DE112014000607T5

DE112014000607T5 - Auf Thermoelektrik basierendes Thermomanagementsystem

Info

Publication number: DE112014000607T5
Application number: DE112014000607.6T
Authority: DE
Inventors: Alfred Piggott; Dmitri Kossakovski; Todd Robert Barnhart
Original assignee: Gentherm Inc
Current assignee: Gentherm Inc
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-10-22
Also published as: KR102117141B1; US20150357692A1; US10784546B2; CN104956539A; KR20150126837A; JP2016513337A; US20190252745A1; US10270141B2; KR102253247B1; JP6637765B2; KR20200060549A; WO2014120688A1; CN104956539B; CN108400410A

Abstract

Offenbarte Ausführungsformen beinhalten auf Thermoelektrik basierende Thermomanagementsysteme und -verfahren, die ausgestaltet sind, eine elektrische Vorrichtung zu erwärmen und/oder zu kühlen. Die Thermomanagementsysteme können mindestens einen elektrischen Leiter in elektrischer und thermischer Verbindung mit einem temperaturempfindlichen Bereich der elektrischen Vorrichtung und mindestens eine thermoelektrische Vorrichtung in thermischer Verbindung mit dem mindestens einen elektrischen Leiter umfassen. Elektrische Energie kann der thermoelektrischen Vorrichtung durch den gleichen elektrischen Leiter oder eine externe Energieversorgung zugeführt werden, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung der elektrischen Vorrichtung eine geregelte Erwärmung und/oder Kühlung über den mindestens einen elektrischen Leiter bereitstellt. Das thermoelektrische Managementsystem kann mit dem Managementsystem der elektrischen Vorrichtung auf einem Leiterplattensubstrat integriert sein.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf thermoelektrisches (TE) Kühlen und Erwärmen von elektrischen Vorrichtungen.
Beschreibung des Standes der Technik
Leistungselektronik und andere elektrische Vorrichtungen, wie etwa Batterien, können gegenüber Überhitzung, niedrigen Temperaturen, extremen Temperaturen und Betriebstemperaturgrenzen empfindlich sein. Die Leistung derartiger Vorrichtungen kann verringert werden, manchmal in erheblichem Maße, wenn die Vorrichtungen außerhalb von empfohlenen Temperaturbereichen betrieben werden. In Halbleiterbauelementen können integrierte Schaltkreise überhitzen und einer Fehlfunktion unterliegen. In Batterien, beinhaltend zum Beispiel Batterien, welche für Kraftfahrzeuganwendungen in elektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden, können Batteriezellen und ihre Bestandteile degradieren, wenn sie überhitzt oder unterkühlt werden. Solche Degradation kann sich in verminderter Speicherkapazität der Batterie und/oder vermindertem Vermögen der Batterie, über mehrere Betriebszyklen wieder aufgeladen zu werden, manifestieren.
Zusammenfassung
Es kann vorteilhaft sein, die thermischen Zustände von Leistungselektronik und anderen elektrischen Vorrichtungen zu managen. Thermomanagement kann das Auftreten von Überhitzung, Unterkühlung und der Degradation elektrischer Vorrichtungen vermindern. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Thermomanagement von Vorrichtungen, die ein erhebliches Maß an elektrischer Energie führen und/oder hohe Stromstärke und Leistung erfordern (zum Beispiel Leistungsverstärker, Transistoren, Transformatoren, Wechselrichter, bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs), elektrische Motoren, Hochleistungslaser und Leuchtdioden, Batterien und andere) bereit. Ein weiter Bereich an Lösungen kann zum Thermomanagement solcher Geräte eingesetzt werden, beinhaltend konvektive Luft- und Flüssigkeitskühlung, konduktive Kühlung, Sprühkühlung mit Flüssigkeitsstrahlen, thermoelektrische Kühlung von Platinen und Chipgehäusen und andere Lösungen. Zumindest einige hierin beschriebene Ausführungsformen stellen mindestens einen der folgenden Vorteile im Vergleich zu existierenden Techniken zur Erwärmung oder Kühlung elektrischer Vorrichtungen bereit: Höherer Stromwirkungsgrad, niedrigere oder vermiedene Instandhaltungskosten, größere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer, weniger Bauteile, weniger oder gar keine beweglichen Teile, Erwärmungs- und Kühlbetriebsmodi, andere Vorteile oder eine Kombination von Vorteilen.
In elektrischen Vorrichtungen sind typischerweise elektrisch aktive Teile und/oder temperaturempfindliche Bereiche der Vorrichtung über elektrische Leiter mit der Außenwelt, wie etwa zum Beispiel externen Stromkreisen oder Vorrichtungen, verbunden. Zum Beispiel können Elektroden einer Batteriezelle so ausgelegt sein, dass sie ein hohes Maß an elektrischer Energie ohne signifikante Verluste (zum Beispiel Wärmeverluste, die gemäß dem Joule'schen Gesetz proportional zum Quadrat der Stromstärke sind) führen. Der Querschnitt der elektrischen Leiter, die für solche Elektroden verwendet werden, ist proportional zu den hohen Stromstärken, die typischerweise in solchen Vorrichtungen fließen. Je größer die Größe der Batterie ist, desto größer sind die Elektrodenanschlüsse zum Verbinden mit äußeren Stromkreisen.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Elektroden und vielen anderen Arten von elektrischen Leitern bedeutet auch, dass solche Leiter typischerweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die hohe thermische Leitfähigkeit kann verwendet werden, um verschiedene Thermomanagementprobleme zu lösen, wobei man durch Erwärmen und/oder Kühlen der Elektroden die gewünschte thermische Energie (zum Beispiel Kühlung, Erwärmung, etc.) unter Umgehung thermisch unempfindlicher Elemente der Vorrichtung direkt zu den empfindlichen Elementen der Vorrichtung liefern kann. Ähnlich zur Verwendung thermisch konditionierten Bluts während Bluttransfusionen, um Wärme tief in das Innere von menschlichen Körpern einzubringen, kann das Pumpen von Wärme durch die Elektroden verwendet werden, um auf effiziente Weise die gewünschten thermischen Zustände tief im Inneren einer elektrischen Vorrichtung zu schaffen. Als ein Beispiel ist festgestellt worden, dass Elektrodenkühlung von modernen Kraftfahrzeugbatterien eine der vorteilhaftesten Techniken für das Thermomanagement von Batterien darstellt. Zum Beispiel können die Elektroden unter Verwendung von Feststoff-, Flüssigkeits- oder Luftkühlungstechniken gekühlt werden. In einem gewissen Sinne fungieren die Elektroden in solch einer Anordnung des Thermomanagements als Kühlfinger.
Hierin beschriebene Ausführungsformen beinhalten Systeme und Verfahren, die in der Lage sind, eine elektrische Vorrichtung thermisch zu managen, indem direkte oder indirekte thermoelektrische (TE) Kühlung und/oder Erwärmung auf stromführende elektrische Leiter (zum Beispiel Elektroden) von leistungselektronischen Bauteilen, Elektronik und anderen elektrischen Vorrichtungen ausgeübt wird. Solche Vorrichtungen können häufig von einem Thermomanagement profitieren. Einige Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf bestimmte elektrische Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel Batterien, beschrieben. Zumindest einige hierin beschriebene Ausführungsformen sind jedoch geeignet, ein Thermomanagement für andere elektrische Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs), andere elektrische Vorrichtungen oder eine Kombination von Vorrichtungen, bereitzustellen. Zumindest einige solcher Vorrichtungen können eine hohe Stromführungskapazität aufweisen und können bei einem Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs Schaden erleiden. Der Betrieb einiger Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf einen Kühlbetriebsmodus beschrieben. Einige oder alle der hierin beschriebenen Ausführungsformen können jedoch genauso gut einen Erwärmungsbetriebsmodus aufweisen. In einigen Situationen kann ein Erwärmungsbetriebsmodus verwendet werden, um die Temperatur einer elektrischen Vorrichtung oberhalb einer Schwellentemperatur, unterhalb derer die elektrische Vorrichtung degradieren oder einen beeinträchtigten Betrieb aufweisen kann, zu halten.
TE-Vorrichtungen sind einzigartig geeignet sowohl Erwärmungs- als auch Kühlfunktionen bei minimalen Komplikationen für die Systemarchitektur bereitzustellen.
Hierin beschriebene Ausführungsformen beinhalten auf Thermoelektrik basierende Thermomanagementsysteme und -verfahren. In einigen Ausführungsformen ist ein Thermomanagementsystem so ausgestaltet, dass es die Temperatur in einem temperaturempfindlichen Bereich einer elektrischen Vorrichtung managt. Das Thermomanagementsystem kann eine thermoelektrische Vorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie bei Anwendung von elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabeoberfläche überträgt, umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung in substantiellem thermischen Austausch mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines elektrischen Leiters. Der elektrische Leiter ist so ausgestaltet, dass er elektrische Energie zu einer elektrischen Vorrichtung hinführt oder von dieser abführt, derart, dass der elektrische Leiter als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der elektrischen Vorrichtung und der thermoelektrischen Vorrichtung dient.
In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren zum Thermomanagement einer elektrischen Vorrichtung das Verbinden einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die einen elektrisch leitfähigen Teil und einen elektrisch isolierenden Teil aufweist, mit einer Mehrzahl von elektrischen Leitern einer elektrischen Vorrichtung. Das Verfahren kann das Durchführen eines substantiellen Austauschs thermischer Energie zwischen der Wärmeübertragungsvorrichtung und einer Hauptoberfläche einer thermoelektrischen Vorrichtung beinhalten.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren zum Thermomanagement einer elektrischen Vorrichtung die Schaffung eines substantiellen thermischen Austauschs zwischen einer thermoelektrischen Vorrichtung und einer Wärmeübertragungsoberfläche eines elektrischen Leiters, der in thermischer und elektrischer Verbindung mit der elektrischen Vorrichtung steht. Das Verfahren kann das Erwärmen oder Kühlen der elektrischen Vorrichtung durch Anpassen des Stroms, der in die thermoelektrische Vorrichtung hinein oder aus dieser heraus gerichtet ist, beinhalten.
