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Die Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung zur Kühlung von Batteriemodulen, wobei die Kühlungsanordnung zumindest eine Kühleinrichtung aufweist. Zur Erfindung gehören auch eine Hochvoltbatterie mit einer solchen Kühlungsanordnung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie.
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Batteriemodule, insbesondere solche für Hochvoltbatterien, werden in der Regel durch Kühleinrichtungen gekühlt. Eine Hochvoltbatterie umfasst dabei typischerweise mehrere Batteriemodule, wobei solche Batteriemodule wiederum mehrere Batterieeinzelzellen, zum Beispiel prismatische Einzelzellen, die in Form eines Zellpacks oder Zellstacks angeordnet sind, umfassen können. Eine zu starke Erwärmung dieser Batterieeinzelzellen wirkt sich negativ auf deren Lebensdauer aus, da sie die Alterung dieser Batteriezellen beschleunigt. Entsprechend ist es wünschenswert, die Temperatur solcher Batteriezellen nach Möglichkeit immer in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten, welcher die Lebensdauer der Batteriezellen am wenigsten stark negativ beeinflusst und damit für den Betrieb dieser Batteriezellen optimal ist.
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Die üblicherweise zur Kühlung von Batteriemodulen verwendeten Kühleinrichtungen sind typischer Weise unterseitig an solchen Batteriemodulen angeordnet, das heißt auf einer Seite der Batteriemodule, welche den Polen der einzelnen Batteriezellen gegenüberliegend angeordnet ist. In diesem Bereich lässt sich am einfachsten eine großflächige Kühlung, zum Beispiel durch Kühlplatten, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind, bereitstellen. Im Allgemeinen kann eine solche Kühleinrichtung aber auch an anderen Seiten eines Batteriemoduls angeordnet sein, sowie auch zwischen den einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls. In bestimmten Situationen kann es jedoch vorkommen, dass die von einer solchen Kühleinrichtung bereitstellbare Kühlleistung nicht ausreichend ist, um die Batteriezellen im gewünschten Temperaturbereich zu halten. Dies kann beispielsweise bei einer hohen Leistungsanforderung während der Fahrt vorkommen, oder auch bei einem Ladevorgang zum Laden der Hochvoltbatterie. Entsprechend werden in solchen Situationen, um die Batteriezellen dennoch im gewünschten Temperaturbereich halten zu können, die für den Fahrbetrieb nutzbare Leistung beziehungsweise die Ladeleistung zum Laden der Hochvoltbatterie begrenzt. Beim Fahren mindert dies somit nachteiligerweise die maximale von einem Kraftfahrzeug bereitstellbare Leistung und beim Laden der Hochvoltbatterie führt dies zu einer deutlich verlängerten Ladezeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlungsanordnung, eine Hochvoltbatterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche eine möglichst effiziente Kühlung von Batteriemodulen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlungsanordnung, durch eine Hochvoltbatterie und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühlungsanordnung zur Kühlung von Batteriemodulen weist zumindest eine Kühleinrichtung auf. Weiterhin weist die Kühlungsanordnung zumindest einen Teil einer Batteriemodul-Verbindungseinrichtung zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Batteriemoduls mit einem zweiten Batteriemodul auf, wobei die Kühleinrichtung mindestens ein Wärmerohr aufweist, welches einen ersten Wärmerohrteil umfasst, welcher am zumindest einen Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung angeordnet ist, und einen zweiten Wärmerohrteil zur Anordnung an einer Wärmesenke umfasst.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass gerade solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen, mittels welchen die Batteriepole der Batteriemodule innerhalb einer Hochvoltbatterie verbunden und kontaktiert werden, Temperaturhotspots innerhalb einer solchen Hochvoltbatterie darstellen. Durch den Stromfluss durch eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung kommt es bei herkömmlichen Hochvoltbatterien unweigerlich zu einer starken Erwärmung dieser Verbindungseinrichtungen, wobei dann diese entstehende große Wärmemenge direkt in die jeweiligen Pole beziehungsweise Polanschlüsse der jeweiligen miteinander verbundenen Batteriemodule eingetragen wird, wodurch sich diese Batteriemodule und entsprechend auch die von diesen Batteriemodulen umfassten Batterieeinzelzellen erwärmen. Die Modulanschlüsse, die typischerweise mit einer solchen Batteriemodul-Verbindungseinrichtung verbunden sind, sind wiederum mit den jeweiligen Polen der Batterieeinzelzellen der jeweiligen Batteriemodule kontaktiert, sodass eine Erwärmung gerade im Bereich der Oberseite des Batteriemoduls stattfindet, die jedoch gerade der Unterseite des Batteriemoduls, an welcher