DE102019200814A1

DE102019200814A1 - Kühleinrichtung zur Kühlung einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, Batteriegehäuse, Batterie und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019200814A1
Application number: DE102019200814.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier; Sascha Staudenmaier; Michael Fischlschweiger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (14) zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle (24) einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühleinrichtung (14) eine Kontaktseite (14a) zur Anordnung an zumindest einer Seite (24a) der mindestens einen Batteriezelle (24) aufweist, und eine aktive Kühleinheit (16), die über einen thermischen Pfad mit der Kontaktseite (14a) gekoppelt ist. Dabei weist die Kühleinrichtung (14) mindestens ein Phasenwechselmaterial (28) auf, welches dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur Wärme zur Durchführung eines zumindest teilweisen Phasenübergangs von der Kontaktseite (14a) aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühleinrichtung eine Kontaktseite zur Anordnung an zumindest einer Seite der mindestens einen Batteriezelle aufweist, und eine aktive Kühleinheit, die über einen thermischen Pfad mit der Kontaktseite gekoppelt ist. Zur Erfindung gehören auch ein Batteriegehäuse, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühleinrichtung.
Zur Temperierung von Traktionsbatterien werden diese in den meisten Fällen ein- oder zweiseitig mittels einer mit Kanälen ausgestatteten Kühlplatte, die eine aktive Kühleinheit darstellt, in Kontakt gebracht.
Die DE 10 2017 005 593 A1 eine Hochvoltbatterievorrichtung für einen Kraftwagen mit einer Hochvoltbatterie, welche ein Aktivmaterial aufweist, welches von einer Folienanordnung umgeben ist. Die Folienanordnung umfasst dabei eine erste direkt um das Aktivmaterial umlaufende Folie, sowie eine zweite Folie, wobei sich zwischen den beiden Folien ein poröses Material befindet, mittels welchem das Kühlmedium unter Ausnutzung des Kapillareffekts durch die Poren eine besonders weitreichende Verteilung des Kühlmediums entlang des Aktivmaterials erlangt. Für das Pumpen des Kühlmediums wird keine elektrische Pumpe benötigt, sondern der Kapillareffekt für das Pumpen genutzt. Das Kühlmedium kann dabei einen Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig durch Erwärmung durchführen, wobei das gasförmige Kühlmedium durch einen in die poröse Struktur eingebrachten Kühlkanal abgeführt und in einen Kühler kondensiert und somit wieder verflüssigt werden kann.
Die EP 2 389 698 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Batterieeinheit. Dabei wird in einem bipolaren Substrat eine Vielzahl von Öffnungen gebildet, die mit einer Werkstoffbeimischung befüllt wird, die bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur des thermischen Abbaus des Substrats, einer Phasenumwandlung unterzogen wird, sodass das bielektrische Substrat bei einer Batterie-Betriebstemperatur, die niedriger ist als die Phasenumwandlungstemperatur, über einen elektrisch leitfähigen Pfad über die Werkstoffbeimischung zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche des Substrats verfügt, und bei einer Temperatur, die höher ist als die Phasenumwandlungstemperatur, die elektrisch leitfähige Werkstoffbeimischung einer Phasenumwandlung unterzogen wird, welche die elektrische Leitfähigkeit über den elektrisch leitfähigen Pfad unterbindet. Eine Möglichkeit zur Kühlung einer Batterie ist hierbei jedoch nicht beschrieben.
Eine aktive Kühlung, welche Wärme von der Batterie durch ein Kühlmedium abtransportiert, stellt bislang die effizienteste Möglichkeit zur Kühlung dar, da durch eine aktive Kühlung der Abtransport großer Wärmemengen ermöglicht wird. Allerdings ist eine Kühlung unter Verwendung eines Kühlmediums relativ träge, sodass bei einem Zuschalten einer solchen aktiven Kühlung bei erhitzten Batteriezellen, diese sich zunächst noch weiter aufheizen, bis letztendlich der Kühleffekt zum Tragen kommt. Auch Leistungsspitzen während des Betriebs, die zu einer kurzzeitigen starken Erhitzung der Batteriezellen führen, können nur schlecht mit einer solchen aktiven Kühlung selbst bei Erhöhung der Kühlleistung abgefangen werden, da es auch hier zu starken zeitlichen Verzögerungen kommt, bis die gesteigerte Kühlwirkung tatsächlich einsetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie, ein Batteriegehäuse, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche es ermöglichen, die effizienteste Kühlung einer Batteriezelle noch zu steigern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinrichtung, ein Batteriegehäuse, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug weist dabei eine Kontaktseite zur Anordnung an zumindest einer Seite der mindestens einen Batteriezelle auf, sowie eine aktive Kühleinheit, die über einen thermischen Pfad mit der Kontaktseite gekoppelt ist. Darüber hinaus weist die Kühleinrichtung mindestens ein Phasenwechselmaterial auf, welches dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur Wärme zur Durchführung eines zumindest teilweisen Phasenübergangs von der Kontaktseite aufzunehmen.