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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung umfassend wenigstens eine Batteriezelleneinheit und eine Kühleinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriezellenanordnung.
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Die Batteriezellenanordnung kann somit beispielsweise als Antriebsbatterie für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Bisher ist die jeweilige Batteriezelleneinheit der Batteriezellenanordnung dabei als eine Batteriezelle oder galvanische Zelle ausgebildet. Zum Bereitstellen der Batteriezellenanordnung sind in der Regel mehrere solcher Batteriezelleneinheiten seriell und/oder parallel miteinander verschaltet und zu sogenannten Zellmodulen zusammengefasst.
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In zukünftigen oder modernen Antriebsbatterien soll die einzelne Batteriezelle der Batteriezelleneinheit durch eine sogenannte Smart-Cell-Batteriezelle ausgetauscht werden. Als Smart-Cell-Batteriezelle umfasst die jeweilige Batteriezelleneinheit die vorgenannte Batteriezelle und zusätzlich noch eine Schaltungseinrichtung oder Schaltungselektronik. Diese Schaltungseinrichtung umfasst eine Aktivierungsleitung mit einem ersten Halbleiterschalter und einer zu der Aktivierungsleitung elektrisch parallel geschaltete Überbrückungsleitung mit einem zweiten Halbleiterschalter. Die Batteriezelle ist dabei in der Aktivierungsleitung elektrisch in Reihe zu dem ersten Halbleiterschalter angeschlossen. Der erste und zweite Halbleiterschalter sind zudem ausgebildet, in einem vorbestimmten Schaltbetrieb betrieben zu werden. Der jeweilige Halbleiterschalter kann zum Beispiel als MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) ausgebildet sein.
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In dem nun eine Vielzahl solcher Smart-Cell-Batteriezellen, wie zuvor beschrieben, miteinander verschaltet werden, können die einzelnen Batteriezellen besonders einfach hinzu- oder weggeschaltet werden. Dadurch können defekte oder funktionsgestörte Batteriezellen einfach elektrisch aus der Batteriezellenanordnung abgeschaltet werden und eine Nutzung der Batteriezellenanordnung, zum Beispiel als Antriebsbatterie, ist weiterhin möglich. Außerdem können in der Werkstatt bei einer Reparatur der Batteriezellenanordnung gezielt schwache oder defekte Batteriezellen ausgetauscht werden. Durch das Betreiben der beiden vorgenannten Schaltelemente im Schaltbetrieb mit einem vorbestimmten Schalt- oder Taktmuster ist es außerdem möglich, direkt an einem Anschluss der Batteriezelleneinheit einen sinusförmigen Strom oder eine sinusförmige Spannung abzugreifen. Dadurch kann direkt ein Elektromotor oder eine elektrische Traktionsmaschine angetrieben werden. Ein Pulswechselrichter als separate Komponente zum Wandeln des von der Batteriezelle bereitgestellten Gleichstroms in einen Wechselstrom wäre somit nicht mehr notwendig. Die Ausgestaltung einer solchen Batteriezelleneinheiten und deren Betrieb ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 054 145 A1 bekannt.
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Bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezellenanordnung, also beispielsweise beim Laden oder Entladen, kommt es jedoch zum Erwärmen der Batteriezellenanordnung. Diese Erwärmung hängt insbesondere mit dem Innenwiderstand oder Nennwiderstand der jeweiligen Batteriezelle zusammen. Bei einem Innenwiderstand von 1,1 mΩ bei 25°C und einem Betriebsstrom zum Laden oder Entladen von 150 A, kommt es nämlich zu einer Verlustleistung von etwa 24,75 W als Eigenverlust für jede Batteriezelle. Ein weiterer Faktor, der zu der genannten Erwärmung beiträgt, sind Leit- und Schaltverluste beim Betreiben der Schaltelemente der Smart-Cell-Batteriezelle im Schaltbetrieb. Bei einem Innenwiderstand (Drain-Source-Widerstand) des jeweiligen Schaltelements von 0,5 mΩ bei 25°C und dem Betriebsstrom von 150 A kann somit eine zusätzliche Verlustleistung von etwa 11,25 W entstehen. Somit ist die Gesamtverlustleistung einer Smart-Cell-Batteriezelle (Verlustleistung der Batteriezelle und Leit- und Schaltverluste der Halbleiterschalter) im Vergleich zu einer normalen Batteriezelle um ca. 30% gesteigert.
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Die Verlustleistung wird dabei in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, wodurch sich die Batteriezellenanordnung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb mit der Zeit erhitzt oder erwärmt. Um die Wärme abzuführen, also die Batteriezellenanordnung zu kühlen, umfasst die Batteriezellenanordnung deshalb in der Regel auch eine Kühleinrichtung, wie zum Beispiel ein flüssigkeitsbetriebenes Kühlsystem.