typischerweise eine Kühleinrichtung angeordnet ist, entgegengesetzt gegenüberliegt. Dies führt im Betrieb zudem zu einem sehr starken Temperaturgradienten innerhalb der Batterieeinzelzellen von deren Oberseite zur deren Unterseite, welcher sich wiederum nachteilig auf die Alterung der Batteriezellen auswirkt, insbesondere zusätzlich zu dem negativen Einfluss, den die Erwärmung der Batteriezellen bedingt durch die starke Erwärmung der herkömmlichen Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen hat. Einer solchen Erwärmung kann durch die Erfindung nun vorteilhafterweise entgegen gewirkt werden, indem eine Kühleinrichtung mit zumindest einem Teil einer solchen Batteriemodul-Verbindungseinrichtung gekoppelt beziehungsweise verbunden wird. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise nun eine direkte Kühlung einer solchen Batteriemodul-Verbindungseinrichtung bereitstellen. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass gerade Wärmerohre als Kühleinrichtung gerade an dieser Position, nämlich zur Anordnung an dem zumindest einen Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, besonders geeignet sind. Solche Wärmerohre, welche auch als Wärmeleitrohre bezeichnet werden können, und zum Beispiel als Heatpipes oder Zwei-Phasen-Thermosiphons ausgebildet sein können, sind hinsichtlich ihrer geometrischen Ausgestaltung besonders flexibel und zudem auch je nach Ausbildung biegbar, sodass sich solche Wärmerohre besonders flexibel einsetzen lassen, insbesondere auch zur Kühlung von nicht großflächig ausgebildeten, sondern vielmehr filigraneren Komponenten, wie zum Beispiel der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung. Zudem ermöglicht ein solches Wärmerohr, zum Beispiel im Gegensatz zu einer reinen Metallschiene oder ähnlichem, eine deutlich effizientere Kühlung. Ein Wärmerohr ist dabei ein Wärmeüberträger, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche transportiert werden. Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen. Bei gleicher Übertragungsleistung sind deswegen wesentlich leichtere Bauweisen als bei herkömmlichen Wärmeüberträgern unter gleichen Einsatzbedingungen möglich. Als das Arbeitsmedium kann beispielsweise Wasser oder Ammoniak verwendet werden. Dieses Arbeitsmedium ist in einem Gefäß eingeschlossen, welches vorzugsweise metallisch ist, das heißt aus einem Metall und/oder einer Legierung, wie beispielsweise aus Kupfer. Am Wärmeeintragspunkt des Wärmeeintrags des Wärmerohrs erhöht sich die Temperatur, bis das Arbeitsmedium verdampft, wobei die Temperatur nicht mehr steigt, bis das ganze Arbeitsmedium verdampft ist. Das verdampfte Arbeitsmedium wandert zu einem Wärmeabgabepunkt des Wärmerohrs, welcher mit einer Wärmesenke koppelbar ist, wodurch sich das verdampfte Arbeitsmedium an diesem Wärmeabgabepunkt wiederum abkühlt, verflüssigt und zurück zum Wärmeeintragspunkt des Wärmerohrs fließt. Der oben genannte erste Wärmerohrteil, welcher an zumindest einem Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung angeordnet ist, umfasst entsprechend den Wärmeeintragspunkt, während der zweite Wärmerohrteil zur Anordnung an einer Wärmesenke entsprechend den Wärmeabgabepunkt umfasst. Somit kann vorteilhafter Weise ein thermischer Pfad zur Wärmeabfuhr von der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung beziehungsweise zumindest einem Teil dieser Batteriemodul-Verbindungseinrichtung über das mindestens eine Wärmerohr zur Wärmesenke bereitgestellt werden. Das mindestens eine Wärmerohr kann dabei als Heatpipe ausgebildet sein, aber beispielsweise auch als so genannter Zwei-Phasen-Thermosiphon. Eine Heatpipe unterscheidet sich in ihrem Funktionsprinzip von einem solchen Zwei-Phasen-Thermosiphon lediglich im Transport des Arbeitsmediums beziehungsweise des Rücktransports des gasförmigen Arbeitsmediums. Bei einem Zwei-Phasen-Thermosiphon erfolgt dies gravitationsbedingt, sodass in diesem Fall der zweite Wärmerohrteil vorzugsweise höher gelegen ist als der erste Wärmerohrteil bezüglich einer Richtung der Gravitation. Die Ausbildung des mindestens einen Wärmerohrs als Heatpipe ist jedoch bevorzugt, da eine Anordnung einer solchen Heatpipe unabhängig von der Richtung der Schwerkraft möglich ist, ohne die Funktionsweise der Heatpipe zu beeinträchtigen. Dies ist dadurch bedingt, dass Heatpipes die Kapillarwirkung beziehungsweise das Dochtprinzip nutzen, um das kondensierte Fluid zurück zum Verdampfer, d.h. zum Wärmeeintragspunkt, zu führen. Durch die Ausbildung der Wärmerohrs als mindestens eine Heatpipe ist eine lageunabhängige Verwendungsmöglichkeit bereitgestellt, was deutlich mehr Flexibilität hinsichtlich der Anordnungsmöglichkeiten mit sich bringt. In beiden Fällen jedoch kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung beziehungsweise deren zumindest einem Teil zur Wärmesenke bereitgestellt werden. Durch diese