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei Erreichen der Phasenwechseltemperatur des mindestens einen Phasenwechselmaterials Wärme durch das Phasenwechselmaterial von der Kontaktseite der Kühleinrichtung, die in der bestimmungsgemäßen Einbaulage mit einer Seite einer Batteriezelle in Kontakt steht, zumindest mittelbar, aufgenommen werden kann, und dies mit einer deutlich geringeren zeitlichen Verzögerung, als dies bei typischen aktiven Kühleinheiten der Fall ist. Während des Phasenübergangs wird damit eine weitere Erwärmung der Kontaktseite und damit der an dieser angeordneten mindestens einen Batteriezellen verzögert, da zusätzlich von den Batteriezellen an die Kontaktseite abgegebene Wärme durch das mindestens eine Phasenwechselmaterial vorteilhafterweise zur Durchführung des beschriebenen Phasenübergangs aufgenommen werden kann, wodurch sich die Wärme aus den Zellen noch effizienter abführen lässt. Gerade Leistungsspitzen, die in korrespondierenden Temperaturspitzen resultieren, können somit während des Betriebs besonders effizient durch das mindestens eine Phasenwechselmaterial abgefangen werden. Zusätzlich eignet sich eine solche passive Kühlung vorteilhafterweise auch für einen Notbetrieb, in welchem beispielsweise das Überschreiten einer kritischen Zelltemperatur durch dieses zusätzliche Phasenwechselmaterial verhindert beziehungsweise zumindest zeitlich verzögert werden kann, wodurch die Sicherheit eines Batteriesystems zusätzlich gesteigert werden kann. Besonders vorteilhaft ist vor allem auch die Kombination dieser durch das mindestens eine Phasenwechselmaterial bereitgestellten passiven Kühlung mit der aktiven Kühleinheit, die also zur aktiven Kühlung der Kontaktseite ein Kühlmedium, insbesondere flüssig oder gasförmig, verwenden kann. Denn einerseits lässt sich eine Batteriezelle, und insbesondere mehrere Batteriezellen, zum Beispiel für ein Batteriemodul einer Hochvoltbatterie, durch die Kombination mit einer aktiven Kühleinheit deutlich effektiver und ausreichend kühlen, und zusätzlich kann durch die aktive Kühleinheit auch eine Kühlung des mindestens einen Phasenwechselmaterials bereitgestellt werden, welches somit wieder nach einem erfolgten Phasenwechsel durch Abkühlen in seine Ursprungsphase schneller zurückgeführt werden kann. Ein besonders großer Vorteil der Kombination des Phasenwechselmaterials mit der aktiven Kühleinheit besteht jedoch darin, dass hierdurch ein deutlich energieeffizienterer Betrieb der Kühleinheit möglich ist, da eine aufwändige Nachregelung der Kühlleistung zum Abfangen von Leistungsspitzen nicht mehr oder in deutlich geringerem Ausmaß erforderlich ist, da dies nunmehr von der passiven Kühlung, welche durch das mindestens eine Phasenwechselmaterial bereitgestellt ist, übernommen wird. Ein Phasenwechselmaterial lässt sich zudem auf besonders bauraumeffiziente und kompakte Weise prinzipiell an beliebiger Stelle in Bauteile integrieren, sodass durch die Verwendung des mindestens einen Phasenwechselmaterials zudem ein besonders hohes Maß an Flexibilität in Bezug auf die Anordnung solcher passiven Kühlelemente gegeben ist. Insgesamt kann so eine deutlich effizientere Kühleinrichtung bereitgestellt werden.
Unter Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien zu verstehen, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Adsorptionswärme wesentlich größer ist als die thermische Energie, die sie aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität speichern können. Durch das Phasenwechselmaterial ist also ein Latentwärmespeicher bereitgestellt. Bei Phasenwechselmaterialien findet ein Phasenübergang statt, wenn eine bestimmte Phasenwechseltemperatur, welche insbesondere materialabhängig ist, erreicht beziehungsweise überschritten wird. Dabei muss der Phasenübergang nicht notwendigerweise vollständig durch das Phasenwechselmaterial durchgeführt werden, sondern kann beispielsweise, je nach Variation der Umgebungstemperatur, auch nur partiell erfolgen. Ein Beispiel für einen Phasenübergang wäre der Wechsel von einer festen zu einer flüssigen Phase. Das Phasenwechselmaterial verflüssigt sich also bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur zunehmend und kann währenddessen Wärme aufnehmen, die für die Durchführung dieses Phasenübergangs verwendet wird. Wird dann dem Phasenwechselmaterial während des Phasenübergangs keine Wärme mehr zugeführt oder das Phasenwechselmaterial stattdessen gekühlt, bevor dieses vollständig verflüssigt ist, so erfolgt der Phasenübergang nicht vollständig und das Phasenwechselmaterial wird wieder zunehmend fest und geht letztendlich wieder vollständig in die feste Phase über. Mit anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial solange Wärmeenergie aufnehmen, bis der Phasenübergang vollständig erfolgt ist, das heißt das Phasenwechselmaterial vollständig von einer ersten Phasen in eine zweite Phase übergegangen ist. Kühlt das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase wieder ab, so geht dieses wieder von der zweiten Phase in die erste Phase über, wobei dann entsprechend wieder Wärme frei wird.