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Ein Kühlsystem zum Kühlen eines Powermoduls mit Leistungshalbleiterelektronik ist beispielsweise aus
EP 2 747 133 A2 bekannt. Hierbei ist ein Gehäuse eines Powermoduls mit Leistungshalbleiterelektronik beschrieben, welche zum Kühlen an einem flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper angebracht ist. Dazu ist die Leistungshalbleiterelektronik auf einem Keramiksubstrat angebracht, welches in eine Aussparung einer Metallplatte, die an dem Kühlkörper anliegt, eingebracht ist.
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Ein weiteres Beispiel zum Kühlen eines Halbleitergeräts ist aus der
EP 2 306 512 A2 bekannt. Hierbei ist das Halbleitergerät gestapelt über ein elektrisch nicht leitendes Substrat an einem Kühlkörper angeordnet. Um ein Brechen des elektrisch nicht leitenden Substrats zu vermeiden, umfasst die Anordnung zusätzlich noch ein Stressentspannungselement, welches zwischen dem Kühlkörper und dem elektrisch nicht leitenden Substrat angebracht ist.
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Die im Stand der Technik genannten Möglichkeiten zum Kühlen oder Entwärmen von Halbleiterelektronik sind jedoch für die Anwendung zum Kühlen einer Batteriezellenanordnung nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kühlen oder Entwärmen einer Batteriezellenanordnung mit Smart-Cell-Batteriezellen effizienter zu gestalten und gleichzeitig durch die Kühlung ausgelöste Defekte der Batteriezellenanordnung zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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In der Erfindung geht es insbesondere darum, eine effiziente Kühlanbindung für die Halbleiterschalter der Schaltungseinrichtung einer Smart-Cell-Batteriezelle an eine vorhandene Kühleinrichtung der Batteriezellenanordnung zu schaffen, ohne dabei die Kühleinrichtung innerhalb der Batteriezelleneinheit zu integrieren. Insbesondere dann, wenn die Kühleinrichtung eine Flüssigkeit als Kühlmittel aufweist, könnte es bei einem Defekt oder Leck der Kühleinrichtung ansonsten nämlich zu einem Kurzschluss in der Schaltungseinrichtung kommen. Dadurch würde die Batteriezellenanordnung zumindest in ihrer Funktion gestört werden. Es könnte zu einem Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs kommen.
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Entsprechend umfasst die Batteriezellenanordnung also neben der einen oder den mehreren Batteriezelleneinheiten mit der jeweiligen Batteriezelle und der Schaltungseinrichtung auch die Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung ist bevorzugt als flüssigkeitsgekühltes Kühlsystem oder Wärmetauscher mit einer Flüssigkeit als Kühlmedium, wie zum Beispiel einer Wasser-Glykol-Lösung, ausgebildet. Die Schaltungseinrichtung oder Schaltungselektronik ist dabei an einer Oberseite eines Grundkörpers der Batteriezelle angeordnet, also angebracht oder befestigt. Im Gegensatz dazu ist die Kühleinrichtung ist zum Kühlen der jeweiligen Batteriezelleneinheit jedoch an einer jeweiligen Unterseite des Grundkörpers der Batteriezelle angeordnet, also angebracht oder befestigt. Somit stellt der Grundkörper der Batteriezelle sozusagen eine Schutzbarriere oder einen Schutzabstand für die Schaltungseinrichtung und die Kühleinrichtung bereit. Die genannte Oberseite und Unterseite des Grundkörpers und auch alle im Folgenden beschriebenen geometrischen Anordnungen, Ausrichtungen und/oder Richtungsangaben beziehen sich dabei insbesondere auf eine Position der Batteriezellenanordnung in Einbaulage. Mit Einbaulage ist eine Position oder Ausrichtung der Batteriezellenanordnung für den bestimmungsgemäßen Gebrauch oder Betrieb, zum Beispiel als Antriebsbatterie gemeint. Als Antriebsbatterie sind in Einbaulage die Oberseite und die Unterseite des Grundkörpers dabei im Wesentlichen parallel zu einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs ausgerichtet. Die Unterseite ist dabei untergrundnah, das heißt, zum Beispiel zu einem Untergrund, wie beispielsweise einer Fahrbahn, hin ausgerichtet. Die Oberseite ist hingegen in Fahrzeughochrichtung über der Unterseite und somit in Richtung eines Dachs des Kraftfahrzeugs ausgerichtet.
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Durch die Anordnung der Kühleinrichtung unterhalb der Schaltungseinrichtung, wird somit auch bei einem Defekt der Kühleinrichtung und eines daraus resultierenden Austretens von Flüssigkeit als Kühlmittel, die Flüssigkeit gemäß dem Gesetz der Schwerkraft nach unten ablaufen. Die Schaltungseinrichtung an der Oberseite des Grundkörpers bleibt davon also unberührt. Dadurch kann der Kurzschluss der Schaltungseinrichtung und somit ein Defekt der Batteriezellenanordnung vermieden werden.
