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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Entwicklung betrifft ein Wärmeleitelement für eine Batterieeinheit sowie eine Batterieeinheit für ein Kraftfahrzeug, welche ein solches Wärmeleitelement aufweist.
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Hintergrund
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Für einen möglichst effizienten Betrieb eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug ist es von Vorteil, die elektrische Energie bereitstellende und elektrische Energie speichernde Batterieeinheit in einem vorgegebenen Temperaturintervall zu betreiben. Für den möglichst effizienten Betrieb und/oder für eine maximale Kapazitätsausbeute einer für ein Kraftfahrzeug vorgesehenen Batterieeinheit kann es erforderlich sein, die Batterieeinheit aktiv oder passiv zu kühlen und/oder zu heizen. Hierfür können aktiv kühlende oder heizende Kühl- oder Heizelemente aber auch passiv kühlende oder heizende Kühlkörper bzw. Heizkörper vorgesehen sein. Gemeinhin ist die Batterieeinheit thermisch mit einem kühlenden oder wärmenden bzw. heizenden thermischen Reservoir zu koppeln.
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Aus der
US 2012/0219838 A1 ist eine Kraftfahrzeugbatteriezelle mit einem thermisch leitenden Körper bekannt, welcher zwischen einzelnen Batteriezellen angeordnet ist und welcher zumindest eine dreilagige laminierte Struktur aufweist.
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Die
DE 10 2011 118 383 A1 bezieht sich auf eine Fahrzeugbatterieanordnung zum Aufnehmen von mehreren longitudinalen Batteriezellen, die in einem Rahmen parallel bezüglich ihrer Längsachse angeordnet sind. Die Batterieanordnung umfasst eine Leiterplatte zum elektrischen Koppeln der zweiten Enden der Batteriezellen, eine Kühlplatte, die thermisch an die Leiterplatte gekoppelt ist, und eine Spaltfüllschicht.
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Die
JP 2018 - 116 805 A bezieht sich auf ein Sekundarbatteriemodul, wobei eine Vielzahl von Batteriezellen in einem Gehäuse mittels links und rechtseitig einer Batteriezelle angeordneten Trennwandabschnitten voneinander unterteilt sind, die aus einem Harz mit wärmeleitfähigen Füllmaterial hergestellt sind, wobei zur Wärmeableitung zwischen den Batteriezellen und den Trennwandabschnitten ein thermisch leitfähiger Schaumstoff und auch zwischen den Batteriezellen und einer unteren Platte des Batteriegehäuses, die Löcher zur Kühlung bzw. Wärmeabfuhr besitzt, ein thermisch leitfähiger Schaumstoff angeordnet ist.
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Die
DE 20 2018 005 411 U1 bezieht sich auf Batteriemodule aus Batterie-Rundzellen, die durch eine selbsttragende Haltematrix aus Kunststoff in zylindrischen Hohlräumen gehalten werden, wobei das Modul so ausgelegt ist, dass mehrere solcher Module zu einem Batteriepack zusammengesteckt werden können und die flächige Distanz zwischen zwei Modulen als Luftkanal zur Kühlung genutzt werden kann oder alternativ dort eine Kühlplatte angeordnet werden kann.
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Die
DE 10 2017 208 573 A1 bezieht sich auf ein Temperierelement zur Temperierung eines Batteriemoduls mit einem aus einem polymeren Werkstoff ausgebildeten Grundkörper, welcher zumindest eine zu einer Veränderung der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers ausgebildete Faser/Fasern umfasst, wobei das Temperierelement in der Art ausgebildet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Temperierelements anisotrop ist.
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Einzelne Batteriezellen einer Batterieeinheit können ferner eine vergleichsweise unebene Oberfläche oder unebene Außenabmessungen aufweisen, die die thermische Anbindung bzw. thermische Kopplung der Batteriezelle an ein thermisches Reservoir mitunter erschweren oder deren Effektivität beeinträchtigen kann. Es ist demgegenüber Zielsetzung der vorliegenden Entwicklung, ein verbessertes Wärmeleitelement für eine Batterieeinheit, insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Batterieeinheit bereitzustellen, welches eine möglichst gute, effiziente, dauerhaltbare und einfach zu implementierende thermische Kopplung zwischen der Batteriezelle und einem thermischen Reservoir ermöglicht. Es ist eine weitere Zielsetzung, eine mit einem solchen Wärmeleitelement ausgestattete Batterieeinheit sowie ein dementsprechendes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Das Wärmeleitelement und die Batterieeinheit sollen sich ferner durch ein möglichst geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen
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Diese Aufgabe wird mit einem Wärmeleitelement, mit einer Batterieeinheit und mit einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei Gegenstand jeweils abhängiger Patentansprüche.