Phasenübergänge können jedoch nicht nur zwischen verschiedenen Aggregatszuständen, wie fest, flüssig und gasförmig stattfinden, sondern auch zwischen verschiedenen festen Zuständen eines Materials, wie dies zum Beispiel bei manchen Metallen der Fall ist. Als Phasenwechselmaterialien können also im Zuge der Erfindung einerseits Materialien zum Einsatz kommen, welche bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer ersten festen Phase zu einer zweiten anderen festen Phase durchführen, sowie auch Phasenwechselmaterialien, die bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase durchführen.
Die aktive Kühleinheit kann im Prinzip auf beliebige Weise ausgestaltet sein, wobei im Allgemeinen unter einer aktiven Kühleinheit eine Kühleinheit verstanden werden kann, deren Kühlleistung aktiv steuerbar beziehungsweise regelbar ist. Eine solche aktive Kühleinheit kann zum Beispiel eine Kühlplatte oder auch Wärmetauscherrippen darstellen, welche von einem Kühlmedium zum Abtransport der Wärme angeströmt werden bzw. an welchen ein Kühlmedium vorbeiströmt. Das Kühlmedium kann zum Beispiel Luft oder auch ein Wasser-Glykol-Gemisch darstellt, oder im Allgemeinen flüssig und/oder gasförmig sein. Die aktive Kühleinheit kann aber auch in Form von Kühlkanälen bereitgestellt sein, die von einem solchen Kühlmedium durchströmbar sind. Diese Kühlkanäle können wiederum in einer Platte angeordnet sein oder auch in einem Substrat, wie dieses auch nachfolgend näher erläutert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung ein Substrat auf, in welchem sich mindestens ein Raum befindet, in welchem das mindestens eine Phasenwechselmaterial angeordnet ist. Dabei kann dieses Substrat auch mehrere solcher Räume aufweisen, in welchen jeweils ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist. Dabei können auch unterschiedliche Phasenwechselmaterialien verwendet werden, die beispielsweise Phasenwechseltemperaturen in unterschiedlichen Temperaturbereichen aufweisen, um zum Beispiel einerseits während dem normalen Kühlbetrieb Temperaturspitzen in einem typischen ersten Temperaturbereich abzufangen und andererseits, um in einem Notfall das Überschreiten einer kritischen Temperatur der Batteriezellen in einem zweiten Temperaturbereich, der deutlich höher gelegen ist als der ersten Temperaturbereich, zu verhindern oder zumindest zeitlich zu verzögern. Die Verwendung eines solchen Substrats zur Aufnahme des mindestens einen Phasenwechselmaterials in entsprechenden Räumen ist besonders gerade dann vorteilhaft, wenn es sich um ein Phasenwechselmaterial handelt, welches einen Phasenübergang beim Überschreiten der Phasenwechseltemperatur von einer festen Phase in eine flüssige Phase durchführt. Denn in einem solchen Fall können durch das Substrat abgeschlossene Räume bereitgestellt werden, in welchen das Phasenwechselmaterial angeordnet ist, sodass ein Auslaufen dieses Phasenwechselmaterials effizient verhindert wird. Im Falle der Verwendung eines Phasenwechselmaterials, welches einen Phasenwechsel von einer ersten zu einer zweiten festen Phase durchführt, muss dieses nicht notwendigerweise in abgeschlossenen Räumen eines solchen Substrats eingebettet werden. In einem solchen Fall kann das mindestens eine Phasenwechselmaterial selbst zumindest einen Teil der Kontaktseite bereitstellen. Ein solches Substrat hat jedoch noch weitere besonders große Vorteile, welche nachfolgend näher erläutert werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Substrat eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als das mindestens eine Phasenwechselmaterial. Als Phasenwechselmaterial wird vorzugsweise ein Material verwendet, welches einen Fest-Flüssig-Phasenübergang bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur zeigt. Durch einen Fest-Flüssig-Phasenübergang kann nämlich deutlich mehr Wärme aufgenommen werden, als bei typischen Fest-Fest-Phasenübergängen. Geeignete Phasenwechselmaterialien, die einen solchen Fest-Flüssig-Phasenübergang in geeigneten Temperaturbereichen zeigen, sind zum Beispiel Paraffine oder Öle. Andererseits besitzen solche Phasenwechselmaterialien jedoch, zumindest gegenüber typischen Metallen, deutlich schlechtere Wärmeleiteigenschaften. Durch die Einbettung in ein Substrat mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit kann entsprechend vorteilhafterweise eine Art Gradientenschicht bereitgestellt werden, die einerseits ab einer bestimmten Phasenwechseltemperatur die Aufnahme einer besonders großen Wärmemenge ermöglicht, sowie gleichzeitig durch das gut wärmeleitende Substrat, eine gute Wärmeabfuhr, insbesondere zur aktiven Kühleinheit. Gerade dann, wenn zum Beispiel das Phasenwechselmaterial bereichsweise zwischen der Kontaktseite und der aktiven Kühleinheit angeordnet ist, kann