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Um nun die Schaltungseinrichtung dennoch an die Kühleinrichtung anzubinden, umfasst die Batteriezellenanordnung zusätzlich noch wenigstens ein Kühlelement, welches einen Grundkörper umfasst, der ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst. Das Kühlelement ist somit bevorzugt hauptsächlich oder teilweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Über dieses Kühlelement ist die Schaltungseinrichtung nun mit der Kühleinrichtung thermisch leitend, also wärmeleitend, gekoppelt. Dazu kann das Kühlelement zum Beispiel an einem Ende thermisch leitend mit der Schaltungseinrichtung verbunden und an einem anderen Ende thermisch leitend mit der Kühleinrichtung verbunden sein. Als Synonym für den Begriff „koppeln“ im Sinne der Erfindung können also auch die Begriffe „verbinden“ oder „anschließen“ verwendet werden. Wärme, die dann im Betrieb der Schaltungseinrichtung, also zum Beispiel im Schaltbetrieb der Halbleiterschalter entsteht, kann somit über das Kühlelement in Richtung der Kühleinrichtung abtransportiert oder abgeführt werden. Indem Metall oder die Metalllegierung als Material für das Kühlelement gewählt werden, kann somit insgesamt ein sehr gutes Wärmetransportverhalten, also eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Kühlelements gewährleitet werden. Das Prinzip des Wärmetransports kann je nach Ausgestaltung des Kühlelements dabei entweder auf Wärmeleitung und/oder Konvektion beruhen. Mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlelements sind im späteren Verlauf noch einmal näher beschrieben.
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Besonders bevorzugt weist die Batteriezellenanordnung eine Vielzahl an den zuvor beschriebenen Batteriezelleneinheiten auf und umfasst zusätzlich auch eine Vielzahl an Kühlelementen, wobei jeder der Batteriezelleneinheiten genau ein unterschiedliches Kühlelement zugeordnet ist. Alternativ dazu kann die Batteriezellenanordnung aber auch nur ein Kühlelement umfassen, das der Vielzahl an Batteriezelleneinheiten zugeordnet ist.
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Zum besseren Verständnis wird im Folgenden nun noch einmal auf die Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Schaltungseinrichtung und den Betrieb deren Halbleiterschalter im Schaltbetrieb eingegangen. Mit Schaltbetrieb ist nämlich gemeint, dass die Halbleiterschalter einen eingeschalteten und einen ausgeschalteten Schaltzustand aufweisen. In dem eingeschalteten Schaltzustand weist der jeweilige Halbleiterschalter eine sehr gute Leitfähigkeit auf, so dass ein hoher Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. In dem ausgeschalteten Schaltzustand ist das jeweilige Schaltelement hochohmig, das heißt, der jeweilige Halbleiterschalter stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, wodurch kein oder nur ein vernachlässigbar geringer elektrischer Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. Zum Betreiben der Halbleiterschalter in dem Schaltbetrieb ist bevorzugt eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise ein Batteriemanagementsystem eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen. Mit Halbleiterschalter ist insbesondere ein steuerbarer elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallel geschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metalloxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MOSFET), ein Isolated-Gate-BipolarTransistor (IGBT), vorzugsweise mit einer integrierten Freilaufdiode oder dergleichen gemeint.
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Bevorzugt sind die Halbleiterschalter der Schaltungseinrichtung als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet. Mit Leistungshalbleiterschalter ist dabei gemeint, die Halbleiterschalter bevorzugt einen elektrischen Strom größer als 1 A führen können. Vorzugsweise sind die Halbleiterschalter sogar ausgebildet, bei einer elektrischen Spannung von 20 V einen Strom von 200 A führen zu können.