vorteilhafte Kühlmöglichkeit im Bereich der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung lässt sich eine Kühlung von Batteriemodulen und Batteriezellen auch im Bereich deren Pole bereitstellen. Temperaturgradienten innerhalb der Batteriezellen können damit deutlich effizienter vermieden oder zumindest reduziert werden. Durch die Erfindung wird somit eine sehr effiziente Kühlung von Batteriemodulen ermöglicht. Die beschriebene Kühlungsanordnung kann dabei mit herkömmlichen Kühlungsanordnungen, zum Beispiel Kühleinrichtungen, welche unterseitig an den Batteriemodulen oder auch an anderen Seiten der Batteriemodule oder zwischen den Einzelzellen der Batteriemodule angeordnet sind, auch einfach kombiniert werden, um insgesamt die Kühlungseffizienz bei der Kühlung von Batteriemodulen noch weiter zu steigern. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise während der Fahrt deutlich höhere Leistungen bereitstellen und auch während Ladevorgängen deutlich höhere Ladeleistungen und dadurch deutlich verkürzte Ladezeiten erreichen.
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Ein Batteriemodul im Zusammenhang mit der Erfindung kann wie eingangs beschrieben ausgebildet sein und zum Beispiel mehrere Batterieeinzelzellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, umfassen. Weiterhin können diese Batterieeinzelzellen zum Beispiel als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung und ihre Ausgestaltungen können aber ebenso zur Kühlung von Batteriemodulen mit Rundzellen und/oder Pouch-Zellen verwendet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung eine erste Anschlusseinheit zum elektrisch leitenden Verbinden mit einer Pol-Anschlusseinheit des ersten Batteriemoduls, eine zweite Anschlusseinheit zum elektrisch leitenden Verbinden mit einer Pol-Anschlusseinheit des zweiten Batteriemoduls und ein Verbindungselement auf, welches die erste und die zweite Anschlusseinheit elektrisch leitend miteinander verbindet, wobei der Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, an welchem der erste Wärmerohrteil des mindestens einen Wärmerohrs angeordnet ist, die erste Anschlusseinheit und/oder die zweite Anschlusseinheit und/oder das Verbindungselement darstellt.
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Bei einer Pol-Anschlusseinheit des ersten beziehungsweise zweiten Batteriemoduls kann es sich dabei entweder um einen Anschluss für einen Pluspol oder einen Anschluss für einen Minuspol des betreffenden Batteriemoduls handeln. Im Falle einer Parallelschaltung zweier Batteriemodule, wie zum Beispiel dem ersten und dem zweiten Batteriemodul, können entsprechend die beiden Pluspole der beiden Batteriemodule über eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung miteinander verbunden sein, und entsprechend auch die beiden Minuspole der beiden Batteriemodule über eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung verbunden sein. Im Falle einer Serienschaltung zweier Batteriemodule können dann entsprechend ein Minuspol des ersten Batteriemoduls mit einem Pluspol des zweiten Batteriemoduls über eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung verbunden sein, während dann der Pluspol des ersten Batteriemoduls weiter mit einem Minuspol eines dritten Batteriemoduls verbunden sein kann und der Minuspol des zweiten Batteriemoduls mit einem Pluspol eines vierten Batteriemoduls, und so weiter, wiederum jeweils über eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung. Es können über solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen auch beliebige Kombinationen von Serien- und Parallelschaltungen von Batteriemoden realisiert werden.
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Das mindestens eine Wärmerohr beziehungsweise dessen erster Wärmerohrteil kann nun vorteilhafterweise prinzipiell mit jedem Teil einer solchen Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, nämlich deren erster Anschlusseinheit, deren zweiter Anschlusseinheit oder deren Verbindungselement, verbunden sein bzw. direkt kontaktierend an diesen Teilen angeordnet sein, sowie auch mit mehreren dieser Teile gleichzeitig entsprechend verbunden sein. Hierdurch lässt sich die Kühlung der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung besonders effizient und flexibel gestalten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement flexibel ausgebildet. Das Verbindungselement kann zum Beispiel eine Art Leiterband umfassen, welches sich beispielsweise biegen lässt. Dies ist bei der Kontaktierung der Pol-Anschlusseinheit und der jeweiligen Batteriemodule besonders vorteilhaft, da so Abstandstoleranzen, Positionstoleranzen und auch weitere im Betrieb zusätzlich entstehende Abstandstoleranzen zwischen den zu verbindenden Pol-Anschlusseinheiten der Batteriemodule durch die Flexibilität des Verbindungselements ausgeglichen werden können.