durch die Einbettung des mindestens einen Phasenwechselmaterials in das Substrat dennoch eine besonders effektive thermische Kopplung zwischen der Kontaktseite und der aktiven Kühleinheit bereitgestellt werden, zum Beispiel durch entsprechende durch das Substrat bereitgestellte Stege zwischen der Kontaktseite und der aktiven Kühleinheit. In einem normalen Kühlbetrieb, in welchem beispielsweise die Phasenwechseltemperatur gar nicht überschritten ist, kann durch ein solches Substrat in Kombination mit der aktiven Kühleinheit dennoch eine besonders effiziente Kühlung der Kontaktseite bereitgestellt werden, ohne dass sich die geringere Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials in irgendeiner Weise negativ auf dies Kühlungseffizienz auswirkt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das Substrat einen Schaum dar. Ein Schaum hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch deutlich verbesserte Crasheigenschaften der Kühleinrichtung bereitstellen lassen, da ein Schaum Aufprallenergie besonders effizient abfangen und dämpfen kann. Auch hier ist es bevorzugt, dass der Schaum einen Schaum darstellt, welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das mindestens eine Phasenwechselmaterial. Beispielsweise kann der Schaum einen Metallschaum darstellen, wie beispielsweise einen Aluminiumschaum, wodurch das Substrat eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Schaum kann aber auch einen Kunststoffschaum darstellen, der optional zusätzliche Additive aufweisen kann, wie beispielsweise metallische Partikel, um die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich zu steigern. Durch einen Schaum lässt sich zusätzlich Gewicht einsparen, was gerade bei Elektrofahrzeugen einen großen Vorteil bedeutet. Darüber hinaus wird gerade dann, wenn der Schaum als Kunststoffschaum mit den optionalen zusätzlichen Additiven ausgebildet ist, durch das Substrat zusätzlich ein Toleranzausgleich ermöglicht. Im Allgemein kann der Schaum also lokal elastisch deformierbar ausgebildet sein und Unebenheiten und Toleranzen zwischen der Kontaktseite und einer an dieser Kontaktseite angeordneten Seite einer Batteriezelle lassen sich damit vorteilhafterweise durch elastische Deformation des Substrats ausgleichen. Mit anderen Worten kann sich ein solcher Schaum deutlich besser an eine zu kühlende Seite einer Batteriezelle oder auch mehrerer Batteriezellen anschmiegen und angleichen, sodass hierdurch der Wärmeübertrag von einer Batteriezelle zur Kontaktseite deutlich verbessert ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kontaktseite über mehrere, durch das Substrat bereitgestellte und durch Zwischenräume beabstandete Stege mit der aktiven Kühleinheit verbunden, wobei das mindestens eine Phasenwechselmaterial in den jeweiligen Zwischenräumen zwischen den Stegen angeordnet ist. Im Allgemeinen kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial auch nur in einem oder auch mehreren Zwischenräumen zwischen zwei der mehreren Stege angeordnet ist. Eine besonders effiziente Kühlung wird jedoch bereitgestellt, wenn das Phasenwechselmaterial um die Stege in einer alternierenden Abfolge in einer Längserstreckungsrichtung der Kühleinrichtung angeordnet ist. Wie oben bereits beschrieben wird durch diese Stege, insbesondere wenn das Substrat eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Phasenwechselmaterial, eine ungehinderte Wärmeabfuhr von der Kontaktseite zur Kühleinheit ermöglicht. Damit kann die aktive Kühleinheit also beispielsweise von der Kontaktseite weiter entfernt sein als das mindestens eine Phasenwechselmaterial und dennoch thermisch an die Kontaktseite über den thermischen Pfad mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit, die durch das Substrat und die Stege, welche durch das Substrat bereitgestellt werden, bereitgestellt wird.
Die aktive Kühleinheit muss jedoch nicht notwendigerweise von der Kontaktseite weiter entfernt sein, als das mindestens eine Phasenwechselmaterial, sondern die aktive Kühleinheit und das Phasenwechselmaterial können auch in einer Ebene mit gleichem Abstand zur Kontaktseite kombiniert sein. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die aktive Kühleinheit durch Kühlkanäle bereitgestellt ist, die durch das Substrat verlaufen, wobei das mindestens eine Phasenwechselmaterial in Zwischenräumen zwischen den Kühlkanälen angeordnet ist. Es ist also eine alternierende Abfolge zwischen Kühlkanal und Phasenwechselmaterial in der oben genannten Längserstreckungsrichtung der Kühleinrichtung bereitgestellt. Das Substrat weist wiederum eine vorzugsweise besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und bindet damit sowohl das Phasenwechselmaterial als auch die Kühlkanäle auf besonders effiziente Weise an die Kontaktseite an.