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Insoweit ist ein Wärmeleitelement zur thermischen Kopplung zumindest einer Batteriezelle mit einem thermischen Reservoir vorgesehen. Das Wärmeleitelement umfasst einen geschäumten Körper mit einer ersten thermischen Kontaktfläche und mit einer zweiten thermischen Kontaktfläche. Die erste thermische Kontaktfläche und die zweite thermische Kontaktfläche sind zueinander gegenüberliegende Außenflächen des geschäumten Körpers. In dem geschäumten Körper sind mehrere Wärmeleitfasern eingebettet, um eine auf die Geometrie des geschäumten Körpers bezogene anisotrope Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen oder hierzu beizutragen.
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Der geschäumte Körper kann ein besonders geringes spezifisches Gewicht aufweisen und insoweit ein besonders leichtes Wärmeleitelement bereitstellen. Weiterhin kann sich der geschäumte Körper besonders gut und möglichst vollflächig an eine Batteriezelle anschmiegen. Etwaige geometrische Unebenheiten der Batteriezelle(n) können auf diese Art und Weise besonders einfach und effizient ausgeglichen werden. Das Wärmeleitelement, insbesondere sein geschäumter Körper kann plastisch oder elastisch deformierbar ausgestaltet sein und sich somit besonders gut an die Batteriezellen anschmiegen.
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Das Vorsehen mehrerer Wärmeleitfasern im geschäumten Körper erhöht die Wärmeleitfähigkeit des geschäumten Körpers, insbesondere in einer sich von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche erstreckenden Richtung durch den geschäumten Körper. Die Wärmeleitfasern stellen im Wärmeleitelement, insbesondere in dem geschäumten Körper eine auf die Geometrie des geschäumten Körpers bezogene anisotrope Wärmeleitfähigkeit bereit oder tragen hierzu bei. Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche höher als in einer Richtung senkrecht hierzu. Dies kann durch eine vorgegebene Ausrichtung der Wärmeleitfasern im geschäumten Körper erfolgen.
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Der geschäumte Körper, insbesondere das den Körper bildende geschäumte Material weist aufgrund seiner geschäumten Struktur eine gewisse Porosität auf, die einer hohen Wärmeleitfähigkeit grundsätzlich abträglich ist. Durch Einbettung mehrerer Wärmeleitfasern im geschäumten Körper kann jedoch die Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöht werden, sodass das Wärmeleitelement letztlich ein für die thermische Kopplung der Batteriezelle an das thermische Reservoir ausreichende bzw. eine für den Einsatzzweck besonders gute oder hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Die Wärmeleitfasern erstrecken sich von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche. Die Wärmeleitfasern sind insbesondere in Richtung von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche hin ausgerichtet. Die Längserstreckung der Wärmeleitfasern weist zumindest eine Richtungskomponente auf, die parallel zum Abstand der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche verläuft. Durch eine dementsprechende Ausrichtung der Wärmeleitfasern oder zumindest eines Teils der in den geschäumten Körper eingebetteten Wärmeleitfasern kann zumindest in Richtung von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche eine für die thermische Kopplung der zumindest einen Batteriezelle an das thermische Reservoir ausreichende, bevorzugt sogar eine besonders hohe oder gute thermische Leitfähigkeit bereitgestellt werden.
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Die Wärmeleitfasern weisen jeweils ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf. Bei dem ersten Ende kann es sich um ein Längsende der Wärmeleitfasern handeln. Gleiches gilt auch für das zweite Ende der Wärmeleitfasern, welches ein Längsende der Wärmeleitfasern sein kann. Die ersten Enden der Wärmeleitfasern ragen in die erste thermische Kontaktfläche hinein. Alternativ oder ergänzend hierzu können auch die zweiten Enden der Wärmeleitfasern in die zweite thermische Kontaktfläche hineinragen. Mithin können die ersten enden und/oder die zweiten Enden der Wärmeleitfasern bündig mit der ersten thermischen Kontaktfläche bzw. mit der zweiten thermischen Kontaktfläche abschließen.