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In einem solchen Fall, nämlich wenn das Verbindungselement der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung flexibel ausgebildet ist, ist es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung, insbesondere das mindestens eine Wärmerohr, vorzugsweise jedes von der Kühleinrichtung umfasste Wärmerohr, mit einem anderen Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung als dem Verbindungselement verbunden ist. Dies ermöglicht dann nämlich eine einfachere Anbindung des mindestens einen Wärmerohrs an den Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, wenn dieser Teil starr ausgebildet ist, und schränkt gleichzeitig die Flexibilität der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung nicht ein.
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Im Allgemeinen ist es also besonders vorteilhaft wenn, wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung zumindest ein starren Teil und zumindest einen flexiblen Teil aufweist, wobei die Kühleinrichtung nur am zumindest einen starren Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das von der Kühleinrichtung umfasste Wärmerohr an dem zumindest einen starren Teil direkt kontaktierend beziehungsweise diesen direkt berührend angeordnet ist, jedoch an keinem flexiblen Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung. Umfasst die Kühleinrichtung beispielsweise mehrere solcher Wärmerohre, so sind diese alle vorzugsweise an zumindest einem starren Teil beziehungsweise optional auch an verschiedenen starren Teilen der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, direkt kontaktierend beziehungsweise diesen berührend angeordnet, und nicht am flexiblen Teil, der wie beschrieben, durch das Verbindungselement bereitgestellt sein kann. Unter flexibel ist dabei vorzugsweise biegbar beziehungsweise reversibel geometrisch verformbar zu verstehen. Diese Flexibilität kann auf einfache Weise durch eine entsprechend dünne Ausbildung des Verbindungselements beziehungsweise eine zumindest flache Ausbildung, wie in Form des beschriebenen Leitungsbands, bereitgestellt werden. Der leitende Teil des Verbindungselements ist vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung, zum Beispiel Kupfer.
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Dadurch, dass die Kühleinrichtung nur an zumindest einem starren Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung angeordnet ist, wird eine effiziente Kühlung ermöglicht und dennoch, wie bereits beschrieben, die Flexibilität der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung nicht eingeschränkt.
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Die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung kann im Allgemeinen aus mehreren Einzelteilen bestehen, die nicht notwendigerweise fest miteinander verbunden sein müssen, das heißt zerstörungs- bzw. beschädigungsfrei lösbar voneinander miteinander verbunden sein können. Entsprechend kann die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung auch reversibel miteinander koppelbare oder elektrisch leitend verbindbare Einheiten aufweisen, wie dies nun nachfolgend näher beschrieben wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die erste und/oder die zweite Anschlusseinheit eine erste Kopplungseinheit aufweist, welche elektrisch leitend mit der Pol-Anschlusseinheit koppelbar ist, eine zweite Kopplungseinheit, welche zerstörungsfrei reversibel mit der ersten Kopplungseinheit elektrisch leitend verbindbar ist, zum Beispiel mit dieser verschraubbar ist, und eine starre Verbindungsschiene, welche die zweite Kopplungseinheit mit dem Verbindungselement elektrisch leitend verbindet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Kontaktierung der einzelnen Batteriemodule untereinander, insbesondere durch reversibel voneinander lösbare Verbindungen. Bei einer solchen Ausbildung der ersten Anschlusseinheit und/oder der zweiten Anschlusseinheit ist es entsprechend bevorzugt, dass der erste Wärmerohrteil des mindestens einen Wärmerohrs an der erste Kopplungseinheit und/oder der zweiten Kopplungseinheit und/oder der starren Verbindungsschiene angeordnet ist. Mit anderen Worten ist also der erste Wärmerohrteil wiederum an einem starren Element der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung angeordnet, und nicht am vorzugsweise flexibel ausgeführten Verbindungselement.