In einigen Ausführungsformen wird ein thermoelektrisches Batteriethermomanagementsystem bereitgestellt, das so ausgestaltet ist, dass es die Temperatur in einem temperaturempfindlichen Bereich einer Batteriezelle managt, und das einen Regler für das Batteriemanagement, der so ausgestaltet ist, dass er das Laden und Entladen einer Batteriezelle regelt, umfasst. Das System umfasst einen Regler für das thermoelektrische Management, der so ausgestaltet ist, dass er die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführte elektrische Energie regelt, wobei die thermoelektrische Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Anwendung von elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabefläche überträgt. Die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung ist an einer Sammelschiene angebracht, wobei die Sammelschiene in substantiellem thermischen Austausch mit einem elektrischen Leiter der Batteriezelle steht. Der elektrische Leiter ist so ausgestaltet, dass er elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt, und der elektrische Leiter als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient. Das System umfasst ein Batteriegehäuse, das die Batteriezelle einschließt. Das System umfasst ein Leiterplattensubstrat, das den Regler für das Batteriemanagement, den Regler für das thermoelektrische Management und eine Datenverbindung zwischen dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management umfasst. Das Leiterplattensubstrat ist innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet und umfasst einen Stromanschluss zur Versorgung der thermoelektrischen Vorrichtung mit elektrischer Energie.
In einigen Ausführungsformen umfasst das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem einen Regler, der mit dem Regler für das thermoelektrische Management in elektrischer Verbindung steht und so ausgestaltet ist, dass er eine Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt. Eine erste Polarität des elektrischen Stroms wird in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt und eine zweite Polarität, die der ersten Polarität des elektrischen Stroms entgegengesetzt ist, wird in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt.
In einigen Ausführungsformen ist der Regler für das Batteriemanagement so ausgestaltet, dass er Regelungsfunktionen auf die Batteriezelle ausübt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Leiterplattensubstrat einen Aussparungsbereich, der so ausgestaltet ist, dass er die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt.
In einigen Ausführungsformen steht eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters.
In einigen Ausführungsformen umfasst das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem eine Gebläse- und Kanalbaugruppe, die an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist und so ausgestaltet ist, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht. Die Gebläse- und Kanalbaugruppe umfasst einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management steht, derart, dass mindestens einer von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle gesteigert oder vermindert wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Sammelschiene ein oder mehrere Montagelöcher zur Anbringung der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter.
In einigen Ausführungsformen ist die Batteriezelle in einem Gehäuse versiegelt, wobei das Gehäuse ein Fenster aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, anliegend an der thermoelektrischen Vorrichtung, umfasst, welches so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung, bietet.
In einigen Ausführungsformen sind thermoelektrische Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene angebracht.
In gewissen Ausführungsformen, umfasst ein Verfahren zum Thermomanagement einer Batteriezelle das Regeln des Ladens und Entladens einer Batteriezelle unter Verwendung eines Reglers für das Batteriemanagement, der an einem Leiterplattensubstrat angebracht ist. Das Verfahren beinhaltet das Regeln der elektrischen Energie, die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, unter Verwendung eines Reglers für das thermoelektrische Management, der an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist. Das Verfahren beinhaltet das Versorgen der thermoelektrischen Vorrichtung mit elektrischer Energie von einem Stromanschluss, der an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist. Die thermoelektrische Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie bei Anwendung von elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabefläche überträgt. Die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung steht in physischem Kontakt mit einer Sammelschiene. Die Sammelschiene ist in thermischer und elektrischer Verbindung mit einer Elektrode der Batteriezelle. Die Elektrode ist so ausgestaltet, dass sie elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt und als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient. Die Batteriezelle ist in der Lage durch Einstellen einer Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung zugeführten elektrischen Stroms erwärmt oder gekühlt zu werden.
In einigen Ausführungsformen ist der Regler für das thermoelektrische Management so ausgestaltet, dass er die Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt, wobei eine erste Polarität des elektrischen Stroms in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird und wobei eine zweite Polarität entgegengesetzt zur ersten Polarität des elektrischen Stroms in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird.
In einigen Ausführungsformen ist der Regler für das Batteriemanagement so ausgestaltet, dass er das Laden und Entladen der Batteriezelle managt.
In einigen Ausführungsformen wird ein Temperatursensor in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management bereitgestellt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Leiterplattensubstrat einen Aussparungsbereich, der so ausgestaltet ist, dass er die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt.
In einigen Ausführungsformen steht eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters.
In einigen Ausführungsformen ist eine Gebläse- und Kanalbaugruppe an dem Leiterplattensubstrat angebracht und so ausgestaltet, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht. Die Gebläse- und Kanalbaugruppe umfasst einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management steht, derart, dass mindestens einer von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle gesteigert oder vermindert wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Sammelschiene ein oder mehrere Montagelöcher zum Anbringen der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter.
In einigen Ausführungsformen ist die Batteriezelle in einem Gehäuse versiegelt, wobei das Gehäuse ein Fenster, das an der thermoelektrischen Vorrichtung anliegt und so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung bietet, umfasst.
In einigen Ausführungsformen sind thermoelektrische Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene angebracht.
In gewissen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems bereitgestellt, welches das Verbinden eines Leiterplattensubstrats mit einem Batteriemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es das Laden und Entladen einer Batteriezelle regelt, und mit einem thermoelektrischen Managementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es die elektrische Energie, die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, regelt, umfasst. Die thermoelektrische Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie bei Anwendung von elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabefläche überträgt. Das Verfahren beinhaltet das Anbringen der Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung an eine Sammelschiene und das Verbinden der Sammelschiene mit einem elektrischen Leiter, der in thermischer und elektrischer Verbindung mit der Batteriezelle ist. Der elektrische Leiter ist so ausgestaltet, dass er elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt, derart, dass der elektrische Leiter als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient. Das Verfahren beinhaltet das Verbinden eines Stromanschlusses, der auf dem Leiterplattensubstrat angeordnet ist, mit der thermoelektrischen Vorrichtung, um die thermoelektrische Vorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Verbinden eines Reglers mit dem thermoelektrischen Managementsystem, wobei der Regler so ausgestaltet ist, dass er eine Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt. Eine erste Polarität des elektrischen Stroms wird in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt und eine zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität des elektrischen Stroms wird in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Verbinden eines Reglers mit dem Batteriemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es Regelungsfunktionen auf die Batteriezelle ausübt.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Anschließen eines Temperatursensors in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Ausbilden einer Aussparung in dem Leiterplattensubstrat, welche so ausgestaltet ist, dass sie die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Verbinden der Sammelschiene mit dem elektrischen Leiter derart, dass eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters steht.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Anbringen einer Gebläse- und Kanalbaugruppe an dem Leiterplattensubstrat, wobei die Gebläse- und Kanalbaugruppe so ausgestaltet ist, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht. Die Gebläse- und Kanalbaugruppe umfasst einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Batteriemanagementsystem und dem thermoelektrischen Managementsystem steht, derart, dass mindestens eines von dem Batteriemanagementsystem und dem thermoelektrischen Managementsystem ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle gesteigert oder vermindert wird.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Anbringen der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Versiegeln der Batteriezelle in einem Gehäuse, wobei das Gehäuse ein Fenster, das an der thermoelektrischen Vorrichtung anliegt und so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung bietet, umfasst.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren das Anbringen thermoelektrischer Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen zu illustrativen Zwecken dargestellt und sollten in keiner Weise so interpretiert werden, dass sie den Umfang der hierin beschriebenen thermoelektrischen Baugruppen oder Systeme beschränken. Darüber heraus können verschiedene Merkmale der verschiedenen offenbarten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen zu bilden, die auch Teil dieser Offenbarung sind. Jedes Merkmal oder jede Struktur kann entfernt, geändert oder weggelassen werden. Über die Zeichnungen hinweg können Bezugszeichen wiederverwendet werden, um eine Entsprechung zwischen den Bezugselementen anzuzeigen.
1 veranschaulicht schematisch eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems.
2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Sammelschiene eines thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems.
3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Moduls, das eine thermoelektrische Vorrichtung angebracht an der Sammelschiene nach 2 aufweist.
4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Leiterplattensubstrats.
5 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Verbindungselements.
6 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Baugruppe aus ein oder mehreren thermoelektrischen Modulen nach 3, die an dem Leiterplattensubstrat nach 4 angebracht sind.
7 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Luftkanal- und Gebläsesystems.
8 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des beispielhaften Luftkanal- und Gebläsesystems nach 7, das an der Baugruppe nach 6 angebracht ist.
9 veranschaulicht eine untere perspektivische Ansicht der beispielhaften Baugruppe nach 8 mit dem beispielhaften Luftkanal- und Gebläsesystem, das über ein oder mehrere Verbindungselemente an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist.
10 veranschaulicht eine obere perspektivische Ansicht der beispielhaften Baugruppe nach 9.
11 veranschaulicht eine Teilansicht der beispielhaften Baugruppe nach 10, die an einem Batteriemodul angebracht ist.
12 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems.
13 veranschaulicht eine Aufsicht auf das beispielhafte System nach 12.
14 veranschaulicht eine Teilansicht von Bestandteilen des beispielhaften Systems nach 12.
