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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Wärmeleitelement eines Batteriemoduls nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen und einem solchen Wärmeleitelement. Ferner betrifft die Erfindung ebenfalls die Verwendung eines solchen Batteriemoduls.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind. Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
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Insbesondere für leichte elektrisch angetriebene Fahrzeuge, zu Englisch auch als light electric vehicle (LEV) bekannt, sind vergleichbar leichte und bevorzugt skalierbare Batteriesysteme auszubilden. Dabei kann eine Vielzahl an vergleichbar kleinen und üblicherweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen zu dem Batteriemodul bzw. auch zu der Batterie zusammengeschaltet werden.
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Batteriezellen erzeugen während eines Betriebes aufgrund ihres elektrischen Innerwiderstandes bei einem Stromfluss Wärme, welche abzuführen ist, um Schädigungen der Batteriezellen zu verhindern und auch um eine optimale Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen zu können. Lithium-Ionen-Batteriezellen dürfen beispielsweise nur in bestimmten, begrenzten Temperaturfenstern betrieben werden, da ansonsten sicherheitskritische Ausfälle der Batteriezellen drohen.
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Typischerweise sind Batteriemodule in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen passiv gekühlt, da eine aktive Kühlung oft aus Platz- und Kostengründen nicht darstellbar ist. Besonders in vergleichbar warmen Ländern mit Umgebungstemperaturen, die häufig über 30 °C liegen können, kann hierdurch die Verfügbarkeit der Batteriemodule und somit auch des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges massiv eingeschränkt sein. Insbesondere das Wiederaufladen der einzelnen Batteriezellen der Batteriemodule im Anschluss an eine Fahrt gestaltet sich unter Umständen vergleichbar schwierig und längere Wartezeiten könnten nötig sein, bevor der Ladeprozess gestartet werden darf.
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Beispielsweise die Druckschriften
US 2011/159340 und
EP 1274137 A1 offenbaren jeweils ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Wärmeleitelement eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass ein solches eine verbesserte Wärmeleitung und eine gleichmäßige Wärmeverteilung ausbilden kann.
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Dazu wird ein Wärmeleitelement eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt. Das Wärmeleitelement weist zumindest eine erste Schicht und zumindest eine zweite Schicht auf.
Die erste Schicht ist dabei aus einem thermisch leitfähig ausgebildeten Ausgleichsmaterial ausgebildet. Die zweite Schicht ist dabei aus Graphit und/oder Kupfer ausgebildet. Es ist auch möglich, die zweite Schicht aus Aluminium auszubilden.
Weiterhin sind die zumindest eine erste Schicht und die zumindest eine zweite Schicht mit jeweils größten Seitenflächen unmittelbar mechanisch und wärmeleitend kontaktierend angeordnet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Insbesondere sei an dieser Stelle angemerkt, dass das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichsmaterial der zumindest einen ersten Schicht eine vergleichbar gute Wärmeleitfähigkeit in einer senkrecht zu den jeweils größten Seitenflächen angeordneten Richtung aufweist, wie beispielsweise einer z-Richtung. Weiterhin sei an dieser Stelle insbesondere angemerkt, dass Graphit und/oder Kupfer der zumindest einen zweiten Schicht eine vergleichbar gute Wärmeleitfähigkeit in der Ebene der jeweils größten Seitenflächen aufweist, wie beispielsweise einer xy-Ebene. Die z-Richtung ist dabei senkrecht zu der xy-Ebene angeordnet. Insbesondere ist die zweite Schicht anisotrop ausgebildet, weist also bspw. in der xy-Ebene eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als in der z-Richtung. Dadurch kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung ausgebildet werden.
Ein Wärmeleitelement mit zumindest einer ersten Schicht und zumindest einer zweiten Schicht, welche unmittelbar mechanisch und wärmeleitend kontaktierend angeordnet sind, weist somit insgesamt eine verbesserte Wärmeleitung und auch eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf.
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Zweckmäßigerweise ist die zumindest eine zweite Schicht als Graphitfolie oder als Kupferfolie ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter einer Folie verstanden sein soll, dass dieses sich bei einer Rotation im Schwerefeld allein aufgrund der Schwerkraft verformt. Dies bietet den Vorteil, dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche Konturen ausgebildet werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichselement der zumindest einen ersten Schicht ausgewählt aus Epoxid, Acrylat oder Silikon. Das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichselement könnte dabei als eine Wärmeleitpaste oder als ein sogenanntes Gappad bzw. ein so genannter Gapfiller ausgebildet sein. Weiterhin könnte das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichselement auch als thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff ausgebildet sein. Hierdurch kann eine gewünschte Anpassung an unterschiedliche Anforderungen zur Verfügung gestellt werden.
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Besonders bevorzugt weist das Wärmeleitelement eine Mehrzahl an ersten Schichten und eine Mehrzahl an zweiten Schichten auf. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten sind dabei bevorzugt alternierend angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass beispielsweise zwischen zwei ersten Schichten stets eine zweite Schicht angeordnet ist oder dass beispielsweise zwischen zwei zweiten Schichten stets eine erste Schicht angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil einer insgesamt gleichmäßigen Wärmeleitung in allen drei Raumrichtungen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen. Weiterhin weist das Batteriemodul ein eben beschriebenes Wärmeleitelement auf. Das Wärmeleitelement ist dabei unmittelbar wärmeleitend mit mindestens einer Batteriezelle oder mit einer Steuerungseinrichtung des Batteriemoduls verbunden. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, eine Elektronik, welche beispielsweise auf einer Platine angeordnet ist, verbessert zu kühlen.
