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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, insbesondere mit einer Kühlvorrichtung, und ein Fahrzeug mit einer solchen Batterieanordnung.
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Elektrochemische Energiespeicher, im Folgenden als Batterien bezeichnet, können bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich leistungsfähig sein, d.h., insbesondere die pro Zeiteinheit entnehmbare Energiemenge und auch die absolut entnehmbare Energiemenge können stark von der Temperatur der Batterie abhängen.
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Insbesondere die für die Energieversorgung des Antriebsmotors von Elektro- oder Hybridfahrzeugen vorgesehene Batterie muss einerseits eine große Energiemenge speichern, um eine große Reichweite zu ermöglichen, andererseits muss sie große Leistungen abgeben können, um die Leistungsanforderung des Motors zu erfüllen. Außerdem muss sie mit einer ausreichend großen Leistung geladen werden können, um nach dem Entladen eine schnelle erneute Nutzung zu ermöglichen.
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Beim Entladen und beim Laden treten entsprechend hohe Ströme auf, die an den unvermeidlichen inneren Widerständen bzw. bei der dem Laden und Entladen zugrunde liegenden chemischen Reaktion zu einer nicht unerheblichen Temperaturerhöhung führen können. Diese Temperaturerhöhung kann einerseits einen starken Einfluss auf die Lade- oder Entladecharakteristik sowie die Lebensdauer der Batterie haben, andererseits kann ein zu starker Temperaturanstieg zu einer Beschädigung der Batterie oder damit thermisch gekoppelter Komponenten führen, bis hin zu einem Auslösen von Schutzvorrichtungen oder sogar einer unkontrollierten exothermen Reaktion, die letztlich die Nutzung der Batterie und ggf. einer davon versorgten Vorrichtung unmöglich macht.
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Hochleistungsbatterien umfassen üblicherweise eine Vielzahl von Batteriezellen, die seriell und/oder parallel verschaltet sind, um eine geforderte Nennspannung und einen geforderten Nennstrom bereitstellen zu können. Die Batteriezellen sind in der Regel in einem Gehäuse angeordnet, welches einen Schutz vor mechanischer Beschädigung bietet und außerdem Sensoren und zugehörige elektronische Schaltungen beherbergen kann. Außerdem kann das Gehäuse dazu eingerichtet sein, die Batterie zu heizen und/oder zu kühlen, um eine für das Laden oder Entladen der Batterie optimale Temperatur einzustellen. Das Gehäuse wird im Folgenden auch als Batteriemodul bezeichnet.
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Batteriezellen können u.a. als Rundzellen mit einem festen zylindrischen Gehäuse, prismatische Zellen mit einem quaderförmigen festen Gehäuse oder als sogenannte Pouch-Zellen, d.h. flache Zellen ohne festes Gehäuse vorliegen. Zellen mit eigenem festem Gehäuse bieten bei der Gestaltung von Batteriemodulen und bei deren Herstellung Vorteile in der Handhabung. Zudem sind die mechanischen Anforderungen an das Gehäuse kleiner als bei Pouch-Zellen. Außerdem sind Zellen mit festem eigenem Gehäuse in einer Vielzahl von Varianten von einer großen Zahl Hersteller verfügbar, so dass auch kleinere Serien von Batteriemodulen kostengünstig hergestellt werden können.
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Die Kühlung von Batteriezellen wird häufig über Kühlplatten oder durch Umströmen der Batteriezellen mit einem Fluid implementiert, welches in einem Kühler abgekühlt wird und in einem Kreislauf wieder an die Batteriezellen geleitet wird. Insbesondere das Umströmen der Batteriezellen mit einem flüssigen Fluid ist konstruktiv aufwendig, u.a. da die Batteriemodule mit einem Kühlkreislauf fluiddicht verbunden werden müssen. Beim Umströmen mit einem gasförmigen Fluid, bspw. einer Luftkühlung, muss Außenluft über einen Filter geleitet werden, der zumindest groben Schmutz und Staub aus der Luft herausfiltert. Die Kühlung mit Kühlplatten erfordert einen dauerhaft guten thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und der jeweiligen Kühlplatte, was zusätzlichen Aufwand bei der Fertigung der Batteriemoduls mit sich bringt.