15 veranschaulicht ein beispielhaftes thermoelektrisches Batteriethermomanagementsystem.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl bestimmte Ausführungsformen und Beispiele hierin offenbart sind, erstreckt sich der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung über die Beispiele in den spezifisch offenbarten Ausführungsformen hinaus auf andere alternative Ausführungsformen und/oder Verwendungen und auf Modifikationen und Äquivalente derselben. Somit ist der Umfang der hieran angehängten Ansprüche nicht auf irgendeine der bestimmten Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, beschränkt. Zum Beispiel können in jedem hierin offenbarten Verfahren oder Prozess die Handlungen oder Arbeitsvorgänge des Verfahrens oder des Prozesses in jeder geeigneten Abfolge durchgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf irgendeine bestimmte offenbarte Abfolge beschränkt. Zahlreiche Arbeitsvorgänge mögen als mehrere getrennte Arbeitsvorgänge der Reihe nach in einer Weise, die für das Verständnis bestimmter Ausführungsformen hilfreich sein kann, beschrieben sein, die Abfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht dahingehend aufgefasst werden, dass sie impliziert, dass die Arbeitsvorgänge reihenfolgeabhängig sind. Zudem können die hierin beschriebenen Strukturen, Systeme und/oder Vorrichtungen als integrierte Komponenten oder als separate Komponenten ausgeführt sein. Für Zwecke des Vergleichs verschiedener Ausführungsformen werden bestimmte Aspekte und Vorteile dieser Ausführungsformen beschrieben. Es werden nicht notwendigerweise alle solchen Aspekte oder Vorteile durch jede einzelne Ausführungsform erreicht. So können zum Beispiel verschiedene Ausführungsformen in einer Weise ausgeführt werden, dass ein Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie sie hierin gelehrt werden, erreicht oder optimiert wird, ohne notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile, wie sie hierin ebenfalls gelehrt oder angeregt sein können, zu erreichen.
Es kann vorteilhaft sein, die thermischen Zustände von Elektronik und elektrischen Vorrichtungen zu managen. Solch ein Thermomanagement kann das Auftreten von Überhitzung, Unterkühlung und Degradation einer elektrischen Vorrichtung verringern. Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Thermomanagement von Vorrichtungen, die ein erhebliches Maß an elektrischer Energie führen und/oder eine hohe Stromstärke und Leistung erfordern (zum Beispiel Leistungsverstärker, Transistoren, Transformatoren, Wechselrichter, bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs), elektrische Motoren, Hochleistungslaser und Leuchtdioden, Batterien und andere) bereit. Ein weiter Bereich an Lösungen kann zum Thermomanagement solcher Geräte eingesetzt werden, beinhaltend konvektive Luft- und Flüssigkeitskühlung, konduktive Kühlung, Sprühkühlung mit Flüssigkeitsstrahlen, thermoelektrische Kühlung von Platinen und Chipgehäusen und andere Lösungen. Zumindest einige hierin beschriebene Ausführungsformen stellen mindestens einen der folgenden Vorteile im Vergleich zu existierenden Techniken zum Erwärmen oder Kühlen elektrischer Vorrichtungen bereit: Höherer Stromwirkungsgrad, niedrigere oder vermiedene Instandhaltungskosten, größere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer, weniger Bauteile, weniger oder gar keine beweglichen Teile, Erwärmungs- und Kühlbetriebsmodi, andere Vorteile oder eine Kombination von Vorteilen.
In elektrischen Vorrichtungen sind typischerweise elektrisch aktive Teile und/oder temperaturempfindliche Bereiche der Vorrichtung über elektrische Leiter mit der Außenwelt, wie etwa zum Beispiel externen Stromkreisen oder Vorrichtungen, verbunden. Zum Beispiel können Elektroden einer Batteriezelle so ausgelegt sein, dass sie ein hohes Maß an elektrischer Energie ohne signifikante Verluste (zum Beispiel Wärmeverluste, die gemäß dem Joule'schen Gesetz proportional zum Quadrat der Stromstärke sind) führen. Der Querschnitt der elektrischen Leiter, die für solche Elektroden verwendet werden, ist proportional zu den hohen Stromstärken, die typischer Weise in solchen Vorrichtungen fließen. Je größer die Größe der Batterie ist, desto größer sind die Elektrodenanschlüsse zum Verbinden mit den äußeren Stromkreisen.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Elektroden und vielen anderen Arten von elektrischen Leitern bedeutet auch, dass solche Leiter typischerweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die hohe thermische Leitfähigkeit kann verwendet werden, um verschiedene Thermomanagementprobleme zu lösen, wobei man durch Erwärmen und/oder Kühlen der Elektroden die gewünschte thermische Energie (zum Beispiel Kühlung, Erwärmung, etc.) unter Umgehung thermisch unempfindlicher Elemente der Vorrichtung direkt zu den empfindlichen Elementen der Vorrichtung liefern kann. Ähnlich zur Verwendung thermisch konditionierten Bluts während Bluttransfusionen, um Wärme tief in das Innere von menschlichen Körpern einzubringen, kann das Pumpen von Wärme durch die Elektroden verwendet werden, um auf effiziente Weise die gewünschten thermischen Zustände tief im Inneren einer elektrischen Vorrichtung zu schaffen. Als ein Beispiel ist festgestellt worden, dass Elektrodenkühlung von modernen Kraftfahrzeugbatterien eine der vorteilhaftesten Techniken für das Thermomanagement von Batterien darstellt. Zum Beispiel können die Elektroden unter Verwendung von Feststoff-, Flüssigkeits- oder Luftkühlungstechniken gekühlt werden. In einem gewissen Sinne fungieren die Elektroden in solch einer Anordnung des Thermomanagements als Kühlfinger.
Hierin beschriebene Ausführungsformen beinhalten Systeme und Verfahren, die in der Lage sind, eine elektrische Vorrichtung thermisch zu managen, indem eine direkte oder indirekte thermoelektrische (TE) Kühlung und/oder Erwärmung auf stromführende elektrische Leiter (zum Beispiel Elektroden) von leistungselektronischen Bauteilen, Elektronik und anderen elektrischen Vorrichtungen ausgeübt wird. Solche Vorrichtungen können häufig von einem Thermomanagement profitieren. Einige Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf bestimmte elektrische Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel Batterien, Batteriemodule und/oder Batteriezellen, beschrieben. Zumindest einige hierin beschriebene Ausführungsformen sind jedoch geeignet, ein Thermomanagement für andere elektrische Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs), andere elektrische Vorrichtungen oder eine Kombination von Vorrichtungen, bereitzustellen. Zumindest einige solcher Vorrichtungen können eine hohe Stromführungskapazität aufweisen und können bei einem Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs Schaden erleiden. Der Betrieb einiger Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf einen Kühlbetriebsmodus beschrieben. Einige oder alle der hierin beschriebenen Ausführungsformen können jedoch genauso gut einen Erwärmungsbetriebsmodus aufweisen. In einigen Situationen kann ein Erwärmungsbetriebsmodus verwendet werden, um die Temperatur einer elektrischen Vorrichtung oberhalb einer Schwellentemperatur, unterhalb derer die elektrische Vorrichtung degradieren oder einen beeinträchtigten Betrieb aufweisen kann, zu halten. TE-Vorrichtungen sind einzigartig geeignet sowohl Erwärmungs- als auch Kühlfunktionen bei minimalen Komplikationen für die Systemarchitektur bereitzustellen.
Es gibt eine Vielzahl von Weisen, in denen TE-Vorrichtungen für Anwendungen zur Kühlung und/oder Erwärmung elektrischer Leiter verwendet werden können. Wie hierin beschrieben, können TE-Vorrichtungen ein oder mehrere TE-Elemente, TE-Materialien, TE-Baugruppen und/oder TE-Module enthalten. In einigen Ausführungsformen kann ein TE-System eine TE-Vorrichtung beinhalten, die eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, umfasst. In einigen Ausführungsformen können die erste Seite und die zweite Seite eine Hauptoberfläche und eine Abgabeoberfläche beziehungsweise eine Erwärmungs-/Kühloberfläche und eine Abgabeoberfläche sein. Eine TE-Vorrichtung kann wirksam mit einer Energiequelle gekoppelt sein. Die Energiequelle kann so ausgestaltet sein, dass sie eine Spannung an die TE-Vorrichtung anlegt. Wenn Spannung in einer Richtung angelegt wird, erzeugt eine Seite (zum Beispiel die erste Seite) Wärme, während die andere Seite (zum Beispiel die zweite Seite) Wärme absorbiert. Das Umschalten der Polarität des Stromkreises erzeugt den entgegengesetzten Effekt. In einer typischen Anordnung umfasst eine TE-Vorrichtung einen geschlossenen Stromkreis, der unterschiedliche Materialien umfasst. Wenn eine Gleichspannung an den geschlossenen Stromkreis angelegt wird, wird eine Temperaturdifferenz am Übergang der unterschiedlichen Materialien erzeugt. Abhängig von der Richtung (zum Beispiel der Polarität) des elektrischen Stroms/der Spannung wird Wärme an einem bestimmten Übergang entweder emittiert oder absorbiert. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die TE-Vorrichtung mehrere Festkörperhalbleiterelemente vom p- und n-Typ, die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet verbunden sind. In bestimmten Ausführungsformen sind die Übergänge zwischen zwei elektrischen Isolationsbauteilen (zum Beispiel keramischen Platten), welche die kalte Seite und die heiße Seite der TE-Vorrichtung bilden können, sandwichartig eingeschlossen. Die kalte Seite kann thermisch an einen Gegenstand (zum Beispiel einen elektrischen Leiter, eine elektrische Vorrichtung unter Thermomanagement, etc.), der gekühlt werden soll, gekoppelt sein, und die warme Seite kann thermisch mit einer Wärmesenke, die Wärme an die Umgebung abführt, gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann die warme Seite an einen Gegenstand (zum Beispiel einen elektrischen Leiter, eine elektrische Vorrichtung unter Thermomanagement, etc.), der erwärmt werden soll, gekoppelt sein. Bestimmte nicht beschränkende Ausführungsformen sind nachfolgend beschrieben.