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung eine elektrische Isolierung auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da gerade bei Batteriemodulen zur Verwendung in einer Hochvoltbatterie Spannungen an den Pol-Anschlusseinheiten bereitstellbar sind, die im Hochvoltbereich liegen. Die elektrische Isolierung der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung ist dann entsprechend vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Berührschutz bereitgestellt ist, das heißt dass keine strom- beziehungsweise spannungstragenden Teile der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung sowie auch der Pol-Anschlusseinheiten der Batteriepole, zum Beispiel mit einem Finger, berührbar sind. Um eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr von der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung zu ermöglichen, ist es weiterhin bevorzugt, dass der erste Wärmerohrteil des mindestens einen Wärmerohrs elektrisch leitend mit der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung verbunden ist. Mit anderen Worten liegt der erste Wärmerohrteil nicht oder zumindest nicht nur außen an der elektrischen Isolierung der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung an, sondern kontaktiert direkt elektrisch leitfähige Teile der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung, an welchen in ihrer bestimmungsgemäßen Anordnung zwischen eine Spannung anliegt und durch welche im Betrieb der Batteriemodule Strom geführt wird. Das metallische Gefäß des mindestens einen Wärmerohrs kann damit in direkten Kontakt zu einem metallischen Material der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung stehen, wodurch eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht wird, da Metalle typischerweise eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als typisch elektrisch isolierende Materialien wie zum Beispiel Kunststoffe. Um dennoch die Berührsicherheit sicherzustellen, kann auch das Wärmerohr in seinem Verlauf bis zur Wärmesenke von einer elektrischen Isolierung ummantelt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kühlungsanordnung die Wärmesenke, wobei der zweite Wärmerohrteil elektrisch isoliert mit der Wärmesenke verbunden ist. Die Wärmesenke an sich kann wiederum zumindest durch ein metallisches Element bereitgestellt sein, wie zum Beispiel eine Metallplatte, die optional auch von einem Kühlmedium beziehungsweise Kühlmittel durchströmbar sein kann beziehungsweise im Kühlbetrieb durchströmt wird, wozu in dieser Metallplatte zum Beispiel Kühlkanäle vorgesehen sein können. Die Wärmesenke kann aber auch beliebig anders ausgestaltet sein. Durch die elektrische Isolierung zwischen dem zweiten Wärmerohrteil und einer solchen metallischen Platte bzw. Wärmesenke kann vorteilhafterweise eine Potentialtrennung umgesetzt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, eine solche Potentialtrennung durch das Vorsehen einer elektrischen Isolierung im Bereich des Ankopplungspunkts des Wärmerohrs an die Wärmesenke und nicht im Bereich des Ankopplungspunkts des Wärmerohrs an der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung vorzusehen, da im Bereich der Wärmesenke deutlich größere Wärmeübertragsflächen zwischen dem Wärmerohr und der Wärmesenke, wie zum Beispiel einer Kühlplatte, bereitgestellt werden können aufgrund der deutlich größeren baulichen Freiheitsgrade, als im Bereich der Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen. Dadurch lässt sich entsprechend trotz einer solchen vorgesehenen elektrischen Isolierung zwischen dem Wärmerohr und der Wärmesenke durch das Vorsehen einer entsprechend großen Übergangsfläche dennoch eine effiziente Wärmeabfuhr beziehungsweise ein effizienter Wärmeübertrag vom Wärmerohr zur Wärmesenke bereitstellen.
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Die Wärmesenke kann beispielsweise auch durch eine Kühleinrichtung bereitgestellt sein, welche an einer Unterseite des ersten und/oder zweiten Batteriemoduls angeordnet ist, wobei eine Unterseite des ersten und/oder zweiten Batteriemoduls als diejenige Seite des betreffenden Batteriemoduls definiert ist, welche der Seite des Batteriemoduls, an welcher die Pole der Batterieeinzelzellen des betreffenden Batteriemoduls angeordnet sind, gegenüberliegt. Diese Kühleinrichtung ist vorzugsweise als eine mit einem Kühlmedium durchströmbare Kühlplatte ausgestaltet. Diese Kühleinrichtung, welche unterseitig an den Batteriemodulen angeordnet ist, kann somit gleichzeitig auch als Wärmesenke zur Anbindung der mit den Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen eingekoppelten Wärmerohren fungieren, sodass dies eine besonders effiziente und kompakte Ausgestaltung erlaubt, da keine separate zusätzliche Kühleinrichtung zur Bereitstellung der genannten Wärmesenke bereitgestellt werden muss. Es kann aber auch eine Kühleinrichtung, die als die Wärmesenke fungiert, zusätzlich oder alternativ auch an anderen Seiten des Batteriemoduls oder zwischen den Einzelzellen des Batteriemoduls angeordnet sein. Nichtsdestoweniger kann die beschriebenen Wärmesenke aber auch als separat ausgebildete Kühleinrichtung, zum Beispiel Kühlplatte, bereitgestellt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kühlungsanordnung wiederum die Wärmesenke, wobei diese Wärmesenke als Wärmetauscher ausgebildet ist, der eine erste Wärmetauschereinheit und eine von der ersten Wärmetauschereinheit elektrisch isolierte zweiten Wärmetauschereinheit aufweist, wobei die erste Wärmetauschereinheit mit der zweiten Wärmetauschereinheit über ein elektrisch isolierendes Kühlmedium thermisch koppelbar ist beziehungsweise im Betrieb gekoppelt ist, wobei der zweite Wärmerohrteil elektrisch leitend nur mit der ersten Wärmetauschereinheit verbunden ist, so dass ein thermischer Pfad zur Wärmeabfuhr von der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung über das mindestens