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Hierdurch kann eine besonders hohe und gute thermische Leitfähigkeit von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche und umgekehrt bereitgestellt werden. Dadurch dass die ersten Enden und/oder die zweiten Enden der Wärmeleitfasern in die entsprechende ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktfläche hineinragen und unmittelbar hieran angrenzen können die ersten Enden der Wärmeleitfasern insbesondere in unmittelbare Kontaktstellung mit der Batteriezelle gelangen. Die zweiten Enden der Wärmeleitfasern können in unmittelbare Kontaktstellung mit dem thermischen Reservoir gelangen. Auf diese Art und Weise kann eine besonders gute und unmittelbare thermische Kopplung zwischen der ersten und zweiten thermischen Kontaktfläche, mithin inzwischen der Batteriezelle und dem thermischen Reservoir bereitgestellt werden.
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Nach einer Ausgestaltung des Wärmeleitelements erstrecken sich die Wärmeleitfasern zumindest bereichsweise oder abschnittsweise im Wesentlichen senkrecht zur ersten thermischen Kontaktfläche und/oder im Wesentlichen senkrecht zur zweiten thermischen Kontaktfläche. Die Länge der Wärmeleitfasern kann auf diese Art und Weise möglichst kurz gehalten werden. Sofern die erste und die zweite thermischen Kontaktfläche im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen können die Wärmeleitfasern sowohl zur ersten thermischen Kontaktfläche als auch zur zweiten thermischen Kontaktfläche im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet sein. Geringfügige Abweichungen von einer strikt senkrechten Ausrichtung sind hierbei natürlich im Rahmen der Fertigung und Herstellung des Wärmeleitelements stets möglich und ggf. auch vorgesehen. Die Abweichungen von einer orthogonalen bzw. senkrechten Ausrichtung der Wärmeleitfasern von zumindest einer der ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktfläche beträgt typischerweise weniger als 5° oder weniger als 10°.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Wärmeleitelements erstrecken sich die Wärmeleitfasern im Wesentlichen parallel zueinander. Eine zueinander parallele Anordnung der Wärmeleitfasern trägt zu einer über die Fläche der ersten und/oder zweiten thermischen Kontaktfläche homogenen Wärmeleitfähigkeit bei. Ferner können die Wärmeleitfasern äquidistant zueinander und/oder regelmäßig zueinander angeordnet in den geschäumten Körper des Wärmeleitelement eingebettet sein. Bezogen auf die erste thermische Kontaktfläche und/oder bezogen auf die zweite thermische Kontaktfläche können die Wärmeleitfasern im Wesentlichen eine homogene Flächendichte aufweisen. Auf diese Art und Weise kann über die Fläche der ersten und/oder der zweiten thermischen Kontaktfläche betrachtet eine möglichst gleichmäßige bzw. homogene Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung steht ein erstes Ende und/oder ein gegenüberliegendes zweites Ende der Wärmeleitfasern von der ersten thermischen Kontaktfläche bzw. von der zweiten thermischen Kontaktfläche hervor. So kann insbesondere ein erstes Ende einer Wärmeleitfaser von der ersten thermischen Kontaktfläche zumindest geringfügig hervorstehen. Gleichermaßen kann ein zweites Ende einer Wärmeleitfaser von der zweiten thermischen Kontaktfläche hervorstehen.
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Alternativ hierzu kann das erste Ende der Wärmeleitfaser auch flächenbündig in die erste thermische Kontaktfläche eingebunden oder integriert sein. Alternativ oder ergänzend kann auch das zweite Ende der Wärmeleitfaser flächenbündig in die zweite thermische Kontaktfläche eingebunden oder integriert sein. Dadurch dass das erste und/oder das zweite Längsende einer jeweiligen Wärmeleitfaser in der jeweiligen thermischen Kontaktfläche liegt oder sogar von dieser hervorsteht kann eine besonders gute thermische Kopplung mit der hieran angrenzenden Batteriezelle und/oder mit dem hieran angrenzenden thermischen Reservoir bereitgestellt werden.