Der Ausdruck ”substantieller thermischer Austausch”wird hierin in seinem weiten und gewöhnlichen Sinne verwendet und umfasst zum Beispiel einen eng anliegenden Kontakt zwischen Oberflächen am Übergang mit thermischem Austausch; ein oder mehrere Wärmeübertragungsmaterial(ien) oder -vorrichtung(en) zwischen Oberflächen in thermischem Austausch; eine Verbindung zwischen festen Oberflächen unter Verwendung eines thermisch leitfähigen Materialsystems, wobei solch ein System Polster, Wärmeleitschmiermittel, Paste, ein oder mehrere Arbeitsfluide oder andere Strukturen mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen den Oberflächen beinhalten kann; andere geeignete Strukturen; oder eine Kombination von Strukturen. Substantieller thermischer Austausch kann zwischen Oberflächen, die direkt verbunden oder indirekt über ein oder mehrere Grenzflächenmaterial(ien) verbunden sind, zustande kommen.
In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, einer elektrischen Vorrichtung ein Thermomanagement (entweder Erwärmung und/oder Kühlung) bereitzustellen, um einen effizienten Betrieb der elektrischen Vorrichtung zu fördern. Zum Beispiel kann das Erwärmen und Kühlen einer elektrischen Vorrichtung (zum Beispiel eine Batterie, ein Batterie-Pack, Batteriemodul(e), Zellen eines Batterie-Packs oder -moduls etc.) über elektrische Leiter (zum Beispiel Batterie- oder Zellelektroden) eine wirksame Weise darstellen, ein solches Thermomanagement auszuüben. Eine Option, den Zellen in einem Batterie-Pack, ein verteiltes und agiles Thermomanagement bereitzustellen besteht darin, den Wärmefluss in die Batterie hinein und aus dieser heraus zu regeln, indem thermoelektrische Vorrichtungen in substantiellen thermischen Austausch mit einer oder mehreren Batterieelektroden gesetzt werden, wie es für bestimmte Ausführungsformen hierin beschrieben ist.
Viele Typen moderner wiederaufladbarer Batterien (zum Beispiel Batterien für Hybrid-Fahrzeuge, Lithiumionen-Batterien, intelligente Batterien) sind so ausgestaltet, dass sie sich abhängig von der Temperatur, Ladezuständen und anderen Bedingungen mit variierenden oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten laden und/oder entladen. Diese Batterietypen können einen Regler beinhalten, der den elektrischen Strom oder die Spannung, die der Batterie während des Ladens und/oder des Entladens zugeführt oder entzogen wird, variiert. Der Regler kann das elektrische Laden und/oder Entladen basierend auf dem Zustand der Batterie regeln. Der gleiche Regler oder ein anderer Regler kann andere Aspekte der Batterie, wie etwa einen Zellausgleich, eine Regelung der Umgebung, Sicherstellung eines sicheren Betriebsbereichs, Datensammlung, -berechnung und -bericht usw., managen. Ein System, das ein oder mehrere Regler enthält, welche diese Aspekte des Betriebs einer Batterie managen, kann als ein Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet werden. Das BMS kann den Zustand der Batterie und Umgebungszustände überwachen, um die Batterie vor Schädigung, extremen Temperaturen und/oder Bedingungen, welche die Batterie-Leistungsfähigkeit herabsetzen, zu schützen. Das BMS kann einen oder mehrere Regler, Sensoren (zum Beispiel einen Thermistor, ein Thermoelement), Prozessoren, integrierte Schaltkreise, externe Kommunikationsdatenübertragungswege, Spannungswandler, Regelkreise, Spannungsabgriffe, Leiterplattensubstrate (PCSs) (zum Beispiel Platinen oder flexible gedruckte Schaltungen) zur Überwachung der Temperatur, der Spannung, des Ladezustands oder Entladezustands, der Funktionsfähigkeit, der Energiekapazität und/oder des Stroms der Batterie oder der Batteriezellen und anderer Umgebungszustände, enthalten.
Wenn diese Batterietypen oder Batteriemodule unter Verwendung thermoelektrischer Vorrichtungen gekühlt oder erwärmt werden, können sie wirksam mit einem auf Thermoelektrik basierenden thermischen Managementsystem (TMS) verbunden sein. Das BMS und das TMS solcher Batterien können getrennte oder eigenständige Systeme sein (zum Beispiel können BMS- und TMS-Regler auf verschiedenen PCSs angeordnet sein). In einigen Ausführungsformen beinhaltet eine Batterie oder ein Batteriemodul ein integriertes BMS und TMS (zum Beispiel können die BMS- und die TMS-Regler innerhalb des Batteriegehäuses und/oder auf demselben PCS angeordnet sein).
1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines beispielhaften thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems (TBTMS) 1, das zum Kühlen und/oder Erwärmen elektrischer Vorrichtungen ausgestaltet ist und Merkmale und Aspekte, im Ganzen oder zum Teil, von jedem/jeder der hierin beschriebenen Ausführungsformen, Merkmale, Strukturen und Betriebsmodi umfassen oder enthalten kann. In einigen Ausführungsformen kann ein TBTMS 1 ein integriertes Batteriemanagementsystem 2 (BMS), ein integriertes thermoelektrisches Managementsystem 4 (TMS), ein oder mehrere integrierte Sammelschienen 6 und ein integriertes Gebläse- 8 und Luftkanalsystem 10 umfassen und so ausgestaltet sein, dass es einem Batteriemodul 12 (wahlweise als einem Ganzen und/oder einzelnen Zellen oder spezifischen Teilen des Moduls) über ein oder mehrere elektrische Leiter 14 (zum Beispiel Elektroden) eine Erwärmung und/oder eine Kühlung bereitstellt. In einigen Ausführungsformen kann der Luftkanal 8 so ausgestaltet sein, dass andere Fluide als Luft (zum Beispiel Flüssigkeit, Gas etc.) durch diesen fließen können. In einigen Ausführungsformen kann das TBTMS 1 mindestens eine TE-Vorrichtung 16, die über ein oder mehrere integrierte Sammelschienen 6 in substantiellem thermischen Austausch mit einer Wärmeaustauschoberfläche mindestens eines elektrischen Leiters 14 (zum Beispiel ein stromführender Konnektor, eine Elektrode, ein Teil einer Zelle, Anschlussdrähte, Verdrahtung zwischen Elektroden oder Teilen von Zellen, Zuleitungen, positive und/oder negative Anschlüsse etc.) des Batteriemoduls 12 steht, umfassen, wie es weiter unten beschrieben ist. Ein oder mehrere der Komponenten des TBTMS 1 können mit einem Leiterplattensubstrat (PCS) 30 zur Regelung und Überwachung verschiedener Zustände des Batteriemoduls 12 und/oder um durch das Batteriemodul 12 mit elektrischer Energie (zum Beispiel Spannung, Strom etc.) versorgt zu werden, integriert sein, wie es unten näher beschrieben ist.
In einigen Ausführungsformen ist die TE-Vorrichtung 16 so ausgestaltet, dass sie bei Anwendung elektrischer Energie (zum Beispiel Spannung und/oder Strom) auf die TE-Vorrichtung 16 thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche oder -seite und einer Abgabeoberfläche oder -seite der thermoelektrischen Vorrichtung überträgt. Entweder die Hauptoberfläche oder die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung 16 kann so ausgestaltet sein, dass sie in substantiellem thermischen Austausch mit ein oder mehreren elektrischen Leitern steht. Die ein oder mehreren elektrischen Leiter 14 sind so ausgestaltet, dass sie elektrische Energie zu den Zellen des Batteriemoduls 12 hinführen oder von diesen abführen. Die elektrischen Leiter 14 dienen wirksam als Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen dem temperaturempfindlichen Bereich der Zellen des Batteriemoduls 12 und den thermoelektrischen Vorrichtungen 16.
In solchen Fällen sind die ein oder mehreren elektrischen Leiter 14 in der Lage, sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie zwischen temperaturempfindlichen Bereichen des Batteriemoduls 12 und ein oder mehreren externen Vorrichtungen zu leiten. Bei Betrieb in einem Kühlmodus wird Wärme Q von den ein oder mehreren elektrischen Leitern 14 abgepumpt und an die äußere Umgebung, welche Luft, Flüssigkeit, eine andere feste Komponente oder eine Kombination von Komponenten sein kann, abgeführt. Bei Betrieb im Erwärmungsmodus wird thermische Energie in der entgegengesetzten Richtung gepumpt, wobei die Wärme durch die ein oder mehreren elektrischen Leiter 14 in das Batteriemodul 12 hinein geführt wird.
Unter Bezugnahme auf 1, kann das Batteriemodul 12 des TBTMS 1 in einigen Ausführungsformen mehrere Zellen 20, die miteinander elektrisch verbunden sind, um ein einzelnes funktionelles Batteriemodul bereitzustellen, umfassen. In einigen Ausführungsformen können mehrere (zum Beispiel zwei oder mehr) Batteriemodule 12 so zusammengefügt sein, dass sie entweder in Reihe und/oder parallel in elektrischer Verbindung stehen. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Batteriemodule 12 benachbart zueinander und/oder übereinander angeordnet oder gestapelt sein. Wie in 1 veranschaulicht, umfasst das Batteriemodul 12 in einigen Ausführungsformen zehn einzelne Zellen 20, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. In einigen Ausführungsformen können einzelne Zellen 20 des Batteriemoduls 12 über elektrisch leitfähige Sammelschienen 6 oder andere Konnektoren oder Leiter elektrisch miteinander in Reihe und/oder parallel verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann das Thermomanagementsystem 4 ein oder mehrere thermoelektrische Vorrichtungen 16, die über ein oder mehrere Stromschienen 6 mit ein oder mehreren elektrischen Leitern 14 von einer oder mehreren Zellen 20 des Batteriemoduls 12 verbunden sind (zum Beispiel in substantiellem thermischen Austausch mit diesen stehen) oder mit diesen integriert sind, umfassen.