Darüber hinaus gibt es auch noch vielzählige weitere Anordnungsmöglichkeiten betreffend die aktive Kühleinrichtung beziehungsweise deren Kühlkanäle und das Phasenwechselmaterials. Beispielsweise kann ein jeweiliger Kühlkanal der aktiven Kühleinheit auch eine Ummantelung aufweisen, die durch eine alternierende Abfolge von Phasenwechselmaterial und Stegen gebildet ist, wobei die Stege wiederum aus einem Material mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit sind, insbesondere mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als die des Phasenwechselmaterials. Beispielsweise können auch hier die Stege wiederum durch das oben beschriebene Substrat bereitgestellt sein.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des mindestens einen Phasenwechselmaterials zu erfassen, wobei eine Kühlleistung der aktiven Kühleinheit in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des mindestens einen Phasenwechselmaterials steuerbar ist. Auf diese Weise wird eine Steuerung der aktiven Kühleinheit in Abhängigkeit von der Temperatur und auch dem Zustand des Phasenwechselmaterials ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht einen deutlich energieeffizienteren Betrieb der aktiven Kühleinheit. Zudem wird es hierdurch ermöglicht, zu erfassen, wann die bestimmte Phasenwechseltemperatur überschritten ist beziehungsweise erreicht ist. Dann kann in entsprechender Weise die aktive Kühleinheit, zum Beispiel durch deren Aktivierung oder durch Erhöhung deren Kühlleistung, genutzt werden, um das Phasenwechselmaterial wieder in seine erste Phase zurück zu führen. Eine solche Rückführung kann durch die aktive Kühleinheit durch den Temperatursensor genau dann erfolgen, wenn dies auch erforderlich ist und eine unnötige Kühlleistung kann eingespart werden. Der Temperatursensor kann sich dabei in direktem Kontakt mit dem mindestens einen Phasenwechselmaterial befinden oder zumindest in dessen Nähe, und zum Beispiel im oben genannten Substrat angeordnet sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriegehäuse zur Aufnahme mindestens einer Batteriezelle, wobei das Batteriegehäuse eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist. Dabei stellt die Kühleinrichtung vorzugsweise mindestens eine Wand des Batteriegehäuses bereit. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise als Zellgehäuse nur einer einzelnen Batteriezelle ausgeführt sein, oder zum Beispiel auch als Modulgehäuse, welches zur Aufnahme mehrerer Batteriezellen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, ausgelegt ist. Das Batteriegehäuse kann auch zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule ausgebildet sein, wobei ein jeweiliges Batteriemodul wiederum mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise jedoch mehrere Batteriezellen, aufweist. In diesem Fall kann das Batteriegehäuse als Gehäuse einer Hochvoltbatterie ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn durch die Kühleinrichtung nicht nur eine einzige Wand eines solchen Batteriegehäuses bereitgestellt ist, sondern mehrere Wände, wie zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf oder auch alle sechs. Darüber lässt sich vorteilhafterweise eine umfassende Kühlung mindestens einer Batteriezelle bereitstellen. Ist die eine Wand des Batteriegehäuses bereitstellende Kühleinrichtung beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten einer Batteriezelle angeordnet, so können durch eine derartige beidseitige Kühlung vorteilhafterweise auch Temperaturgradienten innerhalb der Batteriezellen verhindert oder zumindest in ihrem Ausmaß deutlich reduziert werden, was die Lebensdauer von Batteriezellen deutlich erhöht. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass nur eine Wand des Batteriegehäuses eine Kombination aus der beschriebenen aktiven Kühleinheit und dem mindestens einen Phasenwechselmaterial aufweist, während in einem oder mehreren anderen Wänden des Batteriegehäuses, welche zur Anordnung an anderen Seiten der mindestens einen Batteriezelle vorgesehen sind, keine aktive Kühleinheit aufweisen, sondern zum Beispiel lediglich wiederum in ein Substrat eingebettete Phasenwechselmaterialien. Da die Phasenwechselmaterialien keine Kopplung mit einem Kühlmittelkreislauf, einer Pumpe oder ähnlichem benötigen, lassen sich solche Phasenwechselmaterialien auf besonders kompakte und flexible Weise in beliebigen Bauteilen integrieren und damit auch auf einfache Weise ohne großen Mehraufwand in anderen Seitenwänden des Batteriegehäuses unterbringen. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung und ihre Ausgestaltungen können jedoch nicht nur in einem Batteriegehäuse Anwendung finden, sondern beispielsweise auch in Form von Zwischenwänden zwischen einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodulen bereitgestellt sein, um beispielsweise so auch innerhalb eines Batteriegehäuses eine Kühlung zwischen einzelnen Zellen und/oder Modulen bereitzustellen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen, sowie auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie nach.
Die für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse, die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie mit einer Kühleinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Kühleinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Prinzipdarstellung der Funktionsweise einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 eine schematische Prinzipskizze der Funktionsweise einer Kühleinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 mit einem Batteriegehäuse 12 und einer Kühleinrichtung 14, welche in diesem Beispiel eine Wand 12a des Batteriegehäuses 12 bildet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist hierbei die Batterie 10 in einem Querschnitt dargestellt. Die Kühleinrichtung 14 weist dabei zum einen eine aktive Kühleinheit 16 auf. Diese ist in diesem Beispiel in Form von Kühlkanälen 18 ausgebildet, welche von einem Kühlmedium 20 durchströmbar sind. Das Kühlmedium 20 kann den Kühlkanälen 18 über eine geeignete Kühlmittelleitung 22 zugeführt werden. Weiterhin weist die Kühleinrichtung 14 eine Kontaktseite 14a auf, welche zur Anordnung an zumindest einer Seite 24a mindestens einer Batteriezelle 24 der Batterie 10 vorgesehen. In diesem Beispiel weist die Batterie 10 ein Batteriemodul 26 mit exemplarisch vier nebeneinander angeordneten prismatischen Batteriezellen 24 auf. Das Batteriemodul 26 umfasst jedoch vorzugsweise mehrere Batteriezellen 24, zum Beispiel 12. Die jeweiligen Batteriezellen 24 können dabei mit ihrer jeweiligen mindestens einen Seite 24a direkt an der Kontaktseite 14a der Kühleinrichtung 14 angeordnet sein oder auch über ein geeignetes Wärmeleitelement, wie zum Beispiel einem Gapfiller beziehungsweise einer Wärmeleitpaste an der Kontaktseite 14a thermisch angebunden sein.