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Es ist daher wünschenswert, eine Kühlung von Batteriezellen eines Batteriemoduls zu schaffen, die innerhalb eines Batteriemoduls in einem geschlossenen Kreislauf abläuft, und die dennoch eine hohe Kühlleistung für die einzelnen Batteriezellen bietet.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine Batterieanordnung weist mindestens ein Batteriemodul auf. Das mindestens eine Batteriemodul umfasst ein einen Batteriemodulinnenraum definierendes Batteriemodulgehäuse, in welchem mindestens eine Batteriezelle und ein Kältemittel angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist an zumindest einer der mindestens einen Batteriezellen zumindest eine Kapillaranordnung außen anliegend so angeordnet, dass sie ausgehend von einem ersten Ende der Batteriezelle zu einem zweiten Ende der Batteriezelle schräg ansteigt. Die Kapillaranordnung ist dazu eingerichtet, flüssiges Kältemittel aus einem an dem ersten Ende der Batteriezelle angeordneten Kältemittelvorrat aufzunehmen, und gasförmiges Kältemittel zumindest an dem zweiten Ende der Batteriezelle in den Batteriemodulinnenraum freizugeben.
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Die außen an der Batteriezelle anliegende Kapillaranordnung steht mit der Batteriezelle in thermischem Kontakt, so dass von der Kapillarwirkung in der Kapillaranordnung aufsteigendes flüssiges Kältemittel von der Batterie erwärmt wird und schließlich in einen gasförmigen Zustand übergeht. Das gasförmige Kältemittel kann zumindest am zweiten Ende der Batteriezelle aus der Kapillaranordnung in den Batteriemodulinnenraum austreten, es ist aber auch möglich, dass es bereits zuvor aus der Kapillaranordnung in den Batteriemodulinnenraum gelangt.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen weist die mindestens eine Kapillaranordnung eine größere Länge als Breite auf. Sich entlang der Länge der Kapillaranordnung erstreckende laterale Bereiche der mindestens einen Kapillaranordnung berühren sich nicht, so dass ein Freiraum seitlich neben der mindestens einen Kapillaranordnung bleibt. Durch diesen Freiraum kann kondensiertes, flüssiges Kältemittel entlang der mindestens einen Batteriezelle zurück zu dem Kältemittelvorrat gelangen.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen sind zwei oder mehr Kapillaranordnungen an der mindestens einen Batteriezelle angeordnet sind, deren laterale Bereiche sich nicht berühren. Hierdurch kann das nach Aufnahme der Wärmeenergie verdampfte Kältemittel schnell aus der Kapillaranordnung und aus dem Bereich der Batteriezellen entweichen, wodurch zudem die Kapillarwirkung der Kapillaranordnungen erhöht wird, da der Kapillareffekt hauptsächlich im flüssigen Zustand des Kältemittels wirkt.
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Die mindestens eine Kapillaranordnung kann einmal oder mehrere Male um den Umfang der Batteriezelle geführt sein, so dass sich eine spiralförmige Anordnung ergibt, wenngleich auch eine sich nur über einen Teil des Umfangs der Batteriezelle erstreckende Kapillaranordnung denkbar ist. Wenn zwei oder mehr Kapillaranordnungen an einer Batteriezelle angeordnet sind, können diese parallel zueinander verlaufen, ohne sich zu berühren, ähnlich einer ineinander verschränkten doppelten Wendeltreppe.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist mindestens ein Fluidkanal zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse ausgebildet, über welchen der Batteriemodulinnenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand in Fluidverbindung steht, so dass ein Kältemittelfluss ermöglicht ist. Insbesondere das an einem oben angeordneten Kühlelement kondensierte Kältemittel kann hierdurch gut von dem oberen in den unteren Bereich gelangen, und es steht erneut zum Transport durch die Kapillaranordnungen und zur Verdampfung zur Verfügung. Der mindestens eine Fluidkanal kann zwischen den sich nicht berührenden lateralen Bereichen der Kapillaranordnungen oder durch einen anderen Freiraum im Innern des Batteriemodulgehäuses gebildet sein.