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Herstellungstechnisch können die für das Wärmeleitelement vorgesehenen Wärmeleitfasern beispielsweise in Form eines Gewebes oder Gewirkes vorliegen. Auch können die Wärmeleitfasern in Form eines Faservlies vorliegen. Insbesondere können die Wärmeleitfasern in Form eines von einem Gewebe abstehenden Flor angeordnet oder ausgestaltet sein. Ein solches Gewebe oder Flor kann entweder vom geschäumten Material umschlossen werden oder das betreffende Gewebe oder Flor kann in ein noch fließfähiges Schaummaterial eingelegt werden. Zum Freilegen der Faserenden an der ersten thermischen Kontaktfläche und/oder an der zweiten thermischen Kontaktfläche kann der geschäumte Körper entlang der ersten und/oder der zweiten thermischen Kontaktfläche abgeschliffen oder einem anderweitigen abrasiven Bearbeitungsschritt unterzogen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der geschäumte Körper des Wärmeleitelements aus einem geschäumten Duromermaterial, einem geschäumten Plastomermaterial oder aus einem geschäumten Elastomermaterial gebildet. Alternativ hierzu kann der geschäumte Körper auch nur zumindest ein geschäumtes Duromermaterial, ein geschäumtes Plastomermaterial oder ein geschäumtes Elastomermaterial aufweisen. Ferner können auch Kombinationen oder Mischungen aus geschäumtem Duromermaterial, geschäumtem Plastomermaterial oder geschäumten Elastomermaterial vorgesehen sein. Der geschäumte Körper kann eine homogene Mischung unterschiedlicher Duromer-, Plastomer- und/oder Elastomermaterialien aufweisen. Auf diese Art und Weise kann der geschäumte Körper an unterschiedlichste geometrische und/oder mechanische Anforderungen angepasst werden.
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Für den geschäumten Körper kommen insbesondere solche Materialien infrage, die für den vorgesehenen Temperaturbereich der Batteriezellen thermisch stabil. Sie können typischerweise eine Temperaturstabilität in einem Temperaturbereich von - 50°C bis +150 °C aufweisen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der geschäumte Körper einen Silikonschaum und/oder einen Polyurethanschaum auf. Ferner kann der geschäumte Körper aus einem Silikonschaum und/oder einen Polyurethanschaum gebildet sein. Der geschäumte Körper kann abgesehen von den Wärmeleitfasern aus einem Silikonschaum und/oder Polyurethanschaum bestehen. Die Ausbildung des geschäumten Körpers aus oder mit einem Silikonschaum und/oder einem Polyurethanschaum ermöglicht insbesondere eine plastische und/oder elastischer Deformation des geschäumten Körpers bzw. des Wärmeleitelements.
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Es kann flexibel bzw. nachgiebig ausgestaltet sein und sich insbesondere besonders gut, gegebenenfalls vollflächig an eine oder mehrere Batteriezellen anschmiegen. Auf diese Art und Weise kann eine besonders gute, nämlich weitreichend vollflächige thermische Kopplung zwischen der zumindest einen Batteriezelle einerseits und dem Wärmeleitelement andererseits erfolgen. Ferner kann das Wärmeleitelement auch mit einer zweiten thermischen Kontaktfläche eine besonders gute thermische Anbindung zum thermischen Reservoir bilden oder aufweisen.
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Die Ausbildung des geschäumten Körpers als Silikonschaum und/oder Polyurethanschaum ermöglicht ferner eine mechanisch dämpfende Anbindung oder mechanisch gedämpfte Kopplung der Batteriezelle an das thermische Reservoir. Insbesondere kann das thermische Reservoir in ein Gehäuse einer Batterieeinheit integriert oder am Gehäuse einer Batterieeinheit angeordnet sein. Die Batteriezelle kann insbesondere über das Wärmeleitelement auch mechanisch mit dem thermischen Reservoir, insbesondere mit dem Gehäuse der Batterieeinheit verbunden sein. Indem das Wärmeleitelement einen geschäumten Körper aufweist, kann es eine mechanisch dämpfende Anbindung der Batteriezellen an das thermische Reservoir bzw. an ein Batteriegehäuse bereitstellen. Das Wärmeleitelement kann insoweit nicht nur eine thermisch verbesserte Anbindung sondern auch eine mechanisch verbesserte, nämlich mechanische dämpfende Anbindung bzw. Befestigung einer Batteriezelle an ein Batteriegehäuse bereitstellen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weisen die Wärmeleitfasern Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern und/oder mineralische Fasern auf. Insoweit können die für das Wärmeleitelement vorgesehenen Wärmeleitfasern Carbonfasern sein, die Wärmeleitfasern können Glasfasern sein, die Wärmeleitfasern können Aramidfasern sein oder auch mineralische Phasen sein. Ferner können für die Wärmeleitfasern unterschiedliche Fasertypen und Fasermaterialien sowie geometrisch unterschiedlich ausgestaltete, so etwa unterschiedlich dicke Fasern verwendet werden, um z.B. vorgegebene, beispielsweise auch über die Fläche der ersten und/oder der zweiten thermischen Kontaktfläche unterschiedliche lokale Wärmeleitfähigkeiten bereitzustellen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich zumindest ein Teil der Wärmeleitfasern durchgehend von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche. Eine durchgehende Anordnung zumindest eines Teils der Wärmeleitfasern von der ersten zur zweiten thermischen Kontaktfläche, bzw. umgekehrt von der zweiten thermischen Kontaktfläche zur ersten thermischen Kontaktfläche ermöglicht eine besonders gute bzw. besonders hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen den ersten und zweiten thermischen Kontaktflächen des Wärmeleitelements. Auch können nahezu sämtliche oder sämtliche Wärmeleitfasern eine Erstreckung aufweisen, die sich durchgehend von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche erstreckt.
