenden einzelnen Verbrauchern, Energieerzeugern und insbesondere einem Energiespeicher. Beispielsweise kann ein Stadtviertel als lokales Energienetz bezeichnet werden. Hierzu können dann beispielsweise Photovoltaikanlagen als Energieerzeuger wirken und elektrische Energie innerhalb dieses lokalen Energienetzes, insbesondere in dem elektrischen Energiespeicher, abspeichern, und der elektrische Energiespeicher kann dann wiederum für das lokale Energienetz die abgespeicherte elektrische Energie freigeben. Als elektrische Verbraucher können beispielsweise Einzelhaushalte angesehenen werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass auch für das lokale Energienetz verbessert ein elektrischer Energiespeicher vor einer Überhitzung geschützt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist das Wärmerohr zumindest bereichsweise mit einem thermischen Phasenumwandlungsmaterial des elektrischen Energiespeichers kontaktiert. Insbesondere dient das thermische Phasenumwandlungsmaterial bereits zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers. Beim thermischen Phasenumwandlungsmaterial wird zur Phasenumwandlung, beispielsweise von fest zu flüssig, bereits thermische Energie benötigt. Diese thermische Energie wird dadurch dem elektrischen Energiespeicher entzogen, wodurch es bereits zu einer Kühlung kommt. Insbesondere kann nun vorgesehen sein, dass das Wärmerohr ebenfalls mit dem Phasenumwandlungsmaterial zumindest bereichsweise verbunden ist, so dass zusätzlich mittels des Wärmerohrs bereits thermische Energie abgeführt werden kann. Somit kann insbesondere eine doppelte Kühlung durchgeführt werden. Dadurch kann verbessert der elektrische Energiespeicher vor einer Überhitzung geschützt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt dabei die einzige Figur (Fig.) eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers.
- In der Fig. sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10. Der elektrische Energiespeicher 10 kann beispielsweise als elektrischer Energiespeicher 10 für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes, nicht gezeigtes Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher 10 als stationärer Energiespeicher, insbesondere als elektrischer Energiespeicher 10 eines lokalen Energienetzes, ausgebildet sein.
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Der elektrische Energiespeicher 10 weist zumindest ein erstes Batterieelement 12 sowie ein zweites Batterieelement 14 auf. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 10 eine als Wärmerohr 16 ausgebildete Überhitzungsschutzeinrichtung 18 auf. Das Wärmerohr 16 weist in einem Innenraum 20 zumindest ein Dochtelement 22 zum lokalen Abführen von Wärme auf, wobei mittels des Dochtelements 22 insbesondere das flüssige Wasser transportiert werden kann.
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Es ist vorgesehen, dass das Dochtelement 22 als Siliziumdioxid 24 ausgebildet ist.
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Ferner zeigt die Fig. insbesondere, dass das Wärmerohr 16 ein Gehäuse 26 aufweisen kann. Das Gehäuse 26 umgibt insbesondere das Wärmerohr 16.
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Ferner zeigt die Fig. insbesondere, dass als Kühlfluid Wasser 28 im Innenraum 20 des Wärmerohrs 16 ausgebildet ist.
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Insbesondere ist es dadurch, dass das Siliziumdioxid 24 im Vergleich zu anderen bekannten Dochtmaterialien eine hohe Permeabilität und einen geringen effektiven Porenradius aufweist, möglich, eine verbesserte Wärmeabfuhr durchzuführen.