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist zwischen den Batteriezellen und der ersten Wand zumindest bereichsweise ein Hohlraum vorgesehen, der eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs ermöglicht. Zum einen wird hierdurch eine gute Kühlung auch im unteren Bereich ermöglicht, und zum anderen kann das Kältemittel von den in den Kältemittelsumpf hineinreichenden Kapillaranordnungen aufgenommen werden.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist mindestens ein Kühlelement vorgesehen, welches in einer ersten und/oder einer zweiten Wand des Batteriemodulgehäuses angeordnet oder mit einer Außenseite einer ersten und/oder einer zweiten Wand des Batteriemodulgehäuses thermisch leitend verbunden ist. Das Kühlelement ist dazu eingerichtet, die erste und/oder zweite Wand zumindest abschnittsweise zu kühlen, um eine Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen. Die erste Wand und/oder zweite Wand können hierdurch als effektive Kondensationsflächen wirken. Wenn nur ein Kühlelement vorgesehen ist, ist es vorzugsweise in der zweiten Wand oberhalb der Batteriezellen angeordnet, wobei oberhalb in einer Einbaulage des Batteriemodulgehäuses in Bezug auf die Erdanziehungskraft zu verstehen ist. Die Kühlung der zweiten Wand ist vorteilhaft, da das verdampfte Kältemittel durch die geringere Dichte nach oben transportiert wird und nach der Kondensation herabfällt. Dabei können Batteriezellen direkt im oberen Bereich gekühlt werden, etwa wenn das kondensierte Kältemittel auf die Oberseite einer Batteriezelle gelangt, aber auch im unteren Bereich, wenn das Kältemittel bis an das untere Ende einer Batteriezelle gelangt.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist zumindest die zweite Wand von dem zweiten Ende der mindestens einen Batteriezelle beabstandet angeordnet, so dass keine direkte Verbindung zwischen der Kapillaranordnung und der zweiten Wand besteht. Aus der Kapillaranordnung austretendes gasförmiges Kältemittel kann frei in Richtung der zweiten Wand aufsteigen, um dort zu kondensieren.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist die zu dem Batteriemodulinnenraum weisende Oberfläche der zweiten Wand so strukturiert, dass kondensiertes Kältemittel zu einer über einem zweiten Ende einer Batteriezelle liegenden Position geleitet wird, bevor es aufgrund der Schwerkraft von der zu dem Batteriemodulinnenraum weisende Oberfläche der zweiten Wand abgelöst wird. Dadurch fallen zumindest Teile des Kältemittels auf das zweite Ende der Batteriezellen herab, so dass sie an der heißen Oberfläche der Batteriezellen zumindest teilweise gleich wieder verdampfen, und so die Kühlungswirkung erhöhen.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen kann entlang des Kühlelements an bzw. in der zweiten Wand ein Temperaturprofil eingestellt sein, bspw. durch entsprechend verlegte Kühlmittelröhren, entsprechend eingestellte Materialstärken oder dergleichen, so dass jeweils über einer Batteriezelle ein lokales Temperaturminimum vorliegt.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist das Material der Kapillaranordnung zumindest bereichsweise offenporig oder offenporös ausgebildet. Die offenporige bzw. offenporöse Ausbildung ermöglicht einen guten Transport des Kältemittels innerhalb der Kapillaranordnung und ggf. einen Übergang des Kältemittels in den Batteriemodulinnenraum bzw. den Raum zwischen benachbarten lateralen Bereichen von Kapillaranordnungen.
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Offenporöse Metallschäume können beispielsweise mittels Schmelzinfiltration von Platzhalterstrukturen erzeugt werden. Die Platzhalterstrukturen werden nach der Erstarrung der Metallschmelze aus der Schaumstruktur entfernt. Als Platzhalterstrukturen werden beispielsweise Salzgranulate, Polymerplatzhalter oder Sandgranulate genutzt. Alternativ können die Metallschäume durch einen Sintervorgang erzeugt werden.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen umfasst das Material der Kapillaranordnung Metallschaum. Metallschaum ist gut industriell herstellbar und ermöglicht einen guten kapillaren Transport. Der Metallschaum kann insbesondere Nickel, Kupfer oder Eisen, insbesondere Edelstahl, enthalten. Diese Materialien ermöglichen eine stabile Struktur und eine gute Herstellung des Metallschaums.