Wie in 1 dargestellt, können in einer Ausführungsform die in Reihe geschalteten Zellen 20 zwei parallele Reihen an elektrischen Leitern 14, die sich entlang einer oberen Oberfläche des Batteriemoduls 12 erstrecken, aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die ein oder mehreren thermoelektrischen Vorrichtungen 16 so ausgestaltet sein, dass sie Kupfersubstrate oder Folien 22 aufweisen, die schichtförmig auf oberen und unteren Oberflächen eines keramischen Substrats 24 aufgebracht sind, oder jede(s) andere geeignete Anordnung oder Material aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine Seite oder ein Teil jeder thermoelektrischen Vorrichtung 16 mit mindestens einer integrierten Sammelschiene 6 verbunden, an dieser angebracht oder mit dieser integriert sein (zum Beispiel gelötet, geklammert, geklebt, gebunden, geklemmt oder anderweitig angebracht sein). Wie in 1 dargestellt, kann in einigen Ausführungsformen eine erste Seite einer ersten thermoelektrischen Vorrichtung 16 mit einer oberen Oberfläche einer Sammelschiene 6 verbunden oder integriert sein und eine erste Seite einer zweiten thermoelektrischen Vorrichtung 16 kann mit einer unteren Oberfläche einer Sammelschiene 6 verbunden oder integriert sein.
In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine integrierte Sammelschiene 6 derart mit ein oder mehreren elektrischen Leitern 14 von zwei oder mehr Zellen 20 (zum Beispiel zwei benachbarten Zellen, die in Reihe verbunden sind) gekoppelt, dass die thermoelektrische Vorrichtung 16 in substantiellem thermischen Austausch mit den ein oder mehreren elektrischen Leitern steht. In einigen Ausführungsformen ist wenigstens ein elektrischer Leiter 14 nicht mit mindestens einer TE-Vorrichtung 16 verbunden oder in substantiellem thermischen Austausch. Eine zweite Seite oder ein zweiter Teil von jeder thermoelektrischen Vorrichtung 16 kann mit mindestens einer Wärmeübertragungsvorrichtung 26 verbunden, aneinander gelötet, geklemmt, geklebt, gebunden, geklammert oder anderweitig an eine solche angebracht sein. Die mindestens eine Wärmeübertragungsvorrichtung 26 (zum Beispiel ein Wärmeaustauscher) kann Kühlrippen 28 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmeübertragungsvorrichtung 26 an jeder thermoelektrischen Vorrichtung 16 angebracht sein. In anderen Ausführungsformen können mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen 26 an jeder thermoelektrischen Vorrichtung 16 angebracht sein oder in substantiellem thermischen Austausch mit jeder thermoelektrischen Vorrichtung 16 stehen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 26 kann in thermischem Austausch mit jedem System zur Abfuhr von Abwärme, wie es unten beschrieben ist (zum Beispiel einem Flüssigkeitskreislauf oder einer Flüssigkeitsleitung, einem Kanal und Gebläse), stehen.
In einigen Ausführungsformen wird ein TBTMS 1 bereitgestellt, das ausgestaltet ist, mit bestehenden Komponenten, Zellen und/oder Schaltkreisen einer elektrischen Vorrichtung (zum Beispiel einer Elektrofahrzeugbatterie oder eines Batteriemoduls 12) und dem Regelungs- oder Managementsystem der elektrischen Vorrichtung, welches die Entlade-/Ladegeschwindigkeit, die Temperatur oder andere Zustände der elektrischen Vorrichtung überwacht (zum Beispiel BMS 2 und/oder TMS 4) integriert zu werden. Solch ein integriertes TBTMS 1 vermag Problemstellungen betreffend den Zusammenbau oder die Installation zu vereinfachen und Bauteile oder Komplikationen, die solche Systeme mit sich bringen, zu minimieren. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Komponenten in eine einzelne vorhandene oder benötigte Komponente (zum Beispiel ein PCS 30) vor der Anbringung der einzelnen Komponente an der elektrischen Vorrichtung integriert werden, um den Zusammenbau und/oder die Installation zu erleichtern. Wie in 1 veranschaulicht, kann das TBTMS 1 eines Batteriemoduls 12 sowohl ein TMS 4 als auch ein BMS 2 des Batteriemoduls 12, ein oder mehrere Sammelschienen 6, ein oder mehrere thermoelektrische Vorrichtungen 16, ein oder mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen 26 und ein Luftkanal- 8 und Gebläsesystem 10, welche ausgestaltet sind, in ein oder mehrere Komponenten, zum Beispiel das PCS 30, integriert zu werden, umfassen. Sobald die ein oder mehreren Komponenten auf dem PCS 30 installiert und in dieses integriert (zum Beispiel verbunden oder in elektrischer Verbindung) sind, kann das PCS dann mit dem Batteriemodul 12 gekoppelt werden. In solchen Fällen würde das TBTMS 1 dann nur eine elektrische Verbindung (zum Beispiel des Batteriemoduls 12 selbst oder einer externen Energiequelle) zu den verschiedenen Systemen oder Komponenten (zum Beispiel dem BMS 2, dem TMS 4, den TE-Vorrichtungen 16, etc.) benötigen, um diese Komponenten mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Arten von Systemen oder Baugruppen können die mit der Herstellung, Installation und/oder dem Zusammenbau solcher Systeme verbundene(n) Komplexität, Komponenten, Schwierigkeiten und Schritte verringern.
In einigen Ausführungsformen umfasst das TBTMS 1 das BMS 2 und das TMS 4 integriert auf dem PCS 30 (zum Beispiel verbindet das PCS 30 das BMS 2 mit dem TMS 4 oder das BMS 2 und das TMS 4 teilen sich ein PCS und/oder integrierte Schaltkreise). Das BMS 2 ist so ausgestaltet, dass es das Laden und Entladen des Batteriemoduls 12 regelt. Das TMS 4 kann einen Regler (zum Beispiel eine ECU) beinhalten, der so ausgestaltet ist, dass er die elektrische Energie (zum Beispiel Strom, Spannung), die den ein oder mehreren TE-Vorrichtungen 16 zugeführt wird, regelt. Die TE-Vorrichtungen 16 können eine Hauptseite und eine Abgabeseite beinhalten. Die Hauptseite kann die Seite der TE-Vorrichtung 16, wo die Temperatur geregelt wird, sein. Die Abgabeseite kann die Seite der TE-Vorrichtung 16, die als eine Wärmequelle oder als eine Wärmesenke für das TMS 4 dient, sein. In einigen Ausführungsformen regelt das TMS 4 nicht die Temperatur der Wärmequelle oder der Wärmesenke, die mit der Abgabeseite der TE-Vorrichtung 16 verbunden ist. Die Hauptseiten der TE-Vorrichtungen 16 können in substantiellem thermischen Austausch mit (zum Beispiel direktem oder indirektem physischen Kontakt oder Anbringung an) einer Sammelschiene 6 stehen. Wie unten näher beschrieben, kann jede Sammelschiene 6 in substantiellem thermischen Austausch mit (zum Beispiel direktem oder indirektem physischen Kontakt oder Anbringung an) einer Wärmeaustauschoberfläche von ein oder mehreren elektrischen Leitern 14 (zum Beispiel einem stromführenden Konnektor, einer Elektrode, einem Teil einer Zelle, Anschlussdrähten, Verdrahtung zwischen Elektroden oder Teilen von Zellen, Zuleitungen etc.) einer Batteriezelle, eines Batterie-Packs oder Batteriemoduls 12 stehen. Zusätzlich kann, wie unten beschrieben, das PCS 30 einen Stromanschluss (zum Beispiel elektrische Konnektoren 50, die so ausgestaltet sind, dass sie elektrische Energie von der elektrischen Vorrichtung unter Thermomanagement (zum Beispiel einem Batteriemodul 12) oder einer externen Vorrichtung oder Energiequelle bereitstellen) zu der TE-Vorrichtung 16 umfassen. Zum Beispiel kann die TE-Vorrichtung 16 in den elektrischen Konnektor 50, der auf dem PCS 30 angeordnet ist, ”eingesteckt” werden.
Wie in 1 gezeigt und oben diskutiert, kann in einigen Ausführungsformen ein TMS 4 mindestens eine TE-Vorrichtung 16 beinhalten. Eine Oberfläche (zum Beispiel die Hauptseite) der TE-Vorrichtung 16 kann in substantiellem thermischen Austausch mit einer Oberfläche einer Sammelschiene 6 stehen oder an dieser angebracht sein. Eine Oberfläche der Sammelschiene 6 kann in direktem oder indirektem Kontakt mit einer festen Oberfläche mindestens eines elektrischen Leiters 14 stehen. Der elektrische Leiter 14 kann so ausgestaltet sein, dass er einer Zelle des Batteriemoduls 12 elektrische Energie zuführt, derart, dass der elektrische Leiter 14 auch als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen temperaturempfindlichen Bereichen in der Zelle des Batteriemoduls 12 und der TE-Vorrichtung 16 dient. In einigen Ausführungsformen kann der Übergang zwischen der Oberfläche der Sammelschiene 6 und der festen Oberfläche des elektrischen Leiters 14 ein thermisch leitfähiges Material (nicht gezeigt), das so ausgestaltet ist, dass es einen substantiellen thermischen Austausch zwischen den Oberflächen ermöglicht, beinhalten. Zum Beispiel kann das thermisch leitfähige Material ein Schmiermittel, eine Paste, ein Polster, ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, ein Material mit einer thermischen Leitfähigkeit größer als oder gleich ungefähr 100 W/(m × K), ein anderes geeignetes Material oder eine Kombination von Materialien beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann ein thermisch leitfähiges Material an einem Übergang zwischen ein oder mehreren Oberflächen einer Wärmeübertragungsvorrichtung oder einer Sammelschiene und Oberflächen einer TE-Vorrichtung und/oder eines elektrischen Leiters angeordnet sein.
