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Die Erfindung betrifft einen Rundzellenhochvoltspeicher mit einer Vielzahl von Rundzellen, die in mehreren, versetzt zueinander angeordneten Zellreihen angeordnet sind, und mit wenigstens einem Kühlrohr, das zwischen zwei der versetzten Zellreihen angeordnet ist.
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Die Zellgehäuse der Rundzellen eines Rundzellenhochvoltspeichers und die Kühlrohre müssen elektrisch voneinander getrennt, thermisch aber verbunden sein. Üblicherweise wird für die thermische Verbindung eine Wärmeleitvergussmasse oder ein Wärmeleitpad verwendet, für die elektrische Isolation eine eigene Schicht (z.B. Folie oder Beschichtung), die auf die Kühlrohre und/oder die Mäntel der Zellen aufgebracht wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Isolation und eine thermische Verbindung der Komponenten zu verbessern.
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Der unabhängige Anspruch bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßer Rundzellenhochvoltspeicher weist eine Vielzahl von Rundzellen auf, die in mehreren, versetzt zueinander angeordneten Zellreihen, angeordnet sind.
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Diese Zellanordnung wird auch als hexagonale Packung bezeichnet. Die Rundzellen stehen dabei mit ihren Mantelflächen beabstandet nebeneinander, insbesondere sodass zwischen drei im Dreieck angeordneten Zellen entlang einer Zellhochrichtung betrachtet ein immer gleich großer Zwischenraum zwischen den Mantelflächen frei bleibt.
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Zum Abführen der Betriebswärme der Zellen weist der Rundzellhochvoltspeicher wenigstens eines, insbesondere aber mehrere, Kühlrohre auf, die jeweils zwischen zwei der versetzten Zellreihen angeordnet sind. Bei der hexagonalen Anordnung der Zellen bedeutet das insbesondere, dass gemäß einer Ausführung die Kühlrohre eine schlangenförmige Längserstreckung aufweisen, weil durch die versetzt angeordneten Zellreihen keine oder kaum eine gerade Flucht zwischen benachbarten Zellreihen verbleibt - die gerade Flucht ist durch die Zellkörper dann zumindest soweit verstellt, dass das Kühlrohr mit seiner Quererstreckung inklusive Wärmeleitmateriallage.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Kühlrohr und den Zellen der beiden anliegenden Zellreihen wenigstens eine Wärmeleitmateriallage aus einem elektrisch isolierenden (und selbstverständlich gut wärmeleitenden) Material angeordnet.
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In einer ersten alternativen Ausführung der Erfindung umgibt das elektrisch isolierende Material der Wärmeleitmateriallage das Kühlrohr entlang der gesamten Längserstreckung des Kühlrohres, zumindest im Bereich der Zellreihen.
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In einer zweien alternativen Ausführung der Erfindung ist das elektrisch isolierende Material der Wärmeleitmateriallage an jeder der Rundzellen der beiden Zellreihen entlang einer Hocherstreckung des Kühlrohres angeordnet, insbesondere am gesamten Umfang des Zellmantels.
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Das Material zwischen Kühlrohr und Zellmänteln ist dann so ausgewählt, dass es eine hohe Wärmeleitung und eine dielektrische Eigenschaft aufweist. Beispielsweise kommt als Material eine Silikongummifolie oder eine Kunststofffolie aus einem dielektrischen Kunststoff in Betracht.
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Das Kühlrohr selbst kann dann als reines Alustrangpressprofil ausgebildet sein.
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Anders als bei der Verwendung einer Wärmeleitvergussmasse kann ein solcher Rundzellenhochvoltspeicher zerstörungsfrei demontierbar ausgebildet sein.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee einer Vereinigung von Isolation und Wärmeanbindung/Toleranzausgleich in einem einzigen Bauteil - einem elektrisch isolierenden Wärmeleitpad. Das ermöglicht die Einsparung eines zusätzlichen dielektrischen Bauteils oder eines zusätzlichen Bearbeitungsschritts eines Standard-Wärmeleitpads zur Beschichtung mit einer Dielektrikumsschicht.
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In einer Ausführung wird das aus einem elektrisch isolierenden Material bestehende Pad einmal vollständig um den Multiporttube des Kühlers gelegt, gemäß einer Ausführung mit entsprechendem Überstand, um die Luft- und Kriechstrecken zu gewährleisten. Alternativ wird das Pad einmal um die Zelle gelegt, der Überlappstoß dabei gemäß einer Ausführung in die bei Rundzellen automatisch entstehenden Zwischenräume gelegt.
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Gemäß einer Ausführung ist die Wärmeleitmateriallage als verformbares Wärmeleitpad ausgebildet. Damit ist eine problemlose Vormontage der Wärmeleitmateriallage möglich.