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Zweckmäßigerweise könnten die Batteriezellen jeweils als zylindrische Batteriezellen ausgebildet sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass zylindrische Batteriezellen auch als Rundzellen bezeichnet sein können. Zylindrische Batteriezellen weisen im Wesentlichen eine zylindrische Mantelfläche mit einer kreisrunden Querschnittsfläche auf, welche an ihren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer kreisrunden Boden- bzw. Deckelfläche abgeschlossen ist. Besonders bevorzugt sind die zylindrischen Batteriezellen jeweils Rundzellen vom Typ 18650, welche einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 65 mm aufweisen. Das Gehäuse der zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ist dabei üblicherweise negativ geladen und bildet den negativen Spannungsabgriff der jeweiligen Batteriezelle aus. Weiterhin ist an einer Deckelfläche der positive Spannungsabgriff der Batteriezelle angeordnet, welcher gegen das Gehäuse und damit den negativen Spannungsabgriff elektrisch isoliert ist. Dabei kann das Wärmeleitelement beispielsweise wärmeleitend zumindest teilweise mit der zylindrischen Mantelfläche der zylindrischen Batteriezelle verbunden sein und/oder wärmeleitend mit einer Bodenfläche der zylindrischen Batteriezelle verbunden sein.
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Zweckmäßigerweise könnten die Batteriezellen jeweils als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Prismatische Batteriezellen weisen üblicherweise sechs Seitenflächen auf, welche jeweils paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gegenüberliegende Seitenflächen sind dabei im Wesentlichen gleich groß und parallel zueinander angeordnet. Weiterhin sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen im wesentlich rechtwinklig zu angeordnet.
Dabei kann das Wärmeleitelement beispielsweise wärmeleitend zumindest teilweise mit einer größten Seitenfläche der prismatischen Batteriezelle verbunden sein und/oder wärmeleitend mit einer Bodenfläche der zylindrischen Batteriezelle verbunden sein.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Wärmeleitelement wärmeleitend insbesondere mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, wie bspw. der zylindrischen Batteriezellen oder prismatischen Batteriezellen, verbunden zu sein kann.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Wärmeleitelement weiterhin wärmeleitend mit einem Temperierelement des Batteriemoduls verbunden ist.
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Beispielsweise könnte ein Batteriemodulgehäuse das Temperierelement umfassen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines eben beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem leicht elektrisch angetriebenen Fahrzeug (light electric vehicle; LEV). Damit kann ein thermisch optimiertes Batteriemodul für ein leicht elektrisch angetriebenes Fahrzeug (LEV) zur Verfügung gestellt werden.
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Ferner ist es auch möglich, dass die zumindest eine zweite Schicht, welche aus Graphit und/oder Kupfer ausgebildet ist, in einer elektrisch isolierenden Kunststofffolie aufgenommen ist.
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Dies hat den Vorteil, dass eine Korrosion oder Verunreinigungen, welche z.B. durch an eine Batteriezelle gelangenden Spähne Kurzschlüsse verursachen könnten, verhindert bzw. vermieden werden können.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Wärmeleitelement eines Batteriemoduls und
- 2 eine zweite Schicht eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmeleitelement 1 eines in der 1 nicht zu erkennenden Batteriemoduls 10.
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Das Wärmeleitelement 1 umfasst dabei erste Schichten 21. Die ersten Schichten 21 sind dabei aus einem thermisch leitfähig ausgebildeten Ausgleichsmaterial 3 ausgebildet. Insbesondere kann das thermisch leitfähig ausgebildete Ausgleichsmaterial 3 ausgewählt sein aus Epoxid, Acrylat oder Silikon.
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Das Wärmeleitelement 1 umfasst dabei zweite Schichten 22. Die zweite Schichten 22 sind dabei aus Graphit und/oder Kupfer ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die zweiten Schichten 22 jeweils als Graphitfolie oder als Kupferfolie ausgebildet.
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Weiterhin ist aus der 3 zu erkennen, dass die ersten Schichten 21 und die zweiten Schichten 22 jeweils mit größten Seitenflächen 4 unmittelbar mechanisch und wärmeleitend kontaktierend angeordnet sind.
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Insbesondere ist aus der 1 zu erkennen, dass das Wärmeleitelement 1 eine Mehrzahl an ersten Schichten 21 und eine Mehrzahl an zweiten Schichten 22 aufweist, welche alternierend angeordnet sind. Insbesondere ist jeweils eine erste Schicht 21 endständig angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass das Wärmeleitelement 1 zuverlässig an unterschiedliche Konturen angepasst werden kann.
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Die 2 zeigt eine zweite Schicht 22 eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements 1.
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Zunächst ist hierbei die größte Seitenfläche 4 der zweiten Schicht 22 zu erkennen. Weiterhin ist eine x-Richtung 51 und eine y-Richtung 52 zu erkennen, welche jeweils senkrecht zueinander angeordnet. Die zweite Schicht 22 weist in der xy-Ebene, welche durch die x-Richtung 51 und die y-Richtung 52 aufgespannt wird, eine vergleichsweise sehr gute Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 400 W/mk bis 2000 W/mk. Die zweite Schicht 22 ist anisotrop ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die zweite Schicht 22 auch in einer senkrecht zu der x-Richtung bzw. y-Richtung angeordneten z-Richtung 53 eine gute Wärmeleitfähigkeit im Bereich von bspw. 3 W/mK bis 4 W/m K aufweist. Insgesamt kann dadurch mittels der zweiten Schicht 22 Wärme gleichmäßig über die gesamte Breite und die gesamte Länge, also die gesamte xy-Ebene, verteilt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011159340 [0006]
- EP 1274137 A1 [0006]