Wie oben beschrieben, kann ein Regler (zum Beispiel eine ECU) als ein Teil des TMS 4 bereitgestellt werden, um die TE-Vorrichtung 16 dahingehend zu regeln, dass sie entweder eine Erwärmungs- oder eine Kühlfunktion ausübt und/oder um die der TE-Vorrichtung zugeführte elektrische Energie anzupassen. Die TE-Vorrichtung 16 kann mittels der Vorrichtung unter Thermomanagement (zum Beispiel ein Batteriemodul 12) in Reihe oder über eine externe Energieversorgung oder -quelle mit elektrischer Energie versorgt werden. In einigen Ausführungsformen werden die TE-Vorrichtungen 16 mit elektrischer Energie versorgt und geregelt, ihre Wärmepumpenfunktion zu einer Vorrichtung unter Thermomanagement hin und/oder von dieser weg auszuüben. Die Stromversorgungs- und Regelungsfunktion kann durch eine separate elektronische Regelungseinheit, ECU, ausgeübt werden. Die ECU kann die der TE-Vorrichtung 16 zugeführte elektrische Energie, die mit dem TE-Management des Batteriemoduls 12 verbunden ist, anpassen. In einigen Ausführungsformen erhält die ECU Eingangssignale von ein oder mehreren Temperatursensoren, die den thermischen Zustand des Batteriemoduls 12 direkt oder über elektrische Leiter 14 erfassen, die ECU diese Eingangssignale mit Algorithmen vergleicht und ein Regelungssignal ausgibt, damit die TE-Vorrichtung 16 entweder eine Erwärmungs- oder eine Kühlfunktion ausführt. In einigen Ausführungsformen kann die ECU so ausgestaltet sein, dass sie andere Eingangssignale als die Temperatur (zum Beispiel den Strom oder die Spannung, die der TE-Vorrichtung 16 und/oder dem Batteriemodul 12 etc. zugeführt und/oder aus diesen abgeführt wird) von anderen Sensoren (nicht gezeigt) aufnimmt und die Kühl- und/oder Erwärmungsausgangsleistung zu/von dem Batteriemodul 12 anpasst. Das TMS 4 kann mit dem Rest der Elektronik, die das Batteriemodul 12 unter Thermomanagement unterstützt, zum Beispiel dem BMS 2, das so ausgestaltet ist, dass es die Funktionsfähigkeit der Batterie überwacht und/oder Regelungsfunktionen in Antwort auf interne und/oder externe Veränderungen ausübt, integriert sein. Die TMS 4 Funktionalität kann in das BMS 2 integriert sein und kann auf demselben PCS 30 angeordnet sein oder die gleichen Chipsätze oder integrierten Schaltkreise, welche die BMS 2-Funktionen ausführen, verwenden.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 11 können beispielhafte Ausführungsformen der Montage ein oder mehrerer Komponenten auf dem Batteriemodul 12, um das beispielhafte in 1 veranschaulichte TBTMS 1 zu bilden, mindestens einen oder mehrere Schritte umfassend die Schritte des Herstellens (zum Beispiel des Ausstanzens) ein oder mehrerer Sammelschienen 6, wie in 2 dargestellt, umfassen. Die Sammelschienen 6 können andere Merkmale und Gestaltungen, wie sie weiter unten beschrieben sind, umfassen. Ein anderer Schritt umfasst das Bilden eines thermoelektrischen Moduls 32 durch Anbringen (zum Beispiel Löten etc.) einer ersten Seite (zum Beispiel der Hauptseite) ein oder mehrerer thermoelektrischer Vorrichtungen 16 an einer oberen und/oder einer unteren Oberfläche ein oder mehrerer Sammelschienen 6, wie in 3 veranschaulicht. Eine zweite Seite (zum Beispiel die Abgabeseite) der TE-Vorrichtungen 16 kann an einer Wärmeübertragungsvorrichtung 26 (zum Beispiel einer Kühlrippe, einem Wärmeaustauscher) angebracht sein, wie es oben beschrieben ist. Das TE-Modul 32 kann andere Merkmale, wie sie weiter unten beschrieben sind, umfassen. Ein weiterer Schritt umfasst das Zusammenbauen und/oder das Herstellen des PCS 30 mit einem integrierten BMS 2 und TMS 4, wie in 4 dargestellt. Das PCS 30 kann andere Merkmale, wie sie weiter unten beschrieben sind, umfassen.
In einem weiteren Schritt kann ein Verbindungselement 34 (zum Beispiel ein Druckstift, eine Schraube, ein Nagel, ein Bolzen, eine Ultraschallverbindung, eine Niete etc.) verwendet werden, um die TE-Module 32 nach 3 an dem PCS 30 nach 4 zu befestigen, um die Baugruppe 40 in 6 zu bilden. In einigen Ausführungsformen befestigen ein oder mehrere Verbindungselemente 34, wie in 6 dargestellt, über Montagelöcher oder Aussparungen 36 in der Sammelschiene 6 und entsprechende Montagelöcher oder Aussparungen 38 in dem PCS 30 ein oder mehrere Teile jeder Sammelschiene 6 an einer unteren Oberfläche oder Unterseite des PCS 30 oder fügen diese zusammen. Die Verbindungselemente 34 können Druckstifte umfassen, die ausgestaltet sind, in die Montagelöcher oder Aussparungen 36, 38, eingesetzt zu werden oder sich durch diese zu erstrecken, wobei die Montagelöcher oder Aussparungen 36, 38 ausgestaltet sind, zueinander ausgerichtet zu werden, um die Sammelschiene 6 an dem PCS 30 zu befestigen. Die Verbindungselemente 34 können andere Merkmale, wie sie weiter unten beschrieben werden, umfassen. Die TE-Module 32 können von dem PCS 30 oder durch dieses über verbindende Kabel oder Drähte 48, die an den TE-Vorrichtungen 16 und an ein oder mehreren elektrischen Konnektoren 50 auf dem PCS 30 angebracht sind, mit elektrischer Energie (zum Beispiel Strom, Spannung, etc.) versorgt werden. Die elektrischen Konnektoren 50 können so ausgestaltet sein, dass sie elektrische Energie von der elektrischen Vorrichtung unter Thermomanagement (zum Beispiel einem Batteriemodul 12) oder einer externen Vorrichtung oder Energiequelle bereitstellen.
In einem weiteren Schritt kann ein Luftgebläse 8 mit einem Kanalsystem 10 zusammengefügt werden, wie es in 7 veranschaulicht ist. Das Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 kann dann mit der in 6 dargestellten Baugruppe 40 zusammengefügt werden, wie es in 8 gezeigt ist. Das Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 kann andere Merkmale, wie sie weiter unten beschrieben sind, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann, wie es in 9 veranschaulicht ist, das Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 an der unteren Oberfläche des PCS 30 der Baugruppe 40 über Verbindungselemente 34, die ausgestaltet sind, in Montagelöcher oder Aussparungen 42 der Anbringungsstruktur 98 des Kanalsystems 10 und Montagelöcher oder Aussparungen 44 des PCS 30 eingesetzt zu werden oder sich durch diese zu erstrecken, befestigt sein, wobei die Montagelöcher oder Aussparungen 42 der Anbringungsstruktur 98 des Kanalsystems 10 und die Montagelöcher oder Aussparungen 44 des PCS 30 ausgestaltet sind, zueinander ausgerichtet zu werden, was zu der in 10 dargestellten Baugruppe 46 führt. In anderen Ausführungsformen kann das Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 an der oberen Oberfläche des PCS 30 der Baugruppe 40 befestigt sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Baugruppe 46, die das PCS 30, integriert oder zusammengebaut mit ein oder mehreren thermoelektrischen Modulen 32, dem TMS 4, dem BMS 2 und dem Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 umfasst, dann mit den elektrischen Leitern 14 zusammengefügt und auf diesen befestigt werden, um das TBTMS 1, das in 1 dargestellt ist, zu bilden. Wie in 11 dargestellt, kann jede Sammelschiene 6 der Baugruppe 46 gleichzeitig an ein oder mehreren elektrischen Leitern 14 und dem PCS 30 angebracht sein. In einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Montagelöcher oder Aussparungen 54 jeder Sammelschiene 6 ausgestaltet, mit ein oder mehreren Montagelöchern oder Aussparungen 56 der elektrischen Leiter 14 und ein oder mehreren Montagelöchern oder Aussparungen 58 in dem PCS 30 ausgerichtet zu werden. In einigen Ausführungsformen sind die Verbindungselemente 52 (zum Beispiel Bolzen, Muttern, Schrauben, Druckstifte, Ultraschallverbindungen, Nieten, etc.) ausgestaltet, in die entsprechenden und ausgerichteten Montagelöcher oder Aussparungen 54, 56 und 58 eingesetzt zu werden oder sich durch diese zu erstrecken, um die Sammelschienen 6 an dem PCS 30 und den elektrischen Leitern 14 zu befestigen. In einigen Ausführungsformen kann die Baugruppe 46 derart an den elektrischen Leitern 14 befestigt sein, dass die TE-Vorrichtungen 16 zwischen elektrischen Leitern 14, die an benachbarten Zellen angeordnet sind, angebracht sind. In einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Montagelöcher oder Aussparungen 54 von jeder Sammelschiene 6 ausgestaltet, an den elektrischen Leitern 14 befestigt oder angebracht oder zu diesen ausgerichtet zu werden.