eine Wärmerohr, über die erste Wärmetauschereinheit und über das elektrisch isolierende Kühlmedium zur zweiten Wärmetauschereinheit bereitstellbar ist bzw. bereitgestellt ist. Die Kopplung des mindestens einen Wärmerohrs mit einem so ausgebildeten Wärmerohrteil erlaubt es vorteilhafter Weise, dass das metallische Wärmerohr beziehungsweise das metallische Gefäß dieses Wärmerohrs wieder direkt mit einem metallischen Teil der ersten Wärmetauschereinheit verbunden sein kann. Da diese erste Wärmetauschereinheit von der zweiten Wärmetauschereinheit elektrisch isoliert ist, und auch zum Wärmetransport ein elektrisch isolierendes Kühlmedium verwendet wird, lässt sich auf diese Weise wiederum vorteilhafterweise eine Potentialtrennung zwischen der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung und der zweiten Wärmetauschereinheit und damit nach außen bereitstellen. Dies erlaubt eine besonders effiziente Kühlung, da durch die direkte Anbindungsmöglichkeit zwischen dem Wärmerohr und der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung sowie dem Wärmerohr und der erste Wärmetauschereinheit, die ebenfalls ein metallisches Material aufweisen kann, ein besonders effizienter Wärmeübertrag und damit eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt werden kann. Als elektrisch isolierendes Kühlmedium kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes Gas und/oder eine elektrisch isolierende Flüssigkeit verwendet werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Hochvoltbatterie eine erfindungsgemäße Kühlungsanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist. Die für die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie.
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Die Hochvoltbatterie kann weiterhin mehrere Batteriemodule, insbesondere umfassend auch das oben beschriebene erste und zweite Batteriemodul, welche über die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung miteinander elektrisch leitend verbunden sind beziehungsweise verbindbar sind, umfassen. Insbesondere kann die Hochvoltbatterie vielzählige solcher Batteriemodule sowie mehrere der beschriebenen Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen und entsprechend mehrere Kühlungsanordnungen umfassen. Weiterhin kann die Hochvoltbatterie auch die beschriebene Wärmesenke aufweisen. Dabei können auch Wärmerohre verschiedener Kühlungsanordnungen, die mit unterschiedlichen Batteriemodul-Verbindungseinrichtungen gekoppelt sind, an die selbe Wärmesenke angebunden werden.
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Die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale des ersten und/oder zweiten Batteriemoduls sollen in gleicher Weise für die Batteriemodule der Hochvoltbatterie gelten und damit entsprechende Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie ermöglichen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie oder eine ihrer Ausgestaltungen. Auch hiergelten die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung und ihren Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterie mit exemplarisch zwei Batteriemodulen und einer Kühlungsanordnung zur Kühlung der Batteriemodule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Kühlungsanordnung zur Kühlung von Batteriemodulen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterie 10, welche mehrere Batteriemodule 12 aufweist, von denen hier lediglich exemplarisch zwei Batteriemodule 12 dargestellt sind. Weiterhin weist die Hochvoltbatterie 10 eine Kühlungsanordnung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf. Die beiden Batteriemodule 12 sind über eine Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 miteinander elektrisch leitend verbunden. In diesem Beispiel koppelt die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 einen Pluspol 12a eines ersten Batteriemoduls 12 mit einem Minuspol 12b des zweiten Batteriemoduls 12. Hierdurch lässt sich also beispielsweise eine Serienschaltung dieser beiden Batteriemodule 12 realisieren. Im Allgemeinen können Batteriemodule 12 aber auch über eine solche Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 zur Bereitstellung einer Parallelschaltung von Batteriemodulen 12 elektrisch leitend verbunden sein. Die Batteriemodule 12 einer Hochvoltbatterie 10, wie zum Beispiel die hier dargestellte, können aus verschiedenen Gründen miteinander in Serien- und/oder Parallelschaltung miteinander verbunden werden, zum Beispiel um Kapazitäten oder Spannungen zu erhöhen.
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Bei herkömmlichen Batterien erwärmen sich die Verbindungen bei Abnahme oder Zuführung von Leistung sehr stark, da sie durch die Abnahme oder Zuführung durch diese Verbindungen entstehenden Stromfluss belastet werden. Auch am Beispiel der Hochvoltbatterie 10 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein solcher Stromfluss 18 durch Pfeile veranschaulicht dargestellt, welcher von der ersten Batterie 12, insbesondere über deren Pluspol 12a über die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 zum Minuspol 12b des zweiten Batteriemoduls 12 und durch dieses hindurch zu dessen Pluspol 12a fließt.