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Die Anbindung oder Ankopplung der Schaltungseinrichtung an die Batteriezelle zum Bilden der Smart-Cell-Batteriezelle (Batteriezelleneinheit), erfolgt, wie eingangs beschrieben, in der Aktivierungsleitung. Dabei ist die Batteriezelle über die Aktivierungsleitung mit ihrem Pluspol an ein Ende des ersten Halbleiterschalters angeschlossen. Mit ihrem Minuspol ist die Batteriezelle über die Aktivierungsleitung an die Übertragungsleitung und an ein Ende des zweiten Halbleiterschalters angeschlossen. Die jeweiligen anderen Enden des ersten und zweiten Halbleiterschalters sind über die Aktivierungsleitung und die Überbrückungsleitung in einem Drittpol (Third-Pol) aneinander angeschlossen. Der Pluspol, der Minuspol und der Third-Pol bilden somit elektrische Anschlusskontakte oder Anschlusspole der Batteriezelleneinheit. Zwischen dem Minuspol und dem Third-Pol ist dabei eine elektrische Spannung oder Gesamtspannung der Smart-Cell-Batteriezelle abgreifbar oder zuführbar. Somit kann dieser Anschluss auch als Smart-Cell-Anschluss bezeichnet werden. Zwischen dem Pluspol und dem Minuspol ist hingegen eine elektrische Spannung der Batteriezelle abgreifbar oder zuführbar. Dieser Anschluss kann deshalb auch als Batteriezellenanschluss bezeichnet werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlelement einen Wärmeleitkoeffizienten größer als 100 W/(m·K) aufweist. Das heißt, das Kühlelement ist besonders gut wärmeleitfähig und weist somit einen geringen Wärmewiderstand auf. Dadurch kann das Kühlelement die von der durch die Verlustleistung erzeugte Wärme der Schaltungseinrichtung besonders schnell und effizient zu der Kühleinrichtung abtransportieren.
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Ein solcher hoher Wärmeleitkoeffizient kann beispielsweise durch eine passende Wahl des Materials des Kühlelements realisiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Grundkörper des Kühlelements entsprechend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Dadurch kann eine Wärmeleitfähigkeit von (etwa) 100 bis (etwa) 400 W/(m.K) bereitgestellt sein. Das Kühlelement weist somit keine elektrische Isolierung oder Isolierschicht auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Kühlelement als ein Blech oder ein Wärmerohr, wie beispielsweise eine Heat-Pipe oder ein ZweiPhasen-Thermosiphon, ausgebildet.
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Mit Blech ist gemeint, dass der Grundkörper des Kühlelements eine Länge und Breite aufweist, die sehr viel größer ist als dessen Dicke. Bevorzugt beträgt die Dicke des Blechs wenigstens 0,5 cm, insbesondere wenigstens 1 cm. Durch die Ausgestaltung als Blech ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlelement eine besonders große Oberfläche oder Breitseite (durch Länge und Breite definierte Fläche) aufweist und somit die Wärmeableitung noch weiter verbessert werden kann. In diesem Zusammenhang ist das Kühlelement, also dessen Grundkörper, bevorzugt vollständig aus dem Metall oder der Metalllegierung gebildet. Der Wärmetransport erfolgt somit mittels der vorgenannten Wärmeleitung.
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Durch die Ausgestaltung als das sogenannte Wärmerohr ergibt sich der Vorteil, dass der Bauraumbedarf des Kühlelements besonders gering ausfallen kann. Durch das Wärmerohr können nämlich große Wärmemengen auf einer relativ kleinen Querschnittsfläche transportiert werden. Bevorzugt sind dabei ein Verdampfer des Wärmerohrs an der Schaltungseinrichtung und ein Kondensator des Wärmerohrs an der Kühleinrichtung angeordnet. Hierbei erfolgt der Wärmetransport insbesondere mittels der vorgenannten Konvektion in dem Wärmerohr. Auch der Wärmetransport mittels Wärmeleitung ist möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der Grundkörper des Kühlelements flächig an wenigstens einer Seite des Grundkörpers der Batteriezelle an. Das heißt, der Grundkörper liegt bevorzugt mit einer der Breitseiten, also einer durch eine Länge und Breite des Grundkörpers gebildeten Oberfläche an dem Grundkörper der Batteriezelle an. Bei der Seite des Grundkörpers der Batteriezelle kann es sich bevorzugt um eine Oberseite und/oder eine Verbindungsseite, welche die Oberseite und die Unterseite des Grundkörpers der Batteriezelle verbindet, handeln. Dadurch kann neben der Kühlung der Unterseite der Batteriezelle durch das Anliegen an der Kühleinrichtung, auch weitere Seiten der Batteriezelle mittels des Kühlelements gekühlt werden. Die Kühlung der Batteriezelleneinheit kann somit noch effizienter erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Grundkörper des Kühlelements bevorzugt wenigstens zwei Bereiche. Ein erster der Bereiche liegt dabei zwischen dem Grundkörper der Batteriezelle und der Schaltungseinrichtung an der Oberseite des Grundkörpers der Batteriezelle und einer Unterseite eines Grundkörpers der Schaltungseinrichtung an. Wenigstens ein zweiter der Bereiche liegt an einer der Verbindungsseiten des Grundkörpers der Batteriezelle, welche die Oberseite und die Unterseite des Grundkörpers der Batteriezelle verbinden, an.