Wie in 2 veranschaulicht, können die Sammelschienen 6 verschiedene Querschnittsformen (zum Beispiel flache Leisten, hohle Röhren etc.) und Materialien (zum Beispiel Kupfer, Messing, Aluminium etc.) umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Sammelschienen 6 ein oder mehrere Montagelöcher oder Aussparungen, die ausgestaltet sind, mit entsprechenden Montagelöchern oder Aussparungen des PCS 30, des Kanalsystems 10 und der elektrischen Leiter 14 ausgerichtet zu werden, um die Komponenten aneinander zu befestigen, wie es oben diskutiert wurde, umfassen. Die Sammelschienen 6 können eine erste beziehungsweise zweite Zunge an einem ersten beziehungsweise zweiten Ende mit ersten beziehungsweise zweiten Montagelöchern oder Aussparungen 36, die ausgestaltet sind, mit Montagelöchern oder Aussparungen 38 des PCS 30 ausgerichtet zu werden, umfassen. Die Sammelschienen 6 können erste und zweite Montagelöcher oder Aussparungen 54, die ausgestaltet sind, mit entsprechenden Montagelöchern oder Aussparungen 56 und 58 der elektrischen Leiter 14 und des PCS 30 ausgerichtet zu werden, und die einwärts und/oder näher zum Zentrum der Sammelschiene angeordnet sind als die Montagelöcher oder Aussparungen 36, die an den Enden der Sammelschiene 6 angeordnet sind, umfassen.
In einigen Ausführungsformen können die Sammelschienen 6 eine verstärkte Breite in einigen Bereichen, die ausgestaltet sind, an die TE-Vorrichtungen angebracht zu werden, im Vergleich zu Bereichen der Sammelschienen 6, die ausgestaltet sind, an den elektrischen Leitern 14 angebracht zu werden, umfassen. Die Sammelschiene 6 kann sich in ihrer Breite von einem mittleren Teil 60 zu den ersten 62 und zweiten Enden 64 hin verjüngen. In einigen Ausführungsformen verbessert das Maximieren des Oberflächenbereichs der Sammelschiene 6 an einer Stelle, die für die Anbringung einer TE-Vorrichtung 16 ausgestaltet ist, die thermische Leitfähigkeit und/oder das Thermomanagement zwischen der Sammelschiene 6 und der TE-Vorrichtung 16. In einigen Ausführungsformen kann solch eine Anbringungsfläche für eine TE-Vorrichtung 16 der Sammelschiene 6 vergrößerte Abmessungen, verglichen mit anderen Teilen der Sammelschiene 6, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Querschnittsflächenform der Sammelschienen 6 eine Gestaltung dahingehend, dass die Sammelschienen 6 näher zueinander auf dem PCS 30 oder dem Batteriemodul 12 gepackt oder angeordnet sein können, umfassen. Zum Beispiel sind in 2 die Sammelschienen 6 so ausgestaltet, dass sie nicht-symmetrisch oder abgewinkelt sind, derart, dass der benötigte Freiraum zwischen einem zweiten Ende 64 einer ersten Sammelschiene 6 und dem ersten Ende 62 einer benachbarten zweiten Sammelschiene 6 minimiert ist. In einigen Gestaltungsformen sind die Sammelschienen 6 ausgestaltet, mit benachbarten Sammelschienen ineinandergeschachtelt zu werden. In einigen Ausführungsformen sind die Montagelöcher oder Aussparungen der Sammelschiene 6 in Bezug auf eine Mittellinie der Sammelschiene 6 bei Winkeln ungleich Null angeordnet.
Wie in 3 veranschaulicht und oben diskutiert, können TE-Module 32 mindestens eine Seite von ersten und zweiten TE-Vorrichtungen 16, die ausgestaltet sind, an einer oberen Oberfläche bzw. einer unteren Oberfläche einer Sammelschiene 6 angebracht zu werden, umfassen. In einigen Ausführungsformen ist nur eine der oberen und unteren Oberflächen der Sammelschiene 6 an einer TE-Vorrichtung 16 angebracht. Die TE-Vorrichtungen 16 können an die Sammelschienen 6 und/oder die Wärmeübertragungsvorrichtungen 26 über Klebemittel (zum Beispiel Epoxidklebemittel etc.) gebunden sein. In anderen Ausführungsformen können die TE-Vorrichtungen an die jeweilige Wärmeübertragungsvorrichtung oder Sammelschiene gelötet sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Übergangsschicht (zum Beispiel ein Schaum, ein Wärmeleitschmiermittel etc.) zwischen der TE-Vorrichtung 16 und Kühlrippen 28 und/oder Sammelschienen 6 vorhanden sein. Obere bzw. untere Kabel oder Drähte 48 können an der ersten bzw. zweiten TE-Vorrichtung 16 sowie an ersten bzw. zweiten elektrischen Konnektoren 50 angebracht sein oder mit diesen in elektrischer Verbindung stehen, um die oberen und unteren TE-Vorrichtungen 16 mit elektrischer Energie zu versorgen. In einigen Ausführungsformen kann das PCS integrierte Regler zur Versorgung mit elektrischer Energie über die elektrischen Konnektoren 50 umfassen, so dass die Drähte 48 einfach mit den elektrischen Konnektoren 50 verbunden oder in diese eingesteckt werden müssen. Elektrische Energie kann dann durch das Batteriemodul 12 oder eine externe Energiequelle, die elektrisch über den Anschluss 70 mit dem PCS verbunden ist, bereitgestellt werden. Wärmeübertragungsvorrichtungen 26, die Kühlrippen 28 umfassen, können an den zweiten Seiten der TE-Vorrichtungen 16 angebracht sein. Wie in 1 veranschaulicht, können diese Kühlrippen 28 oberhalb und unterhalb des PCS 30 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können TE-Vorrichtungen 16 direkt auf den Sammelschienen 6 hergestellt werden.
Wie in 4 veranschaulicht, kann das PCS 30 verschiedene Öffnungen, Löcher, Kanäle oder Aussparungen, die ausgestaltet sind, mit Montageelementen oder -löchern anderer Komponenten (zum Beispiel elektrischer Leiter 14, Sammelschienen 6 und/oder Anbringungsstrukturen 48 des Kanalsystems 10 etc.), wie oben diskutiert, ausgerichtet zu werden, umfassen. Die Aussparungen können auf dem PCS 30 derart bemessen und angeordnet sein, dass die elektrischen Leiter 14 (zum Beispiel positive und/oder negative Anschlüsse) Freiraum auf dem PCS haben, um an dem PCS befestigt zu werden.
Das PCS kann einen Anschluss 70, der zur Verbindung mit externen Energiequellen und/oder anderen Komponenten (zum Beispiel Sensoren oder Regelungssystemen) ausgestaltet ist, umfassen. Das PCS 30 kann einen oder mehrere elektrische Konnektoren 50, die ausgestaltet sind, mit Drähten 48 verbunden zu werden, um die TE-Vorrichtungen 16 mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen.
Ein oder mehrere Regelungsmanagementsysteme (zum Beispiel TMS 4, BMS 2, Luftgebläse 8-Regler, etc.) können in das PCS 30 integriert sein. Das PCS 30 kann ausgestaltet sein, ein ”Rückgrat” der Baugruppe 46 zur Installation oder Montage an einem Batteriemodul 12 zu sein.
In einigen Ausführungsformen kann, wie in 4 veranschaulicht, das PCS 30 Gestaltungsmerkmale umfassen, die ausgestaltet sind, Räume und/oder genügend Freiraum für verschiedene Komponenten, die auf dem PCS 30 integriert werden sollen, bereitzustellen. Zum Beispiel kann das PCS 30 Aussparungen 72 (zum Beispiel Einschnitte, Lücken), die ausgestaltet sind, Freiraum für Auslässe 74 des Kanalsystems 10, wie weiter unten beschrieben, bereitzustellen, umfassen. Andere Aussparungen 76 können in dem PCS 30 vorgesehen sein, um Freiraum für TE-Vorrichtungen 16, die an dem PCS 30 angebracht sind, zu schaffen. Solche Aussparungen 76 können derart ausgestaltet sein, dass sie zwischen elektrischen Leitern 14 liegen, so dass die TE-Vorrichtungen 16 zwischen elektrischen Leitern 14 angeordnet werden können. In einigen Ausführungsformen weisen diese Aussparungen einheitliche Querschnittsflächen auf. In anderen Ausführungsformen weisen diese Aussparungen uneinheitliche Querschnittsflächen auf, wie es in 4 veranschaulicht ist.
Wie in 5 veranschaulicht, können die Verbindungselemente 34 in einigen Ausführungsformen Kunststoffdruckstifte umfassen, um Kosten zu reduzieren und/oder für eine Zugentlastung oder eine verminderte Spannung auf dem PCS 30 zu sorgen. Die Verbindungselemente können Nieten oder Gewinde umfassen. In anderen Ausführungsformen können Druckbegrenzer (zum Beispiel Ringe) in den verschiedenen Montagelöchern oder Aussparungen angeordnet sein, um die Spannung oder den Druck auf dem PCS 30 zu vermindern.