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Metallschaum weist kleine Strukturen auf und damit eine gute Kapillarwirkung. Die Strukturen können bspw. Breiten im Bereich von 10 nm bis zu wenigen mm aufweisen. Es sind aber auch mikroporöse Strukturen mit einer Breite von weniger als 2 nm möglich. Die genannten Metallstrukturen haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise stabil sind und durch das Metall eine gute Wärmeleitung möglich ist. Die Stabilität ist bspw. vorteilhaft, wenn die Batteriezellen 36 gegeneinander verpresst sind, wie dies bspw. bei Pouch-Batteriezellen üblich ist.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der Metallschaum als anisotroper Metallschaum mit Poren ausgebildet, welche zumindest bereichsweise in mindestens eine erste Richtung, bspw. parallel zu den Batteriezellen, eine höhere Ausdehnung haben als in eine zweite Richtung, bspw. senkrecht zu der Oberfläche der Batteriezellen. Hierdurch kann das Kältemittel gut zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand des Batteriemodulgehäuses fließen. Anisotroper Metallschaum ermöglicht bei korrekter Ausrichtung der Poren eine höhere Kühlleistung durch einen größeren Massenstrom des Kältemittels bei gleichem Bauraum.
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Metallschäume weisen eine gute Kapillarwirkung auf und können bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen verwendet werden. Anstelle von Metallschaum kann jedoch auch Metallwolle verwendet werden. Metallwolle wird in der Technik vielfältig eingesetzt. Sie weist ebenfalls eine gute Kapillarstruktur auf und ermöglicht eine hohe Kühlleistung durch Förderung des Kältemittels zwischen den Batteriezellen. Eingesetzt werden kann Metallwolle bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen, und durch die gute Verformbarkeit kann es auch an unregelmäßig geformte oder gebogene Oberflächen angepasst werden, wie sie bspw. bei liegenden oder stehenden Rund-Batteriezellen vorliegen.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen umfasst das Material der Kapillaranordnung Titanschwamm. Titanschwamm ist eine Struktur, welche Titan oder eine Titanlegierung aufweist. Titan ist zwar ein vergleichsweise teurer Werkstoff, es ist aber als Titanschwammpulver ist jedoch als Abfallprodukt unterschiedlicher Fertigungsprozesse vergleichsweise günstig erhältlich. Zudem ist Titan bei hoher Festigkeit relativ leicht. Entsprechend ist gemäß einer Ausführungsform der Titanschwamm aus Titanschwammpulver gesintert, wodurch sich eine vorteilhafte poröse Struktur ergibt. Wie anisotroper Metallschaum ermöglicht Titanschwamm einen großen Massenstrom des Kältemittels. Eingesetzt werden kann Titanschwamm bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen.
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Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C niedriger als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen. Der absolute Druck von 1,0 bar entspricht näherungsweise einem Normaldruck im Außenbereich. Das Kältemittel arbeitet besonders effektiv, wenn es zwischen dem flüssigen und gasförmigen Zustand hin und her wechselt, was durch den niedrigen Druck begünstigt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar, bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar, und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar. Dies ermöglicht einen Wechsel des Aggregatzustands des Kältemittels auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen.
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Ein Fahrzeug weist eine solche Batterieanordnung und einen Elektromotor auf. Ein solches Fahrzeug ermöglicht eine gute Kühlung der Batterieanordnung und damit eine hohe Leistung und eine große Reichweite.
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Die spiralförmige Anbringung der Kapillaranordnung an den einzelnen Batteriezellen ermöglicht es in vorteilhafter Weise, das in länglicher Form vorliegende Material der Kapillarstruktur mit nach Bedarf einstellbaren Abständen zwischen den lateralen Bereichen anzuordnen. Zudem weist eine um einen Gegenstand herumgewickelte Struktur einen inhärenten Halt an dem Gegenstand auf, der die Montage der einzelnen Batteriezellen in dem Batteriemodul erleichtert. Wie in den 1 bis 3 erkennbar ist, können die Kapillarstrukturen benachbarter Batteriezellen so zueinander angeordnet sein, dass sie sich nicht berühren. Dadurch kann zum einen der Abstand zwischen den Batteriezellen klein gehalten werden, zum anderen kann Kältemittel aus der Kapillarstruktur einer Batteriezelle an einzelnen Punkten oder in einzelnen Bereichen auch von der Oberfläche einer benachbarten Batteriezelle erwärmt werden.
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Die Kapillaranordnung ermöglicht es, auf sogenannte Gap-Filler zu verzichten, welche in konventionellen Batteriemodulen für einen guten Wärmetransport von den Batteriezellen an das Batteriemodulgehäuse erforderlich sind.
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Bei Unterdruck in dem Batteriemodulgehäuse können Kompressionspads entfallen, welche bei Pouch-Zellen erforderlich sind.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine erste exemplarische Batterieanordnung,
- 2 in einer schematischen Darstellung eine zweite exemplarische Batterieanordnung,
- 3 in einer schematischen Darstellung eine dritte exemplarische Batterieanordnung,
- 4 eine alternative Ausführung einer an einer Batteriezelle angeordneten Kapillarstruktur, und
- 5 ein Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung.