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Gemäß einer Ausführung ist die Wärmeleitmateriallage klebend ausgebildet, beispielsweise mittels eines Klebstoffes oder durch eine Klebeeigenschaft des für die Wärmeleitmateriallage verwendeten Materials. Damit kann eine Vormontage der Wärmeleitmateriallage an dem Kühlrohr und/oder an den Zellmänteln erleichtert werden, weil das Wärmeleitmaterial an dem entsprechend belegten Bauteil haften bleibt.
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Gemäß einer Ausführung ist die Wärmeleitmateriallage beidseitig klebend ausgebildet. Dann kann die Wärmeleitmateriallage zur strukturellen Festigkeit des Rundzellenhochvoltspeichers beitragen und eingetragene Momente und Kräfte abstützen helfen.
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Gemäß einer Ausführung ist die Wärmeleitmateriallage einmal um einen Umfang des Kühlrohrs herum gelegt. Das erleichtert die Montage, weil nur eine Wärmeleitmateriallage pro Kühlrohr verbaut wird, die zudem vormontiert und leicht am Kühlrohr fixert werden kann.
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Gemäß einer Ausführung ist an jede Kühlseite des Kühlrohrs eine Wärmeleitmateriallage gelegt. Damit ist die Montage der Wärmeleitung und der elektrischen Isolation noch einfacher, insbesondere wenn die Wärmeleitmateriallagen an ihren Oberflächen klebend ausgebildet sind.
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Gemäß einer Ausführung ist oberhalb und/oder unterhalb des Kühlrohres ein Überlappstoß der Wärmeleitmateriallage angeordnet. Damit kann oberhalb und/oder unterhalb des Kühlrohres ein großer Überstand der Wärmeleitmateriallage und damit ein guter Schutz gegen Kriechströme erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführung ist eine, insbesondere jeweils eine einzige, Wärmeleitmateriallage um die Mantelfläche jeder Zelle der beiden anliegenden Zellreihen angeordnet, insbesondere um den gesamten Umfang herum. Diese Lösung ist besonders einfach montierbar, weil die Wärmeleitmateriallage separat an jeder Zelle und damit verhältnismäßig klein ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführung ist ein Überlappstoß der Wärmeleitmateriallage, insbesondere auf der Höhe und/oder oberhalb und/oder unterhalb der Höhe des Kühlrohrs, zwischen zwei oder drei benachbarten Rundzelle angeordnet. Damit werden Zwischenräum zwischen den Rundzellen ausgenutzt, die bei der versetzten (i.e. hexagonalen) Packung ohnehin vorhanden sind.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Rundzellenhochvoltspeichers mit einem Kühlrohr, um welches herum eine Wärmeleitmateriallage angeordnet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Rundzellenhochvoltspeichers mit einem Kühlrohr, um welches herum eine Wärmeleitmateriallage angeordnet ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 3 zeigt einen Ausschnitt eines dritten Rundzellenhochvoltspeichers mit einem Kühlrohr, um welches herum eine Wärmeleitmateriallage angeordnet ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 4 zeigt einen Ausschnitt eines vierten Rundzellenhochvoltspeichers mit einem Kühlrohr und Rundzellen, um welche herum jeweils eine Wärmeleitmateriallage angeordnet ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung.
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Die 1 bis 4 zeigen vier unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Rundzellenhochvoltspeichers 100, 200, 300, 400. Die Rundzellenhochvoltspeicher der Ausführungsbeispiele sind vorliegend insbesondere hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Rundzellen 1 - sprich auch in der Anordnung der einzelnen Zellreihen 2, 3 zueinander - identisch ausgebildet: sie weisen allesamt eine Vielzahl von Rundzellen 1 auf, die in mehreren, versetzt zueinander angeordneten Zellreihen 2, 3 angeordnet sind.
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Zudem weisen alle Ausführungsbeispiele zwischen mehreren Zellreihen (insbesondere in jedem oder jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei Zellreihen) jeweils ein Kühlrohr 4 auf, das zwischen zwei der versetzten Zellreihen 2, 3 angeordnet ist. Das Kühlrohr 4 kann beispielsweise als Multiport-Kühlschlange ausgebildet sein und sich der hexagonaler Packung der Zellreihen entlang einer Längsrichtung des Kühlrohrs 4 serpentinenförmig anformen.