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Herstellungstechnisch kann vorgesehen sein, dass vergleichsweise lange Wärmeleitfasern in einer regelmäßigen Anordnung und ggf. parallel zueinander in einer Gießform angeordnet bzw. darin eingespannt sind und dass die entsprechende Form anschließend mit dem schäumenden Material gefüllt wird. Nach einem Aushärten des geschäumten Körpers und nach einem Entformen können dann mehrere Wärmeleitelemente aus dem geschäumten Körper durch Abschneiden herausgelöst werden. Einzelne Wärmeleitelemente können insbesondere senkrecht zur Längserstreckung der Wärmeleitfasern vom geschäumten Rohling abgeschnitten werden. Auf diese Art und Weise kann eine durchgängige bzw. durchgehende Erstreckung zumindest eines Teils oder sämtlicher Wärmeleitfasern von der ersten thermischen Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktfläche erreicht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt ein Anteil der Wärmeleitfasern am Wärmeleitelement zumindest 10 Gew.-%, zumindest 20 Gew.-%, zumindest 30 Gew.-%, zumindest 40 Gew.-% oder zumindest 50 Gew.-%. Der Anteil der Wärmeleitfasern am Wärmeleitelement kann auch noch deutlich höher liegen. Er kann auch zumindest 60 Gew.-%, 70 Gew.-% oder mehr als 80 Gew.-% betragen. Durch Erhöhung des Anteils der Wärmeleitfasern am Wärmeleitelement kann die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements weiter gesteigert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Wärmeleitelement um eine Faserverbundkomponente. Der geschäumte Körper ist als Faserverbundmaterial ausgestaltet bzw. aus einem Faserverbundmaterial gebildet. Die Wärmeleitfasern sind in den geschäumten Körper, insbesondere in ein schaumbildendes Schaummaterial eingebettet. Das Schaummaterial bildet sozusagen eine Matrix, in welcher die Wärmeleitfasern eingebunden sind.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Entwicklung ferner eine Batterieeinheit eines Kraftfahrzeugs. Bei der Batterieeinheit handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher, welcher zum Beispiel als Energiespeicher für ein Elektrofahrzeug oder für ein Hybridfahrzeug ausgestaltet ist.
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Die Batterieeinheit weist typischerweise eine Speicherkapazität auf, mittels welcher das Fahrzeug angetrieben bzw. betrieben werden kann. Die Batterieeinheit ist insbesondere zur elektrischen Kopplung mit zumindest einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit einem Elektromotor des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Batterieeinheit weist ein Batteriegehäuse und zumindest eine Batteriezelle auf, welche im oder am Batteriegehäuse angeordnet ist. Typischerweise weist die Batterieeinheit eine Anzahl bzw. eine Vielzahl mehrerer Batteriezellen auf, die regelmäßig oder unregelmäßig im oder am Batteriegehäuse angeordnet und/oder hieran befestigt sind.
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Die Batterieeinheit weist ferner zumindest ein zuvor beschriebenes Wärmeleitelement auf, welches mit der zumindest einen Batteriezelle und mit einem thermischen Reservoir in thermischen Kontakt steht. Bei dem thermischen Reservoir kann es sich um ein aktiv heizendes Heizelement oder um ein aktiv kühlendes Kühlelement handeln. Das thermische Reservoir kann ferner auch zum Heizen und zum Kühlen der zumindest eine Batteriezellen ausgestaltet sein. Typischerweise verfügt die Batterieeinheit über ein thermisches Reservoir, welches mittels zumindest eines oder mittels mehrerer Wärmeleitelemente mit mehreren Batteriezellen thermisch koppelbar ist bzw. mit diesen thermisch gekoppelt ist.