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Die Batteriezelle ist somit von wenigstens zwei Seiten von dem Kühlelement umgriffen, wobei der jeweilige zweite Bereich in einem vorbestimmten Winkel von dem ersten der Bereiche abragt. Der Winkel kann dabei bevorzugt durch eine Form des Grundkörpers der Batteriezelle vorgegeben sein. Bevorzugt kann Grundkörper des Kühlelements somit zum Beispiel einen L-förmigen Querschnitt auf. Der erste der Bereiche kann dabei ein Grundelement des Grundkörpers des Kühlelements darstellen. In dem vorbestimmten Winkel zu dem Grundelement kann wenigstens ein zweiter Bereich als Arm abragen. Das Grundelement liegt dabei bevorzugt flächig an einer der Verbindungsseiten des Grundkörpers der Batteriezelle an, wohingegen der Arm bevorzugt flächig an der Oberseite des Grundkörpers der Batteriezelle und an dem Grundkörper der Schaltungseinrichtung anliegt. Die thermisch leitende Anbindung an die Kühleinrichtung kann somit beispielsweise über eine Schmalseite oder Seitenkante, welche durch eine Dicke des Grundkörpers des Kühlelements gegeben ist, erfolgen.
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In vorteilhafter Weise können auch mehr als zwei Bereiche, zum Beispiel drei oder vier oder fünf Bereiche vorgesehen sein, wobei an jeder der Verbindungsseiten der Batteriezelle ein unterschiedlicher Bereich anliegt.
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In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass sich der erste der Bereiche vollständig oder teilweise entlang der Oberseite des Grundkörpers der Batteriezelle erstreckt. Das heißt, der erste der Bereiche kann die Oberseite des Grundkörpers der Batteriezelle bevorzugt vollständig oder auch nur bereichsweise oder teilweise überdecken. Vorzugsweise weist der erste der Bereiche zudem wenigstens einen Ausschnitt für wenigstens einen der vorgenannten Anschlusskontakt (Minuspol, Pluspol, und/oder Third-Pol) der Batteriezelleneinheit aufweist. Bei dem Ausschnitt handelt es sich somit um einen Durchbruch durch den Grundkörper des Kühlelements im ersten der Bereiche, so dass der jeweilige eine Anschlusskontakt durch den ersten der Bereiche hindurchsteckbar, also vollständig hindurchführbar, ist. Bevorzugt weist der Ausschnitt dabei einen größeren Radius auf als der jeweilige Anschlusskontakt. Dadurch ist der Grundkörper des Kühlelements elektrisch von dem jeweiligen Anschlusskontakt isoliert. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine elektrisch isolierende, aber thermisch leitende Isolationsschicht zwischen eine Kontaktfläche des Anschlusskontakts und des Ausschnitts eingebracht werden. Somit ist der Anschlusskontakt zwar thermisch leitend, aber dennoch elektrisch isoliert an das Kühlelement angeschlossen. Somit können also auch die Anschlusskontakte der Batteriezelleneinheit thermisch über das Kühlelement an die Kühleinrichtung angebunden werden, wodurch die Batteriezelle beziehungsweise die Batteriezelleneinheit zusätzlich entwärmt werden kann.
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Im Folgenden ist nun die Ausgestaltung der Schaltungseinrichtung näher beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform ist dazu vorgesehen, dass die Schaltungseinrichtung eine wärmeabführende Leiterplatte umfasst, welche als Träger für elektronische oder elektrische Komponenten der Schaltungseinrichtung ausgestaltet ist. Ein solche wärmeabführende Leiterplatte kann insbesondere als sogenannte IMS-Leiterplatte (IMS: Insulated Metal Substrate, isoliertes Metallsubstrat) oder als sogenannte Leiterplatte mit Dickkupferleitungen ausgebildet sein. In bekannter Weise kann eine solche Leiterplatte dabei die elektrischen Leitungen, also zum Beispiel die Aktivierungsleitung und die Überbrückungsleitung, zum Verschalten der elektrischen Komponenten der Schaltungseinrichtung bereitstellen. Zu den elektrischen Komponenten oder Bauteilen zählen insbesondere die Halbleiterschalter. Die Schaltungseinrichtung kann zusätzlich jedoch auch weitere elektronische Komponenten, wie beispielsweise Mikrocontroller, Stromwandler, Strom- oder Spannungssensoren oder Sendeempfängermodule, umfassen.
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Die Leiterplatte oder Platine stellt somit das Substrat für die Schaltungseinrichtung dar und bildet somit im Wesentlichen den Grundkörper der Schaltungseinrichtung. Die elektronischen Komponenten sind dabei bevorzugt an einer Oberseite des Grundkörpers angebracht oder befestigt. Mit Oberseite ist dabei eine der Batteriezelle abgewandte Seite des Grundkörpers gemeint. Die Unterseite des Grundkörpers ist hingegen zur Batteriezelle hin ausgerichtet und thermisch leitend mit dem Kühlelement verbunden. Bei der Leiterplatte handelt es sich somit bevorzugt um eine einseitig bestückte SMD-Leiterplatte (SMD: surface mounted device; Oberflächenmontiertes Bauelement).