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Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Batterieanordnung 20, welche mindestens ein Batteriemodul 30 mit einem Batteriemodulgehäuse 70, Batteriezellen 36, ein Kältemittel 60 und Kapillaranordnungen 40 aufweist.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 definiert einen Batteriemodulinnenraum 34, in welchem Batteriemodulinnenraum 34 die Batteriezellen 36, das Kältemittel 60 und die Kapillaranordnungen 40 angeordnet sind.
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Die Kapillaranordnungen 40 sind an den Batteriezellen 36 außen anliegend und um diese herum spiralförmig gewunden angeordnet und dazu eingerichtet, flüssiges Kältemittel 60 aus einem an einem ersten, hier unteren Ende der Batteriezelle 36 angeordneten Kältemittelvorrat aufzunehmen und gasförmiges Kältemittel 60 zumindest an einem zweiten, hier oberen Ende der Batteriezelle 36 in den Batteriemodulinnenraum 34 freizugeben.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 weist eine erste untere Wand 71 und eine zweite obere Wand 72 auf. Die zweite Wand 71 ist zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen 36 angeordnet, und die erste Wand 71 ist zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen 36 angeordnet.
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Die Batterieanordnung 20 weist ein oberes Kühlelement 52 auf, welches dazu eingerichtet ist, die zweite Wand 72 zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels 60 zu ermöglichen. Es ist auch möglich, alternativ oder zusätzlich ein an oder in der ersten Wand 71 angeordnetes Kühlelement 51 vorzusehen, oder aber in kalten Regionen eine Kühlung direkt durch das Batteriemodulgehäuse 70 zu bewirken. Die Kühlelemente 51, 52 haben im Ausführungsbeispiel Kanäle 54, durch welche ein Kühlmittel fließen kann, um die Wärme abzutransportieren. Die Kühlelemente 51, 52 sind im Ausführungsbeispiel als Kühlplatten ausgebildet.
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Zwischen den Batteriezellen 36 und dem Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt mindestens ein erster Fluidkanal 43 ausgebildet, über welchen der Batteriemodulinnenraum 34 zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 in Fluidverbindung steht. Hierdurch wird ein Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen ersten Fluidkanal 43 ermöglicht.
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Zwischen den lateralen Bereichen der an einer Batteriezelle 36 angeordneten Kapillaranordnung 40 bleibt ein Freiraum, welcher einen weiteren Fluidkanal zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 bereitstellt, über welchen das Kältemittel 60 im gasförmigen Zustand schnell aus der Kapillaranordnung 40 entweichen kann. Die Abstände zwischen den lateralen Bereichen der Kapillaranordnung 40 in der Zeichnung können variieren und sind nur als beispielhaft anzusehen. Auch über diese Fluidkanäle kann an der zweiten Wand 72 kondensiertes Kältemittel 60 zurück zu der ersten Wand 71 gelangen, wobei es, wenn es an der Oberfläche einer Batteriezelle 36 entlangläuft, diese zugleich wieder kühlt.
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Das Kältemittel 60 wird also durch das Material der Kapillaranordnung 40, welches kapillare Eigenschaften aufweist, im flüssigen Zustand nach oben transportiert, und nach der Aufnahme von Wärme und dem Übergang des Kältemittels 60 in den gasförmigen Zustand kann dieses über die Fluidkanäle schnell und ohne großen fluidischen Widerstand nach oben oder unten entweichen.
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Im unteren Bereich ist zwischen den Batteriezellen 36 und der ersten Wand 71 bevorzugt zumindest bereichsweise ein Hohlraum 75 vorgesehen, der eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel 60 und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs ermöglicht.