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Das Wärmeleitelement, insbesondere seine erste thermische Kontaktfläche kann eine geometrische Abmessung aufweisen, welcher der geometrischen Abmessung der zumindest einen Batteriezelle entspricht. Insoweit kann für jede einzelne Batteriezellen zumindest ein Wärmeleitelement vorgesehen und angrenzend zur bzw. an der jeweilige Batteriezellen angeordnet sein. Es können aber auch mehrere Batteriezellen über ein einziges, sich über mehrere Batteriezellen hinweg erstreckendes Wärmeleitelement mit dem thermischen Reservoir thermisch gekoppelt sein.
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Bei dem thermischen Reservoir kann es sich auch um ein passiv kühlendes Kühlelement und/oder um ein passiv heizendes Heizelement handeln.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung steht die zumindest eine Batteriezelle mit der ersten thermischen Kontaktfläche des Wärmeleitelements in thermischem Kontakt. Die Batterieeinheit weist ferner zumindest einen Heiz-und/oder Kühlkörper als thermisches Reservoir auf, welcher mit der zweiten thermischen Kontaktfläche des Wärmeleitelements in thermischem Kontakt steht. Auf diese Art und Weise ist die Batteriezelle mittels des zumindest einen Wärmeleitelements mit einem Heiz- und/oder Kühlkörper, mithin mit einem thermischen Reservoir thermisch koppelbar bzw. hiermit thermisch gekoppelt.
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Das Wärmeleitelement kann hinsichtlich der ersten thermischen Kontaktfläche und der zweiten thermischen Kontaktfläche symmetrisch ausgestaltet sein. Insoweit kann auch eine umgedrehte Anordnung des Wärmeleitelements im Zwischenraum zwischen Batteriezelle(n) und dem thermischen Reservoir, insbesondere dem Heiz- und/oder Kühlkörper vorgesehen sei. Mithin kann die zweite thermische Kontaktfläche des Wärmeleitelements mit der Batteriezelle in thermischen Kontakt stehen und es kann die erste thermische Kontaktfläche des Wärmeleitelements mit dem thermischen Reservoir, so z.B. mit dem zumindest einen Heiz- und/oder Kühlkörper in thermischem Kontakt stehen. Dies vereinfacht die Anordnung und Anbindung des Wärmeleitelements im Batteriegehäuse.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der zumindest eine Heiz- und/oder Kühlkörper, mithin das thermische Reservoir in das Batteriegehäuse integriert. Alternativ kann der zumindest eine Heiz- und/oder Kühlkörper, mithin das thermische Reservoir auch an einer Innenseite des Batteriegehäuses angeordnet sein. Eine Integration in das Batteriegehäuse kann in besonders einfacher Art und Weise erfolgen. Insbesondere kann zum Beispiel ein Abschnitt eines ohnehin vorgesehenen Batteriegehäuses als thermisches Reservoir, mithin als Heiz- und/oder Kühlkörper fungieren, welcher entweder passiv oder aktiv, unter Verwendung geeigneter Heiz- und/oder Kühlelemente auch heizbar oder abkühlbar ist.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Entwicklung ferner ein Kraftfahrzeug, welches eine zuvor beschriebene Batterieeinheit aufweist. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein rein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln. Die Batterieeinheit ist typischerweise mit zumindest einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs verbunden oder hiermit gekoppelt. Bei der Antriebseinheit handelt es sich typischerweise um einen Elektromotor, welcher mit zumindest einem Antriebsrad oder einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Figurenliste
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Weitere Ziele, Merkmale sowie Vorteile der Batterieeinheit und des Wärmeleitelements werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Wärmeleitelements zur Anordnung in einer Batterieeinheit für ein Kraftfahrzeug,
- 2 einen schematischen Querschnitt durch das Wärmeleitelements gemäß 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Batterieeinheit, welche ein Wärmeleitelement gemäß den 1 und 2 aufweist und
- 4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs.