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Für den Fall, dass die Leiterplatte als die zuvor genannte IMS-Leiterplatte ausgebildet ist, ist eine elektrische Isolation zu dem Kühlelement und/oder dem Grundkörper der Batteriezelle bereits durch die Leiterplattentechnologie gewährleistet. Ist die Leiterplatte hingegen als Dickkupferleiterplatte ausgebildet, ist zur elektrischen Isolation zu dem Kühlelement und/oder dem Grundkörper der Batteriezelle eine elektrische Isolierschicht notwendig. Diese elektrische Isolierschicht kann beispielsweise durch ein sogenanntes Thermal Interface Material (thermisches Schnittstellenmaterial, TIM) realisiert sein. Die Ausgestaltung eines solchen TIM ist im Folgenden näher beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist nämlich vorgesehen, dass das Kühlelement zusätzlich zu seinem Grundkörper ein solches TIM umfasst, über welches der Grundkörper des Kühlelements mit der Schaltungseinrichtung und/oder der Kühleinrichtung und/oder dem Grundkörper der Batteriezelle thermisch leitend gekoppelt ist. Ein solches TIM ist bevorzugt als Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpad und/oder Wärmeleitfolie ausgebildet. Dadurch kann die thermische Ankopplung des Kühlelements durch eine Oberflächenvergrößerung noch weiter verbessert werden.
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Je nach Ausgestaltung der vorgenannten Leiterplatte, also je nachdem, ob durch die Leiterplattentechnologie bereits eine elektrische Isolierung bereitgestellt ist oder nicht, kann das TIM dabei in bekannter Weise elektrisch leitend und wärmeleitend oder elektrisch nicht leitend (elektrisch isolierend) und wärmeleitend ausgebildet sein.
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Wie eingangs beschrieben, kann die Batteriezellenanordnung bevorzugt als Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug genutzt werden. Dementsprechend betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriezellenanordnung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Dabei ist die Batteriezellenanordnung als Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet, und das Kraftfahrzeug umfasst die vorgenannte Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, die Halbleiterschalter im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezellenanordnung in dem Schaltbetrieb zu betreiben. Die genannte Steuereinrichtung kann beispielsweise als Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Zum Steuern der Halbleiterschalter kann die Steuereinrichtung bevorzugt eine Prozessoreinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, ein Steuerungssignal zum Betreiben der Halbleiterschalter in dem Schaltbetrieb zu erzeugen oder bereitzustellen. Die Prozessoreinheit kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinheit einen Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, beim Ausführen der Prozessoreinheit den Schaltbetrieb zu gewährleisten. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinheit gespeichert sein.
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Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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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 als Smart-Cell-Batteriezelle ausgebildete Batteriezelleneinheit einer Batteriezellenanordnung, welche zum Abführen einer Betriebswärme, die sich beim Betrieb der Batteriezelleneinheit ergibt, ein an eine Kühleinrichtung angeschlossenes Kühlelement umfasst; und
- 2 ein schematisches Schaltdiagramm eines beispielhaften Aufbaus einer Smart-Cell-Batteriezelle.
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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.
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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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Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, weisen in der Regel eine Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie auf. Diese Antriebsbatterie umfasst üblicherweise eine Vielzahl an seriell und parallel geschalteten Batteriezellen, welche eine Antriebsenergie zum Betreiben eines Elektromotors oder elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs bereitstellen. In modernen oder zukünftigen Fahrzeugen sollen diese einfachen Batteriezellen oder galvanischen Zellen durch sogenannte schaltbare Batteriezellen oder Smart-Cell-Batteriezellen ausgetauscht werden. Dabei werden eine Batteriezelle 30 und eine Schaltungseinrichtung 40 in einer Batteriezelleneinheit 20 miteinander verschaltet. Die Schaltungseinrichtung 40 dient dabei zum elektrischen zu- oder abschalten der jeweiligen Batteriezelle 30 zu den übrigen Batteriezelleneinheiten 20.
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Schaltskizze einer solchen Batteriezelleneinheit 20. Die Schaltungseinrichtung 40 der Batteriezelleneinheit 20 umfasst dabei eine Aktivierungsleitung 45 mit einem ersten Halbleiterschalter 47 und eine zu der Aktivierungsleitung 45 parallel geschaltete Überbrückungsleitung 46 mit einem zweiten Halbleiterschalter 48. Die Batteriezelle 30 ist elektrisch in Reihe in der Aktivierungsleitung zu dem ersten Halbleiterschalter angeschlossen. Somit ist die Batteriezelle 30 beispielsweise mit einem Pluspol 22 an einem Ende an den ersten Halbleiterschalter 47 angeschlossen sein. Der Minuspol 23 ist sie hingegen an ein Ende des zweiten Halbleiterschalters 48 angeschlossen. Über die jeweiligen anderen Enden sind die beiden Halbleiterschalter 47, 48 aneinander angeschlossen, wodurch ein dritter Anschlusskontakt, im Folgenden auch als Third-Pol 21 bezeichnet, bereitgestellt ist. Der Third-Pol 21, der Pluspol 22 und der Minuspol 23 stellen dabei jeweilige Anschlusskontakte der Batteriezelleneinheit 20 dar.