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Das Kältemittel 60 kann als Fluid sowohl flüssig als auch gasförmig sein, und durch Aufnahme von Wärmeenergie kann es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Hierdurch kann eine vergleichsweise große Wärmeenergie aufgenommen und abtransportiert werden. Im Ausführungsbeispiel ist das Batteriemodulgehäuse 70 quaderförmig ausgebildet, und es weist neben der ersten Wand 71 und zweiten Wand 72 eine in der Figur nicht näher bezeichnete linke dritte Wand und eine rechte vierte Wand auf. Ebenfalls nicht in der Figur dargestellt sind vordere und hintere Wände des Batteriemodulgehäuses 70. Andere Grundformen des Batteriemodulgehäuses 70 sind möglich, beispielsweise eine Zylinderform oder Kugelform.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt geschlossen, so dass das Kältemittel 60 im normalen Betrieb nicht oder nur in geringem Umfang aus dem Batteriemodulgehäuse 70 entweichen kann. Im Betrieb entsteht an den Batteriezellen 36 Wärme, und das flüssige Kältemittel 60 kann diese Wärme aufnehmen und dabei verdampfen. Hierdurch kann das Kältemittel 60 eine große Menge Wärmeenergie aufnehmen. Das verdampfte Kältemittel 60 steigt bspw. nach oben in Richtung zur zweiten Wand 72 und wird dort gekühlt. Durch die Abkühlung kondensiert das Kältemittel und kann über die Fluidkanäle 43 nach unten fließen. Im unteren Bereich des Batteriemodulgehäuses 70 kann sich das Kältemittel 60 ansammeln und einen Kältemittelsumpf ausbilden, wobei die Batteriezellen 36 bevorzugt bei 20 °C zumindest teilweise im Kältemittelsumpf stehen. Die mindestens eine an mindestens einer Batteriezelle 36 angeordnete Kapillaranordnung 40 ermöglicht durch die Kapillarwirkung ein Ansteigen des Kältemittels 60 entlang der Außenseite der jeweiligen Batteriezelle 36. Hierdurch kann flüssiges Kältemittel 60 großflächig an der Außenseite der jeweiligen Batteriezelle 36 bereitgestellt werden und dort Wärmeenergie aufnehmen. Dies erhöht die Kühlleistung der Batterieanordnung 20.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite exemplarische Batterieanordnung 20. Die Batterieanordnung in dieser Figur entspricht im Wesentlichen der aus 1, jedoch ist hier zusätzlich ein Kühlelement 51 an oder in der ersten Wand 71 angeordnet, welches das in dem Kältemittelsumpf vorhandene Kältemittel 60 kühlt. In der Figur entspricht das Kühlelement 51 dem Kühlelement 52 an bzw. in der zweiten Wand 72; die einzelnen Elemente des Kühlelement 51 sind daher nicht gesondert bezeichnet.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite exemplarische Batterieanordnung 20. Die Batterieanordnung in dieser Figur entspricht im Wesentlichen der aus 1, jedoch ist hier die zu dem Batteriemodulinnenraum 34 weisende Oberfläche der zweiten Wand 72 so strukturiert ist, dass daran kondensiertes Kältemittel 60 zu einer über einem zweiten Ende einer Batteriezelle 36 liegenden Position geleitet wird, bevor es aufgrund der Schwerkraft von der zu dem Batteriemodulinnenraum 34 weisende Oberfläche der zweiten Wand 72 abgelöst wird und zumindest Teile davon auf das zweite Ende der Batteriezellen 36 herabfallen. Die Strukturierung kann bspw. durch Rippen gebildet sein. Die Rippen können dabei, wie in der Figur gezeigt, eine spitz zulaufende Form haben, um das gezielte Ablösen von Kondensattropfen zu verbessern. Anstelle von Rippen können auch in zwei Dimensionen auf eine Spitze zulaufende Strukturen vorgesehen sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer an einer Batteriezelle 36 angeordneten Kapillarstruktur 40. In dieser Ausführungsform sind zwei separate Elemente der Kapillarstruktur 40 parallel zueinander spiralförmig um die Batteriezelle 36 gelegt, ohne dass sie sich an irgendeiner Stelle berühren.
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5 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer solchen Batterieanordnung 20, welche schematisch über eine elektrische Leitung 12 mit einem Elektromotor 14 verbunden ist. Bei Fahrzeugen 10 ist die Batterieanordnung 20 besonders vorteilhaft, weil sie eine gute Kühlwirkung und damit auch eine gute Reichweite des Fahrzeugs 10 ermöglicht.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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Liste der Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)
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- 20
- Batterieanordnung
- 30
- Batteriemodul
- 34
- Batteriemodulinnenraum
- 36
- Batteriezellen
- 40
- Kapillaranordnung
- 43
- Fluidkanal
- 51, 52
- Kühlelement
- 54
- Kanal
- 60
- Kältemittel
- 70
- Batteriemodulgehäuse
- 71
- erste Wand
- 72
- zweite Wand
- 75
- Hohlraum