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Detaillierte Beschreibung
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In 1 ist ein zur Anordnung in einer Batterieeinheit 100 vorgesehenes Wärmeleitelement 10 schematisch dargestellt. Das Wärmeleitelement 10 weist einen geschäumten Körper 12 mit einer ersten thermischen Kontaktfläche 14 und mit einer gegenüberliegenden zweiten thermischen Kontaktfläche 16 auf. Die erste thermische Kontaktfläche 14 bildet einen Außenfläche 18 des geschäumten Körpers 12. Die zweite thermische Kontaktfläche 16 bildet eine gegenüberliegende Außenfläche 20 des geschäumten Körpers 12. Bei der ersten thermischen Kontaktfläche 14 und/oder bei der zweiten thermischen Kontaktfläche 16 kann es sich um im Wesentlichen ebene Kontaktflächen handeln.
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Die erste Kontaktfläche 14 und die gegenüberliegende zweite Kontaktfläche 16 können im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei der ersten thermischen Kontaktfläche 14 um eine Oberseite des geschäumten Körpers 12 handeln. Bei der zweiten thermischen Kontaktfläche 16 kann es sich um eine gegenüberliegende Unterseite des geschäumten Körpers 12 handeln. Der geschäumte Körper 12 kann eine Art kubische Kontur oder Struktur aufweisen. Die erste thermische Kontaktfläche 14 und die zweite thermische Kontaktfläche 16 können in Richtung einer Flächennormalen überdeckend zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet sein.
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Die sich zwischen der ersten thermischen Kontaktfläche 14 und der zweiten thermischen Kontaktfläche 16 erstreckenden Seitenflächen 30 können flächenmäßig jeweils kleiner sein als die erste und die zweite thermische Kontaktfläche 14, 16. Die erste thermische Kontaktfläche 14 und die zweite thermische Kontaktfläche 16 können typischerweise im Wesentlichen gleich groß sein.
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Die Bauhöhe des geschäumten Körpers 12, d. h. ein Abstand zwischen der ersten thermischen Kontaktfläche 14 und der zweiten thermischen Kontaktfläche 16 kann einige Millimeter oder einige Zentimeter betragen. Von Vorteil beträgt der Abstand zwischen der ersten thermischen Kontaktfläche 14 und der zweiten thermischen Kontaktfläche 16 weniger als 1 cm, bevorzugt weniger als 5 mm und weiter bevorzugt weniger als 3 mm.
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Der geschäumte Körper 12 ermöglicht ein möglichst gutes und vollflächige anschmiegen an eine in 3 schematisch dargestellte Batteriezelle 102. Die Batteriezelle 102 kann eine dem Wärmeleitelement 10 zugewandte bzw. an das Wärmeleitelement 10 angrenzende Außenseite 104 aufweisen. Die Außenseite 104 kann etwa fertigungs- oder konstruktionsbedingt gewisse Unebenheiten oder geometrische Unregelmäßigkeiten aufweisen. Der geschäumte Körper 12 des Wärmeleitelement 10 weist typischerweise einen vorgegebenen elastischen oder plastischen Deformationsgrad oder ein dementsprechendes elastisches bzw. plastisches Deformationsvermögen auf. Im Zuge der Montage der in 3 gezeigten Batterieeinheit 100 kann die Batteriezelle 102 unter einer plastischen oder elastischen Deformation des geschäumten Körpers 12 des Wärmeleitelement 10 im Batteriegehäuse 110 angeordnet und daran oder darin fixiert werden.
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Für eine gesteigerte Wärmeleitfähigkeit weist das Wärmeleitelement 10 mehrere Wärmeleitfasern 22 auf, die in den geschäumten Körper 12 eingebettet sind. Die Wärmeleitfasern 22 sind, mit Ausnahme ihrer gegenüberliegenden Längsenden vollständig vom Material des geschäumten Körpers 12 umschlossen oder hiervon eingeschlossen. Die Wärmeleitfasern 22 können sich im Wesentlichen parallel zueinander von der ersten thermischen Kontaktfläche 14 zur zweiten thermischen Kontaktfläche 16 erstrecken. Wie insbesondere in 2 dargestellt weisen die Wärmeleitfasern 22 jeweils ein erstes Ende 24 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 26 auf. Die ersten Enden 24 der Wärmeleitfasern 22 ragen in die erste thermische Kontaktfläche 14 hinein. Auch die zweiten Enden 26 der Wärmeleitfasern 22 ragen in die gegenüberliegende zweite thermische Kontaktfläche 16 hinein. Von Vorteil liegen die gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden 24, 26 der Wärmeleitfasern 22 flächenbündig in der jeweils ersten bzw. zweiten thermischen Kontaktfläche 14, 16.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die gegenüberliegenden Längsenden 24, 26 der Wärmeleitfasern 22 nicht vom geschäumten Material des Körpers 12 umschlossen oder eingeschlossen sind. Vielmehr liegen die Längsenden 24, 26 frei, sodass eine besonders gute thermische Kopplung einerseits mit der Batteriezelle 102 und andererseits mit dem thermischen Reservoir 120 erzielt werden kann.