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Zwischen dem Kühlrohr 4 und den Zellen 1 der beiden anliegenden Zellreihen 2, 3 ist in jedem der Ausführungsbeispiele wenigstens eine Wärmeleitmateriallage 105, 205, 305a und 305b bzw. 405a-e aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Bei dem Material handelt es sich vorliegend um eine Silikongummifolie oder eine Kunststofffolie aus einem dielektrischen Kunststoff, deren Beschaffenheit anwendungsspezifisch so ausgewählt, dass es eine für den Anwendungsfall und die geometrischen Bedingungen ausreichende Wärmeabfuhr mit einer für den Anwendungsfall und die geometrischen Bedingungen ausreichenden elektrischen Isolation des Kühlrohr und der einzelnen Zellen voneinander und gegebenenfalls der einzelnen Zellen untereinander ermöglicht. Das Kühlrohr selbst kann dann als reines Alustrangpressprofil ausgebildet sein.
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Anders als bei der Verwendung einer Wärmeleitvergussmasse können die Rundzellenhochvoltspeicher 100, 200, 300, 400 durch die Verwendung der nicht vergossenen Wärmeleitmateriallagen 105, 205, 305a und 305b bzw. 405a-e zerstörungsfrei demontierbar ausgebildet sein, und trotzdem eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen den Komponenten des Hochvoltspeichers sicherstellen
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Die Wärmeleitmateriallagen 105, 205, 305a und 305b bzw. 405a-e sind jeweils als verformbare Wärmeleitpads ausgebildet. Damit ist eine problemlose Vormontage der Wärmeleitmateriallage möglich. In den Ausführungsbeispielen sind die Wärmeleitmateriallagen 105, 205, 305a und 305b bzw. 405a-e beidseitig klebend ausgebildet. Damit kann eine Vormontage der Wärmeleitmateriallage an dem Kühlrohr und/oder an den Zellmänteln erleichtert werden, weil das Wärmeleitmaterial an dem entsprechend belegten Bauteil haften bleibt. Ebenso können dann die Wärmeleitmateriallagen zur strukturellen Festigkeit des Rundzellenhochvoltspeichers 100, 200, 300 bzw. 400 beitragen und eingetragene Momente und Kräfte abstützen helfen.
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In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 2 ist entlang der gesamten Längserstreckung X des Kühlrohrs 4 (zumindest im Bereich der Zellen 1) jeweils eine Wärmeleitmateriallage 105 bzw. 205 einmal um einen Umfang des Kühlrohrs 4 herum gelegt. Das erleichtert die Montage, weil nur eine Wärmeleitmateriallage 105 bzw. 205 pro Kühlrohr 4 verbaut wird, die zudem vormontiert und leicht am Kühlrohr 4 fixiert werden kann.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei der Überlappstoß 106 unterhalb einer Hocherstreckung Z des Kühlrohrs 4 angeordnet ausgebildet, sodass Kriechstrecken optimal isoliert werden können.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Überlappstoß 206 im unteren Bereich der Hocherstreckung Z des Kühlrohr 4 angeordnet, sodass der Hochvoltspeicher in Hochrichtung optimiert klein bauen kann.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist entlang der gesamten Längserstreckung X des Kühlrohrs 4 (zumindest im Bereich der Zellen 1) an jede Kühlseite des Kühlrohrs 4 eine Wärmeleitmateriallage 305a bzw. 305b gelegt. Damit ist die Montage der Wärmeleitung und der elektrischen Isolation noch einfacher.
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Oberhalb und unterhalb des Kühlrohres 4 ist jeweils ein Überlappstoß 306a bzw. 306b der Wärmeleitmateriallagen 305a und 305b angeordnet. Damit kann oberhalb und/oder unterhalb des Kühlrohres ein großer Überstand der Wärmeleitmateriallage und damit ein guter Schutz gegen Kriechströme erreicht werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist jeweils eine einzige Wärmeleitmateriallage 405a-e um die Mantelfläche jeder Zelle 1 der beiden anliegenden Zellreihen 2, 3 um den gesamten Umfang herum entlang einer Hocherstreckung z des Kühlrohres 4 angeordnet. Diese Lösung ist besonders einfach montierbar, weil die Wärmeleitmateriallage separat an jeder Zelle und damit verhältnismäßig klein ausgebildet ist. Ein Überlappstoß 406 (406a-e) der Wärmeleitmateriallagen 405 (405a-e) ist auf der Höhe des Kühlrohrs 4zwischen zwei benachbarten Rundzellen 1 und dem Kühlrohr 4 angeordnet. Damit werden Zwischenräume zwischen den Rundzellen 1 ausgenutzt, die bei der hexagonalen Packung ohnehin vorhanden sind.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Rundzellen
- 2, 3
- Zellreihen
- 4
- Kühlrohr
- 100, 200, 300, 400
- Rundzellenhochvoltspeicher
- 105, 205, 305a-b, 405a-e
- Wärmeleitmateriallage
- 106, 206, 306a, 306b, 406a-e
- Überlappstoß
- Z
- Hocherstreckung
- X
- Längserstreckung