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Eine solche bei herkömmlichen Batterien entstehende starke Erwärmung kann sich negativ auf die Eigenschaften des Batteriesystems auswirken und dabei die Batterie beziehungsweise die Batteriemodule beziehungsweise deren einzelne Batteriezellen schädigen, zu einer vorzeitigen Alterung führen, insgesamt die Leistung der Batterie reduzieren, und so weiter Die Erfindung und ihre Ausgestaltung erlaubt es nun vorteilhafterweise, dass diese Wärmebelastung für die Energiespeicher, insbesondere der jeweiligen Batteriemodule 12, reduziert werden kann und dadurch die beschriebenen negativen Auswirkungen ebenfalls reduziert beziehungsweise minimiert werden können.
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Zu diesem Zweck ist zumindest ein Teil einer Kühleinrichtung in die beschriebene Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 in Form zumindest eines Wärmerohrs 20 integriert. In diesem Beispiel umfasst die Kühleinrichtung der Kühlungsanordnung 14 exemplarisch vier solche Wärmerohre 20, die vorzugsweise als Heatpipes ausgebildet sind. Die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 kann weiterhin Verbindungselemente aufweisen, die beispielsweise mit Anschlussteilen an einer Batterie beziehungsweise einem Batteriemodul 12 befestigt bzw. angebunden, zum Beispiel verschraubt, geklemmt, verschweißt oder gesteckt, sein können. Diese jeweiligen Anschlussteile 24 können über einen Leiter, welcher in 1 mit 22 bezeichnet ist und im Folgenden im Allgemeinen als Verbindungselement 22 bezeichnet wird, elektrisch leitend verbunden sein. Manche oder alle dieser Teile der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 können nun vorteilhafterweise mit Heatpipes beziehungsweise im Allgemeinen Wärmerohren 20 beziehungsweise Wärmeleiterohren versehen werden, welche die Wärme aus dem Bauteil, nämlich der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 transportieren. Die Kühlungsanordnung 14 weist also entsprechend zumindest einen Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 auf, sowie mindestens ein Wärmerohr 20. Ein solches Wärmerohr 20 kann wiederum jeweils einen ersten Wärmerohrteil 20a aufweisen, welcher an zumindest einem Teil der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 direkt kontaktierend angeordnet ist, sowie einen zweiten Wärmerohrteil 20b, zur Anordnung an einer Wärmesenke 25. Dadurch ist entsprechend ein Wärmeleitpfad zur Wärmeabfuhr von der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 über den ersten Wärmerohrteil 20a zum zweiten Wärmerohrteil 20b und damit zur Wärmesenke 25 bereitgestellt. Diese Wärmesenke 25 kann zum Beispiel durch eine mit einem Kühlmedium durchströmbare Kühlplatte 26, welche an einer Unterseite 12c der Batteriemodule 12 zur unterseitigen Kühlung der Batteriemodule 12, oder auch an einer oder mehreren anderen Seiten der Batteriemodule 12 oder auch zwischen Einzelzellen der jeweiligen Batteriemodule 12 angeordnet sein kann, bereitgestellt sein. Diese Wärmesenke 25 kann aber auch durch eine separate Kühleinrichtung 28 bereitgestellt sein, die alleinig oder zusätzlich zu einer solchen Kühlplatte 26 vorhanden sein kann.
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Diese Wärmerohre 20 weisen beispielsweise ein metallisches Gehäuse beziehungsweise ein metallisches Gefäß, wie beispielsweise eine Kupferröhre oder ähnliches, auf, in welchem sich ein Arbeitsmedium befindet. Dieses metallische Gehäuse der Wärmerohre 20 ist dabei vorzugsweise in direktem Kontakt mit den leitenden Teilen der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16, sodass ein besonders effizienter Wärmeübertrag bereitgestellt werden kann. Um dennoch eine Potentialtrennung nach außen zu ermöglichen, ist es in diesem Fall bevorzugt, dass diese Wärmerohre 20 mit ihren jeweiligen zweiten Wärmerohrteilen 20b über eine elektrische Isolierung 30 mit der Wärmesenke 25, wie in diesem Beispiel lediglich für die Kühlplatte 26 illustriert ist, angebunden sein können. Damit bleibt die Wärmesenke 25, in diesem Beispiel die Kühlplatte 26, weiterhin potentialfrei. Alternativ oder zusätzlich können die Wärmerohre 20 aber auch an einen Wärmetauscher als Wärmesenke 25 angebunden sein, wie zum Beispiel die in 1 als Wärmesenke 25 dargestellte Kühleinrichtung 28, wobei ein solcher Wärmetauscher selbst eine solche Potentialtrennung bereitstellen kann, indem er zum Beispiel zwei voneinander elektrisch isolierte Wärmetauschereinheiten aufweist, die über ein elektrisch isolierendes Wärmeleitmedium thermisch miteinander gekoppelt sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlungsanordnung 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beziehungsweise