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Bei einem Schaummaterial 28, welches die Wärmeleitfasern 22 umgibt und welches im Wesentlichen das Wärmeleitelement 10 bildet, kann es sich um ein geschäumtes Duromermaterial, ein geschäumtes Plastomermaterial oder ein geschäumtes Elastomermaterial handeln. Von Vorteil weist das Schaummaterial 28 einen Silikonschaum und/oder einen Polyurethanschaum auf. Derartige geschäumte Körper 12 weisen typischerweise ein für den hier vorgesehenen Einsatzzweck ausreichende mechanische Elastizität auf, um einen möglichst vollflächigen mechanischen Kontakt mit der Außenseite 104 der Batteriezelle 102 zu bilden.
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In einem typischen und in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Wärmeleitelement 10 im Inneren eines Batteriegehäuses 110 einer Batterieeinheit 100 angeordnet. Die erste thermische Kontaktfläche 14 des Wärmeleitelements 10 ist hierbei mit einer Außenseite 104 zumindest einer Batteriezelle 102 oder mehrerer Batteriezellen 102 in thermischem Kontakt. Die gegenüberliegende zweite thermische Kontaktfläche 16 ist typischerweise mit einem thermischen Reservoir 120 in mechanischem bzw. thermischem Kontakt.
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Bei dem thermischen Reservoir 120 kann es sich, wie in 3 dargestellt um einen Teil des Batteriegehäuses 110 handeln. Das Batteriegehäuse 110 kann an dieser Stelle beispielsweise mittels externer Heiz-oder Kühlvorrichtungen passiv gekühlt oder beheizt werden. Über die vom Wärmeleitelement 10 bereitgestellte thermische Kopplung zwischen dem Batteriegehäuse 110 und zumindest einer oder mehrerer Batteriezellen 102 kann eine entsprechende Temperierung der Batteriezellen 102 erreicht werden. Das Batteriegehäuse 110 kann aber auch selbst mit einem aktiv heizenden und/oder aktiv kühlendem Heiz-und/oder Kühlkörper 112 versehen sein, welcher in 3 lediglich gestrichelt und somit als optionale Komponente vorgesehene ist. Die über das Wärmeleitelement 10 mit dem Heiz- und/oder Kühlkörper 112 in thermischen Kontakt bringbaren oder in thermischem Kontakt stehenden Batteriezellen 102 können dementsprechend aktiv gekühlt oder beheizt werden.
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Die in 3 dargestellte Batterieeinheit 100 ist typischerweise in oder an einem in 4 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 angeordnet. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Kraftfahrzeugkarosserie 2 mit einem Kraftfahrzeuginnenraum 3 auf. Das Kraftfahrzeug 1 ist ferner mit zumindest einem elektrischen Antrieb 4 ausgestattet, welcher mit einem elektrischen Energiespeicher 5 elektrisch verbunden ist. Der Energiespeicher 5 weist zumindest eine Batterieeinheit 100 auf oder er wird von einer Batterieeinheit 100 gebildet.
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Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltungen der Entwicklung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Entwicklung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Kraftfahrzeugkarosserie
- 3
- Kraftfahrzeuginnenraum
- 4
- Antrieb
- 5
- Energiespeicher
- 10
- Wärmeleitelement
- 12
- Körper
- 14
- Kontaktfläche
- 16
- Kontaktfläche
- 18
- Außenfläche
- 20
- Außenfläche
- 22
- Wärmeleitfaser
- 24
- Ende
- 26
- Ende
- 28
- Schaummaterial
- 30
- Seitenfläche
- 100
- Batterieeinheit
- 102
- Batteriezelle
- 104
- Außenseite
- 110
- Gehäuse
- 112
- Heiz- und/oder Kühlkörper
- 120
- thermisches Reservoir