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Zum Nutzen oder zum vollständig Überbrücken, also zum Zu- und Abschalten der Batteriezelle 30 werden die beiden Halbleiterschalter 47 und 48 dabei in einem vorbestimmten Schaltbetrieb betrieben, wie er zuvor beschrieben wurde. Zum Betreiben oder Schalten der Schaltelemente 47,48 kann dabei bevorzugt eine Steuereinrichtung, wie zum Beispiel ein Batteriemanagementsystem, des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Der erste Halbleiterschalter 47 kann somit auch als Aktivierungsschalter bezeichnet werden, während der zweite Halbleiterschalter 48 auch als Bypass-Schalter oder Überbrückungsschalter bezeichnet werden kann.
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2 zeigt nun noch einmal einen mechanisch Aufbau der Batteriezelleneinheit 20, welche in einer der Batteriezellenanordnung 10 als Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug verbaut ist, als Schnittbild aus einer Seitenansicht. Zur besseren Übersicht ist in 2 nur eine solche Batteriezelleneinheit 20 dargestellt. Die Batteriezelle 30 weist dabei einen Grundkörper 31 auf, der in 2 im Wesentlichen rechteckförmig dargestellt ist. An einer Oberseite 32 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30 sind dabei die genannten Anschlusskontakte 21, 22, 23 der Batteriezelleneinheit 20 angebracht. Die Schaltungseinrichtung 40 weist in 2 ebenfalls einen Grundkörper 41 auf, der vorliegend als Leiterplatte ausgebildet ist. Durch die Leiterplatte sind somit die elektrischen Leitungen, wie zum Beispiel die Aktivierungsleitung 45 und die Überbrückungsleitung 46, zum Anschließen der Batteriezelle 30, bereitgestellt. Die Anschlusskontakte 21, 22, 23 der Batteriezelleneinheit 20 sind dabei in Durchsteckmontage durch die Leiterplatte hindurchgesteckt und elektrisch leitend angeschlossen. Somit ist der Grundkörper 41 der Schaltungseinrichtung 40 mit einer Unterseite 43 zu einer Oberseite 32 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30 ausgerichtet. An einer Oberseite 42 des Grundkörpers 41 der Schaltungseinrichtung 40 sind dabei die vorgenannten Halbleiterschalter 47 und 48 in einer Oberflächenmontage angebracht und elektrisch leitend verbunden.
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Beim Betreiben der Batteriezelleneinheit 20, also zum Beispiel beim Laden oder Entladen der Batteriezelle 30 und beim Schalten der Halbleiterschalter 47, 48, kommt es aufgrund des Innenwiderstands der jeweiligen Batteriezelle 30 und der Halbleiterschalter zu einer Verlustleistung, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Um diese Wärme oder Betriebswärme abführen zu können, weist die Batteriezellenanordnung 10, wie in 2 gezeigt, eine Kühleinrichtung 50 auf. Diese Kühleinrichtung 50 ist bevorzugt als flüssigkeitsgekühltes Kühlsystem, zum Beispiel mit einer Wasser-Glykol-Lösung als Kühlmittel, ausgebildet. Um bei einem Defekt der Kühleinrichtung 50, wie beispielsweise einem Auslaufen des Kühlmittels, ein Kontaktieren des Kühlmittels mit den Anschlusskontakten 21, 22, 23 und der Schaltungseinrichtung 40 zu vermeiden und dadurch eine Funktionsstörung oder einen Defekt der Batteriezelleneinheit 20 zu verhindern, ist die Kühleinrichtung 50, wie in 2 gezeigt, an einer Unterseite 33 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30 angebracht. Der Grundkörper 31 dient somit als Schutzbarriere oder Schutzschicht für die Elektronik der Batteriezelleneinheit 20.
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Dadurch ist jedoch nur die jeweilige Batteriezelle 30 an die Kühleinrichtung 50 angebunden. Um nun zusätzlich auch für die Schaltungseinrichtung 40 und insbesondere die Halbleiterschalter 47, 48 an die Kühleinrichtung 50 anzubinden, umfasst die Batteriezellenanordnung 10 zusätzlich noch ein Kühlelement 60. Das Kühlelement weist einen Grundkörper 61 auf, der aus einem Metall oder Metalllegierung gebildet ist und die Schaltungseinrichtung 40 und die Kühleinrichtung 50 thermisch leitend verbindet.