in einer etwas detaillierteren Darstellung. Entsprechend kann die Kühlungsanordnung 14 wie bereits zu 1 beschrieben ausgebildet sein. Diese Kühlungsanordnung 14 umfasst wiederum die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 sowie mindestens ein Wärmerohr 20, in diesem Beispiel zwei Wärmerohre 20. Die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 kann wiederum, wie zu 1 ebenfalls beschrieben, Anschlussteile 24 sowie einen dieser Anschlussteile 24 verbindenden Leiter aufweisen. Dieser Leiter kann im Allgemeinen als ein flexibles Verbindungselement 22 ausgeführt sein. Die Anschlussteile 24 dagegen sind starr ausgebildet. Die flexible Ausbildung des Verbindungselements 22 hat den Vorteil, dass hierdurch Abstandstoleranzen zwischen den Anschlussteilen 24 ausgeglichen werden können. Um die Flexibilität dieser Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 nicht einzuschränken, ist es entsprechend bevorzugt, dass die Wärmerohre 20 nur mit starren Teilen der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16, also in diesem Fall nur mit Bereichen der Anschlussteile 24 verbunden sind beziehungsweise an diesen angeordnet sind. Diese Anschlussteile 24 können wiederum mehrteilig ausgeführt sein. Ein jeweiliges solches Anschlussteil 24, welches auch eingangs als Anschlusseinheit bezeichnet wurde, weist in diesem Beispiel eine erste Kopplungseinheit 24a auf, welche elektrisch leitend mit einer Pol-Anschlusseinheit 12a, 12b eines betreffenden Batteriemoduls 12 koppelbar ist, eine zweite Kopplungseinheit 24b, welches zerstörungsfrei reversibel mit der ersten Kopplungseinheit 24a elektrisch leitend verbindbar ist, zum Beispiel über eine Steckverbindung und/oder Schraubverbindung oder irgendeiner anderen Art reversibel lösbarer mechanischer und elektrisch kontaktierender Verbindung, sowie eine starre Verbindungsschiene 24c, welche einerseits wiederum fest, das heißt nicht lösbar, mit der zweiten Kopplungseinheit 24b verbunden ist, zum Beispiel mit dieser stoffschlüssig und/oder einstückig ausgebildet beziehungsweise verbunden sein kann, und welche andererseits ebenfalls fest mit dem Verbindungselement 22 verbunden ist. Die jeweiligen erste und zweiten Kopplungseinheit 24a, 24b sind in 2 exemplarisch im nicht miteinander verbundenen Zustand dargestellt, können jedoch, wie beschrieben, in einfacher Weise miteinander gekoppelt werden.
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Weiterhin ist die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 nach außen hin elektrisch isoliert ausgeführt. Dazu sind die jeweiligen Komponenten dieser Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 mit einer entsprechenden elektrischen Isolierung 32 versehen beziehungsweise ummantelt. Dies gilt insbesondere für die einzelnen Elemente der Anschlussteile 24, sowie auch für das Verbindungselement 22, welches einen elektrischen Leiter 34, welcher zum Beispiel als Leitungsband ausgeführt sein kann, mit einer entsprechenden elektrischen Isolierung 32 ummantelt bereitgestellt sein kann. Auch die außerhalb dieser Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 verlaufenden Teile der Wärmerohre 20 können mit einer entsprechenden elektrischen Isolierung versehen sein, welche jedoch hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Detail dargestellt ist. Wie jedoch in 2 nunmehr deutlich zu erkennen ist, ist zumindest der erste Wärmerohrteil 20a der jeweiligen Wärmerohre 20 in direktem und damit elektrisch leitendem Kontakt mit den im Betrieb stromführenden Teilen der Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16, in diesem Beispiel der elektrischen Teile der jeweiligen Anschlusseinheiten beziehungsweise Anschlussteile 24. Dadurch kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt werden. Die Anbindung der jeweiligen Wärmerohre 20 an die Batteriemodul-Verbindungseinrichtung 16 kann dabei ebenfalls auf beliebige Weise erfolgen, zum Beispiel unter Verwendung einer Ringöse, durch Löten und/oder Schweißen, Einspritzen oder ähnliches. Die elektrisch leitenden Teile der Anschlussteile 24 sowie des Verbindungselements 22 können dabei ebenfalls aus einem metallischen Material mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein gekühlter Batterieverbinder mit Heatpipes bereitgestellt werden kann, welcher eine gezielte Kühlung von Batteriemodulen direkt im Bereich deren Pol-Anschlusseinheiten erlaubt und damit direkt an Temperaturhotspots der Batteriemodule, wodurch eine besonders effiziente und homogene Kühlung von Batteriemodulen bereitgestellt werden kann und dadurch vor allem Alterungseffekte minimiert und die Leistungsfähigkeit der Batterie maximiert werden kann.