Vorteilhafterweise weist nun die Kühleinrichtung 14 weiterhin mindestens ein Phasenwechselmaterial 28 auf. Diese Phasenwechselmaterial 28 ist dabei in einem durch ein Substrat 30 der Kühleinrichtung bereitgestellten Raum, insbesondere einem abgeschlossenen Raum 32, wie zum Beispiel einer Kapsel oder einem Kanal oder ähnlichem, angeordnet. Dabei sind vorzugsweise mehrere solcher Räume 32 innerhalb des Substrats 30 vorgesehen, in welchen jeweils ein Phasenwechselmaterial, welches das gleiche Material darstellen kann oder auch ein unterschiedliches Material sein kann, angeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 jeweils nur ein solcher Raum 32 sowie ein Phasenwechselmaterial 28 mit einem korrespondierenden Bezugszeichen versehen.
Solche Phasenwechselmaterialien 28 ermöglichen hier nun vorteilhafterweise die Bereitstellung von strukturintegrierten passiven Kühlelementen. Diese weisen in einem bestimmten Temperaturbereich, wie zum Beispiel dem Temperaturbereich des Batterie- und Kühlbetriebs, eine thermisch induzierte Phasenumwandlung auf und können dadurch von den Batteriezellen 24 erzeugte Wärme über die Kontaktseite 14a aufnehmen und über die aktive Kühleinheit 16 abführen. Solche Phasenwechselmaterialien 28, die vorzugsweise als Paraffine oder Öle bereitgestellt sind, sind somit als Kühlelemente in die Struktur des Batteriegehäuses 12 direkt integriert und charakterisieren somit einen hybriden Werkstoffaufbau des Gehäuses 12. Das Substrat 30, in welchem das Phasenwechselmaterial 28 in korrespondierenden Räumen 32 aufgenommen ist, kann gleichzeitig auch ein Substrat für die Kühlkanäle 18 bereitstellen. Mit anderen Worten können auch die Kühlkanäle 18 in dieses Substrat 30 eingebettet sein. Alternativ kann die aktive Kühleinheit 16 als eigenständige Einheit bereitgestellt sein, zum Beispiel als Kühlplatte mit integrierten Kühlkanälen 18, wobei diese Kühlplatte dann entsprechend an einer Unterseite des Substrats 30 mit den darin aufgenommenen Phasenwechselmaterialien 28 angeordnet ist.
Nichtsdestoweniger weist das Substrat 30 vorzugsweise eine gute thermische Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere eine die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Phasenwechselmaterialien 28. Das Substrat kann vorteilhafterweise zusätzlich auch in Form einer Schaumschicht bereitgestellt sein, die die Quetscheigenschaften des Batteriegehäuses 12 wesentlich verbessert und die Aufgabe der Abfuhr des von den Batteriezellen 24 erzeugten Wärmestroms übernimmt. Dieser Schaum kann dann wie beschrieben zumindest teilweise mit dem phasenumwandelnden Material 28 gefüllt sein, beispielsweise mit Eicosan. Da ein Schaum durch miteinander Verbundene oder voneinander separierte Hohlräume charakterisiert ist, können beispielswiese auch gerade diese Hohlräume zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials 28 verwendet werden. Die Befüllung der Schaumschicht mit dem Phasenwechselmaterial 28 kann auch, wie in 1 dargestellt, in Form abgeschlossener Räume 32, wie zum Beispiel Kapseln, erfolgen, welche größer sind als die durch den Schaum bereitgestellten Hohlräume und/oder Poren, und welche dann zum Beispiel örtlich so positioniert werden können, dass lokale thermische Hotspots zufolge der Wärmeentstehung in den Batteriezellen 24 optimal gekühlt werden können.
Solche Kapseln können dabei unterschiedliche Geometrien aufweisen, wie zum Beispiel in Form von Kugeln, einer Wabenstruktur, Ellipsen, würfelförmig, quaderförmig und so weiter bereitgestellt sein. Diese Kapseln können sich in der Schaumschicht innenliegend befinden oder auch an der oberen Schaumkante vollständig bis zur unteren Schaumkante erstrecken. Mit anderen Worten können die Phasenwechselmaterialien 28 auch sich direkt von der Kontaktseite 14a bis hin zur aktiven Kühleinheit 16 erstrecken.