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Insbesondere ist im folgenden Ausführungsbeispiel gezeigt, dass beispielsweise das erste Batterieelement 12 Hitze entwickelt. Um nun das zweite Batterieelement 14 vor dieser Überhitzung zu schützen, ist das Wärmerohr 16 zwischen den Batterieelementen 12, 14 angeordnet. Das erste Batterieelement 12 gibt nun Hitze an das Wasser 28 ab. Insbesondere verdampft das Wasser 28 an der Stelle der Hitzeeinwirkung. Dies ist insbesondere durch den Pfeil 30 dargestellt. Aufgrund des Kapillareffekts 32 wird nun das Wasser innerhalb des Wärmerohrs 16 bewegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann beispielsweise als Hitzesenke ein Energiespeichergehäuse 34 angesehen werden. Das Wärmerohr 16 berührt zumindest bereichsweise das Energiespeichergehäuse 34 und kann dadurch Wärme an das Energiespeichergehäuse 34 abgeben. Das verdampfte Wasser 28 kondensiert wiederum an der Hitzesenke, was insbesondere durch den Pfeil 36 dargestellt ist. Aufgrund des Kapillareffekts 32 wird dann wiederum das kondensierte Wasser zurück zur Hitzequelle, mit anderen Worten zu dem ersten Batterieelement 12, geführt.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das erste Batterieelement 12 und das zweite Batterieelement 14 jeweils als eine Einzelbatteriezelle des elektrischen Energiespeichers 10 ausgebildet sind. Die Einzelbatteriezelle kann insbesondere als prismatische Batteriezelle und/oder als Rundzelle und/oder als Folienzelle (= Pouchzelle) ausgebildet sein.
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Alternativ oder ergänzend können das erste Batterieelement 12 und das zweite Batterieelement 14 jeweils als ein Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers 10 ausgebildet sein.
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Ferner zeigt die Fig., dass das Wärmerohr 16 zumindest bereichsweise mit einem thermischen Pad 38 des elektrischen Energiespeichers 10 kontaktiert sein kann. Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem ersten Batterieelement 12 und dem Wärmerohr 16 das thermische Pad 38 ausgebildet. Mittels des thermischen Pads 38 kann insbesondere verbessert Wärme von dem ersten Batterieelement 12 abgeführt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr 16 zumindest bereichsweise mit einem thermischen Phasenumwandlungsmaterial 40 des elektrischen Energiespeichers 10 kontaktiert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere zwischen dem zweiten Batterieelement 14 und dem Wärmerohr 16 das thermische Phasenumwandlungsmaterial 40 angeordnet.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr 16 zumindest bereichsweise mit einem elektrischen Verbindungselement 42 des elektrischen Energiespeichers 10, welches zum elektrischen Verbinden des ersten Batterieelements 12 mit dem zweiten Batterieelement 14 ausgebildet ist, kontaktiert ist. Insbesondere kann das Verbindungselement 42 auch als Bus-Bar bezeichnet werden. Insbesondere kann es dadurch auch ermöglicht sein, dass das elektrische Verbindungselement 42 mittels des Wärmerohrs 16 vor einer Überhitzung geschützt werden kann.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher 10 eine Vielzahl von Wärmerohren 16 aufweist, welche an unterschiedlichen Orten innerhalb des elektrischen Energiespeichers 10 angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein erstes Wärmerohr 16 zwischen Einzelbatteriezellen ausgebildet sein. Ein zweites Wärmerohr 16 kann zwischen Batteriemodulen angeordnet sein und ein drittes Wärmerohr kann beispielsweise an dem Verbindungselement 42 angeordnet sein.
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Insgesamt zeigt die Erfindung eine Wärmerohrkühlung mit Siliziumdioxid als Dochtelement 22 für Batteriezellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- erstes Batterieelement
- 14
- zweites Batterieelement
- 16
- Wärmerohr
- 18
- Überhitzungsschutzeinrichtung
- 20
- Innenraum
- 22
- Dochtelement
- 24
- Siliziumdioxid
- 26
- Gehäuse
- 28
- Wasser
- 30
- Pfeil
- 32
- Kapillareffekt
- 34
- Energiespeichergehäuse
- 36
- Pfeil
- 38
- thermisches Pad
- 40
- thermisches Phasenumwandlungsmaterial
- 42
- Verbindungselement
- 44
- Kraftfahrzeug
- 46
- lokales Energienetz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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