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Der Grundkörper 61 des Kühlelements 60 weist dabei einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf. Durch den L-förmigen Querschnitt ist der Grundkörper 61 somit in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Bereich 66 ist dabei mit einer Batteriekontaktseite 62 flächig an einer Oberseite 32 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30 angeordnet und liegt bevorzugt direkt daran an. Mit einer Schaltungseinrichtungskontaktseite 63 ist der Grundkörper 61 hingegen mit dem ersten Bereich 66 an der Schaltungseinrichtung an einer Unterseite 43 des Grundkörpers 41 der Schaltungseinrichtung 40 angeordnet. Der zweite Bereich 65 ist hingegen mit der Batteriekontaktseite 62 an einer Verbindungsseite 34 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30 angebracht und liegt insbesondere direkt daran an. Mit Verbindungsseite 34 ist dabei eine Seitenfläche des Grundkörpers 31 gemeint, welcher die Oberseite 32 und die Unterseite 33 verbindet. Die Schaltungseinrichtungskontaktseite 63 ist in dem zweiten Bereich 65 des Grundkörpers 61 hingegen zu einer Umgebung der Batteriezellenanordnung 10 hin ausgerichtet. In dem zweiten Bereich 65 weist der Grundkörper 61 zudem noch eine Kühleinrichtungskontaktseite 64 auf, welche durch eine Dicke des Grundkörpers 61, also die Dicke des Metallblechs, vorgegeben ist. Über diese Kühleinrichtungskontaktseite 64 ist der Grundkörper 61 mit der Kühleinrichtung 50 thermisch verbunden, liegt also bevorzugt direkt daran an.
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Dadurch kann nun auch die Betriebswärme der Schaltungseinrichtung 40 nach dem Prinzip der Wärmeleitung in Richtung der Kühleinrichtung 50 über das Kühlelement abgeleitet oder abtransportiert werden. Gleichzeitig kann das Kühlelement somit aber auch zusätzlich zum Abführen der Betriebswärme der Batteriezelle 30 dienen. Außerdem kann das Kühlelement 60 durch den in 2 gezeigten Aufbau auch zur Stabilisierung der Batteriezelleneinheit 20 zum Beispiel bei einer Verschaltung mit mehreren anderen Batteriezelleneinheiten 20 dienen.
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Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich der erste Bereich 66 dabei zumindest teilweise entlang der Oberseite 32 des Grundkörpers 31 der Batteriezelle 30. Dabei weist der erste Bereich 66 eine Aussparung 67 auf, durch welche der Pluspol 22 der Batteriezelle 30 hindurchgesteckt ist. Dadurch kann auch eine thermische Ankopplung, also ein Abführen der Abwärme, welche an den Anschlusskontakten 21, 22, 23 der Batteriezelleneinheit 20 entsteht, durch das Kühlelement 60 realisiert werden.
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Um eine thermische Anbindung des Grundkörpers 41 der Schaltungseinrichtung, also der Leiterplatte, an das Kühlelement 60 weiter zu verbessern, ist zwischen der Schaltungseinrichtungskontaktseite 63 und der Unterseite 43 des Grundkörpers 41 der Schaltungseinrichtung 40 ein thermisches Schnittstellenmaterial 68 als Wärmeleitschicht eingebracht. Das thermische Schnittstellenmaterial 68 kann beispielsweise durch eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber oder ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitfolie realisiert sein.
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Um das Abführen der Betriebswärme der Halbleiterschalter 47 und 48 zusätzlich weiter zu verbessern, kann der Grundkörper 41, also insbesondere die Leiterplatte, bevorzugt als IMS-Leiterplatte oder IMS-Platine ausgebildet sein. Alternativ kann die Leiterplatte auch als Leiterplatte mit Dickkupferleitungen ausgebildet sein (Dickkupferleiterplatte). In diesem Fall ist die Wärmeleitschicht zusätzlich zur Wärmeleitung auch elektrisch isolierend ausgebildet.
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Durch diese Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung kann also eine Kühlung oder Entwärmung der Leistungselektronik, also der Schaltungseinrichtung 40, und auch der Batteriezelle 30, bereitgestellt werden, ohne dass es einen aufwendigen Umbau der Kühleinrichtung 50 bedarf. Die Kühleinrichtung kann nämlich weiter an der Unterseite 33 der Batteriezelle 30 angeordnet bleiben. Auch das Einbringen einer aktiven Kühlung in die Batteriezelle 30 selbst ist nicht nötig. Somit ist auch keine Kühlflüssigkeit, also kein Kühlmedium, innerhalb der Batteriezelle 30 nötig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011054145 A1 [0004]
- EP 2747133 A2 [0007]
- EP 2306512 A2 [0008]