In dem in 1 dargestellten Beispiel befinden sich die Phasenwechselmaterialien 28 dabei zwischen der Kontaktseite 14a und der aktiven Kühleinheit 16 und sind damit näher an den jeweiligen Batteriezellen 24 angeordnet, als die aktive Kühleinheit. Das Substrat 30, in welchem die Phasenwechselmaterialien 28 aufgenommen sind, bildet dabei weiterhin Stege zwischen der Kontaktseite 14a und der aktiven Kühleinheit 16, wodurch aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Substrats 30 die Wärme von der Kontaktseite 14a an die aktive Kühleinheit 16 besonders effizient abgeführt werden kann. Dies stellt also ein Beispiel für eine serielle Kombination aus passiver und aktiver Kühlung in der dargestellten z-Richtung dar.
Ein Beispiel für eine parallele Kombination aus passiver und aktiver Kühlung ist in 2 dargestellt. 2 zeigt wiederum eine Batterie 10 mit einem Batteriegehäuse 12 und exemplarisch vier Batteriezellen 24, wobei eine Seitenwand 12a des Batteriegehäuses 12 wiederum als Kühleinrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist. Auch in diesem Fall weist die Kühleinrichtung 14 wiederum eine aktive Kühleinheit 16 auf, welche in Form von Kühlkanälen 18 in einem Substrat 30 bereitgestellt ist, in welchem auch wiederum das Phasenwechselmaterial 28 aufgenommen ist. Das Phasenwechselmaterial 28 stellt wiederum eine passive Kühlung bereit, während die aktive Kühlung durch die aktive Kühleinheit 16 bereitgestellt ist. In diesem Beispiel sind nunmehr passive und aktive Kühlung parallel kombiniert, in dem die Kühlkanäle 18 und das Phasenwechselmaterial 28 in einer Längserstreckungsrichtung, welche hier in der dargestellten x-Richtung verläuft, der Kühleinrichtung 14 alternierend angeordnet sind. Das Phasenwechselmaterial 28 und die Kühlkanäle 18 weisen somit zumindest im Wesentlichen einen Abstand zu den jeweiligen Batteriezellen 24 beziehungsweise deren Unterseiten 24a auf, welche an der Kontaktseite 14a der Kühleinrichtung 14 angeordnet sind. Auch das Substrat 30 kann wie zu 1 bereits beschrieben ausgebildet sein und ist vorzugsweise als ein Schaum bereitgestellt. Das Substrat 30 kann zum Beispiel einen Metallschaum darstellen, der infolgedessen besonders gute Wärmeleiteigenschaften bereitstellt, oder auch als ein Kunststoffschaum mit optionalen zusätzlichen Additiven, um die Wärmeleitfähigkeit des Schaums zu erhöhen, wodurch sich durch einen Kunststoffschaum wieder auf besonders vorteilhafte Weise zusätzlich ein Toleranzausgleich zwischen der Kontaktseite 14a und den jeweiligen Seiten 24a aller Batteriezellen 24 bereitstellen lässt.
Die aktive Kühleinheit 16 und die Phasenwechselmaterialien 28 können auch auf beliebige andere Weise zur Kühleinrichtung 14 kombiniert sein, um eine besonders effektive und effiziente Kühlung von Batteriezellen 24 zu ermöglichen. Ein weiteres Beispiel ist in 3 schematisch dargestellt.
3 zeigt dabei eine schematische Querschnittscarstellung einer Kühleinrichtung 14, oder zumindest eines Teils davon, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühleinrichtung 14 weist wiederum eine aktive Kühleinheit 16 auf, die in diesem Beispiel wiederum als ein mit einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 18 bereitgestellt ist. Dieser Kühlkanal 18 ist bereichsweise vom Phasenwechselmaterial 28 umgeben. Dieses Phasenwechselmaterial 28 kann wiederum in einem Substrat 30 eingebettet sein, welches gleichzeitig wiederum Stege bereitstellt, die in diesem Beispiel vom Kühlkanal 18 nach außen verlaufen, zum Beispiel radial nach außen. Die Kühleinrichtung 14 kann aber auch mehrere solche Kühlkanäle 18 aufweisen, welcher in beschriebener Weise von einem Phasenwechselmaterial 28 umgeben sind. Durch die durch das Substrat 30 bereitgestellten Stege wird nun wiederum vorteilhafterweise eine besonders gut thermisch leitfähige Ankopplung der Kontaktseite 14a an die aktive Kühleinheit 16 ermöglicht. Durch das Phasenwechselmaterial 28 lassen sich wiederum vorteilhafterweise Temperaturspitzen in bestimmten Temperaturbereichen von Interesse abfangen, in dem die bestimmte Phasenübergangstemperatur bzw. das Phasenwechselmaterial 28 so gewählt wird, dass ein Phasenübergang in diesem gewünschten Temperaturbereich stattfindet. Vorzugsweise ist die Phasenübergangstemperatur größer als 10 Grad Celsius, vorzugsweise größer als 20 Grad Celsius. Typische optimale Betriebstemperaturen von Batteriezellen 24 liegen üblicherweise in einem Bereich zwischen 25 Grad Celsius und 35 Grad Celsius. Daher kann das Phasenwechselmaterial 28 so ausgebildet sein, dass die Phasenwechseltemperatur bzw. Phasenübergangstemperatur oberhalb von dieser optimalen Betriebstemperaturbereich liegt.
4 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der Funktionsweise einer Kühleinrichtung 14 mit serieller Kombination aus passiver und aktiver Kühlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die aktive Kühlung ist wiederum durch die aktive Kühleinheit 16 bereitgestellt, welche einen thermischen Widerstand 34 aufweist, und die passive Kühlung ist durch das Phasenwechselmaterial 28 bereitgestellt, welches ebenfalls einen thermischen Widerstand 34 aufweist, sowie zusätzlich zur latenten Wärmespeicherung ausgelegt ist, was durch das Bezugszeichen 36 veranschaulicht ist. Der Wärmetransport von der Kontaktseite 14a, welche sich auf einem ersten Temperaturniveau T1 befindet, zur einer Außenseite 38 (siehe auch 1) der Kühleinheit 16 und/oder des Batteriegehäuses 12, ist hierbei mit q bezeichnet. Dabei stellt sich im Betrieb normalerweise ein Temperaturgradient zwischen der Kontaktseite 14a und der Außenseite 38 ein, so dass die Temperatur T1 an der Kontaktseite 14a, zumindest im Betrieb der Batteriezellen 24, größer ist, als eine zweite Temperatur T2 zwischen dem Phasenwechselmaterial 28 und der aktiven Kühleinheit 16, und diese wiederum größer ist als eine dritte Temperatur T3 an der Außenseite 38 der Kühleinheit 16, welcher der Kontaktseite 14a abgewandt angeordnet ist.
5 zeigt eine schematische Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips einer Kühleinrichtung 14, welche in diesem Beispiel eine parallele Kombination aus passiver und aktiver Kühlung bereitstellt. Auch in diesem Fall weist die Kühleinrichtung 14 wiederum eine aktive Kühleinheit 16 auf, die wiederum einen thermischen Widerstand 34 aufweist. Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung 14 wieder ein Phasenwechselmaterial 28, welches neben dem thermischen Widerstand 34 wiederum zur Aufnahme von latenter Wärme 36 ausgelegt ist. Die durch die aktive Kühleinheit 16 von der Kontaktseite 14a zur Außenseite 38 (siehe auch 2) aktiv abgeführte Wärme ist hierbei mit q̇_A bezeichnet und die von dem Phasenwechselmaterial 28 aufgenommenen bzw. passiv abgeführte Wärme als q̇_P. Denkbar sind auch beliebige Kombinationen aus serieller und paralleler Kombination von passiver und aktiver Kühlung.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kühleinrichtung bereitgestellt wird, die ein Batteriegehäuse mit strukturintegrierter passive Kühlung sowie eine besonders vorteilhafte Kombination solch passiver Kühlelemente mit aktiven Kühlelementen, wie beispielsweise Kühlmittelleitungen, ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017005593 A1 [0003]
EP 2389698 B1 [0004]

Claims

Kühleinrichtung (14) zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle (24) einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühleinrichtung (14) eine Kontaktseite (14a) zur Anordnung an zumindest einer Seite (24a) der mindestens einen Batteriezelle (24) aufweist, und eine aktive Kühleinheit (16), die über einen thermischen Pfad mit der Kontaktseite (14a) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) mindestens ein Phasenwechselmaterial (28) aufweist, welches dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur Wärme zur Durchführung eines zumindest teilweisen Phasenübergangs von der Kontaktseite (14a) aufzunehmen.
Kühleinrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) ein Substrat (30) aufweist, in welchem sich mindestens ein Raum (32) befindet, in welchem das mindestens eine Phasenwechselmaterial (28) angeordnet ist.
Kühleinrichtung (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das mindestens eine Phasenwechselmaterial (28).
Kühleinrichtung (14) nach einem Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) einen Schaum darstellt.
Kühleinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktseite (14a) über mehrere, durch das Substrat (30) bereitgestellte und durch Zwischenräume (32) beabstandete Stege mit der aktiven Kühleinheit (16) verbunden ist, wobei das mindestens eine Phasenwechselmaterial (28) in den jeweiligen Zwischenräumen (32) angeordnet ist.
Kühleinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinheit (16) durch Kühlkanäle (18) bereitgestellt ist, die durch das Substrat (30) verlaufen, wobei das mindestens eine Phasenwechselmaterial (28) in Zwischenräumen (32) zwischen den Kühlkanälen (18) angeordnet ist.
Kühleinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) einen Temperatursensor aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des mindestens einen Phasenwechselmaterials (28) zu erfassen, wobei eine Kühlleistung der aktiven Kühleinheit (16) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des mindestens einen Phasenwechselmaterials (28) steuerbar ist.
Batteriegehäuse (12) zur Aufnahme mindestens einer Batteriezelle (24), wobei das Batteriegehäuse (12) eine Kühleinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Kühleinrichtung (14) mindestens eine Wand (12a) des Batteriegehäuses (12) bereitstellt.
Batterie (10) mit einer Kühleinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie (10) nach Anspruch 9.