Wie oben diskutiert, kann wenigstens ein Teil des BMS 2 auf dem PCS 30 integriert sein. In einigen Ausführungsformen ist das BMS 2 so ausgestaltet, dass es Zustände der elektrischen Vorrichtung oder des Batteriemoduls 12 (zum Beispiel Ladezustand, Entladezustand etc.) managt. Das BMS 2 kann andere Merkmale oder Funktionen umfassen, wie dem durchschnittlichen Fachmann verständlich ist. Ein TMS 4 kann auf demselben PCS 30 integriert oder mit diesem elektrisch verbunden sein, um eine Überwachung der Temperatur der elektrischen Vorrichtung oder von Lasten bereitzustellen und eine entsprechende Erwärmung oder Kühlung, wie benötigt, über die TE-Vorrichtung 16 bereitzustellen. Das integrierte TMS 4 kann verschiedene Merkmale, wie weiter unten beschrieben, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das TBTMS 1 ein Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10, das so ausgestaltet ist, dass es Luft über eine erste oder zweite Seite von jeder der TE-Vorrichtungen zieht und/oder treibt, umfassen. Das Gebläse- 8 und Kanalsystem 10 kann einen zentralen Kanal oder Hauptkanal 84, der so ausgestaltet ist, dass er sich zwischen zwei Reihen von Zellen 20 des Batteriemoduls 12 erstreckt, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Kanal 84 an einer unteren Oberfläche des PCS 30 angebracht sein. In anderen Ausführungsformen kann der Kanal 84 an einer oberen Oberfläche des PCS 30 angebracht sein. In einigen Ausführungsformen ist, wie in 7 veranschaulicht, der Kanal 84 so ausgestaltet, dass er sich in seiner Breite zwischen einem Ende 82 und einem zweiten Ende 80 verjüngt. In einigen Ausführungsformen ist ein Ende 82, das verglichen mit dem zweiten Ende 80 näher an dem Luftgebläse 8 angeordnet ist, breiter und verjüngt sich sukzessive in einer Richtung zu dem zweiten Ende 80 hin. In einigen Ausführungsformen können der Kanal 84 und andere Luftströmungskomponenten dahingehend optimiert oder bemessen sein, den Druckverlust über den TE-Modulen oder dem Kanal 84 zu vermindern und für eine gleichmäßige Luftverteilung oder einen gleichmäßigen Luftzug zu sorgen.
In einigen Ausführungsformen sind abhängig von der Anwendung mehrere Auslässe (oder Einlässe) 74 entlang des Zentralkanals 84 angeordnet und zweigen von diesem ab (zum Beispiel eine verteilerartige Gestaltungsform). In einigen Ausführungsformen können die Auslässe 74 Öffnungen 88, die in einer Richtung im Allgemeinen transversal zur Luftströmung, die in dem Zentralkanal 84 zu dem Luftgebläse hin oder von diesem weg gerichtet ist, orientiert sind, umfassen. Die Auslassöffnungen 88 können so ausgestaltet sein, dass sie an einem äußeren Umfang der Kühlrippen 28 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 26 angebracht sind und/oder diesen umgeben, derart, dass das TMS 4 einen Kanal 84, der mit mehreren TE-Modulen 32 verbunden ist, umfasst. Die Öffnungen 88 können so bemessen sein, dass sie eng um die Kühlrippen 28 von oberen und unteren TE-Vorrichtungen passen. Wärmeleitschmiermittel oder Schaum kann schichtförmig an den Öffnungen aufgebracht sein, um eine Dichtung zwischen den Auslässen 74 und den Kühlrippen 28 zu bilden. In einigen Ausführungsformen umfasst jedes der TE-Module 32 einen lokalisierten entsprechenden Auslass/Einlass 74. In anderen Ausführungsformen haben sämtliche der TE-Module einen einzigen kombinierten Auslass/Einlass 74.
In einigen Ausführungsformen kann das Luftgebläse 8 an dem Kanalsystem 10 angebracht oder mit diesem verbunden sein, um Luft unter den mehreren TE-Modulen 32 über die Auslässe 74 zu verteilen oder über diese zu treiben. In einigen Ausführungsformen kann das Luftgebläse 8 Luft über jedes der TE-Module 32 ziehen oder treiben. Integrierte Regler können eine Umschaltung, um Luft entweder über die Kühlrippen 28 zu treiben oder zu ziehen, bereitstellen. In einem Kühlmodus kann erwärmte Abluft zu dem Gebläse 8 gezogen werden und über den Auslass 86 des Luftgebläses 8 abgeführt oder ausströmen gelassen werden. In einigen Ausführungsformen kann die Abluft an die äußere Umgebung, das Äußere einer Einhausung, einer Hülle oder eines Gehäuses, worin das Batteriemodul 12 angeordnet ist, oder in eine andere Leitung (zum Beispiel ein System zur Abfuhr von Abwärme), die an dem Auslass 86 angeschlossen ist, um erwärmte Luft, wie benötigt, bereitzustellen (zum Beispiel zur Erwärmung von Sitzen und/oder einem Passagierabteil etc.), abgegeben werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Luft über jedes der TE-Module nur gezogen anstatt getrieben. Wenn die Luft durch den Lüfter oder das Luftgebläse 8 gezogen anstatt getrieben wird, muss die Luft nicht durch das Gebläse oder die Vorrichtung, der das Batteriemodul elektrische Energie bereitstellt, laufen, bevor sie die Wärmeaustauscher oder die Kühlrippen 28 des TE-Moduls erreicht. Die Luft wird stattdessen über die Kühlrippen 28 gezogen und an dem Auslass 86 abgeführt. Zum Beispiel wird die Luft nicht durch die Wärme von dem Motor des Gebläses 8 erwärmt, wenn die Luft gezogen wird. Im Zusammenhang mit einem Automobil wird die Luft, nicht durch das Abgassystem erwärmt, bevor sie über die Abgabeseite der TE-Module 32 geführt wird, wenn die Luft gezogen wird. In solch einer Ausführungsform ist der Einlass für die Luft bei den Wärmeaustauschern oder Kühlrippen 28 der TE-Module 32 (zum Beispiel Einlass 74) und der Auslass 86 für die Luft ist bei dem Gebläse 8. Wenn die Luft getrieben wird, ist der Einlass bei dem Auslass 86 des Gebläses 8 und der Auslass ist bei den Wärmeaustauschern oder Kühlrippen 28 des TE-Moduls 32 (zum Beispiel Auslass 74). In einigen Ausführungsformen wird, wenn die Luft getrieben wird und der Auslass bei den Wärmeaustauschern oder Kühlrippen 28 der TE-Module 32 ist, eine zusätzliche Leitung benötigt, um die Abwärme von den TE-Modulen 32, dem Batteriemodul 12 und/oder der Einhausung in der das Batteriemodul angeordnet ist, abzuführen. Wenn die Luft gezogen wird, kann die Luft aus dem Auslass 86 des Gebläses 8 abgeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann dies die Komplexität des Systems verringern, da die Luft ohne eine zusätzliche Leitung oder ein zusätzliches System zur Abfuhr von Wärme aus dem Auslass 86 abgeführt werden kann. In einigen Ausführungsformen ist die Lufttemperatur ein halbes Grad kälter, wenn über die Wärmeaustauscher oder Kühlrippen 28 des TE-Moduls 32 gezogen anstatt getrieben wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Luftgebläse- 8 und Kanalsystem 10 ein oder mehrere Befestigungsmittel 78 zum Befestigen des Systems an der elektrischen Vorrichtung unter Management (zum Beispiel einem Batteriemodul 12) umfassen. In einigen Ausführungsformen können Verbindungen und Regler zum Managen des Gebläses 8 auf dem PCS 30 integriert sein. In einigen Ausführungsformen kann, wie oben diskutiert, das TMS oder BMS des TBTMS 1 die Ausgangsleistung des Gebläses 8 regulieren, um den Systemwirkungsgrad zu optimieren (zum Beispiel Erhöhen und Senken des Luftflusses, der Leistung oder der Motorengeschwindigkeit des Gebläses 8 in Anpassung an die Kühlungs- oder Erwärmungsbedürfnisse des Batteriemoduls 12). In einigen Ausführungsformen können das TMS, das BMS und/oder das Gebläse derart verbunden sein, dass Daten oder Zustände, die durch das TMS und/oder das BMS überwacht werden, verwendet werden können, um die Ausgangsleistung des Gebläses zu regulieren, um den Systemwirkungsgrad zu optimieren. In einigen Ausführungsformen wird das Gebläse 8 durch einen Regler derart geregelt, dass ein thermischer Gradient, der durch Kühlung oder Erwärmung des Batteriemoduls 12 über die elektrischen Leiter erzeugt wird, den während des Ladens oder Entladens des Batteriemoduls 12 erzeugten thermischen Gradienten vermindert oder beseitigt.
Wie in 11 veranschaulicht, können die Verbindungselemente 52 Bolzen, Stifte, Nieten oder Schrauben zum Verbinden und Befestigen des PCS 30, der elektrischen Leiter 14 und der Sammelschiene 6 umfassen. In einigen Ausführungsformen werden Bolzen bereitgestellt, um eine elektrische Verbindung zwischen diesen Komponenten herzustellen. Die Verbindungselemente 52 können somit elektrisch und thermisch leitfähig sein. In einigen Ausführungsformen können diese Verbindungselemente 52 so ausgestaltet sein, dass sie den elektrischen Widerstand zwischen dem elektrischen Leiter 14 und der Sammelschiene 6 minimieren.
Ein oder mehrere oben diskutierte Merkmale oder Komponenten können in gewissen thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystemen nicht vorhanden (zum Beispiel das PCS 30, die TE-Vorrichtung 16) oder anders sein. In manchen Ausführungsformen können, wie in den 12 bis 14 veranschaulicht, ein oder mehrere Komponenten, wie etwa ein Kanalsystem 10, TE-Module 32 und Sammelschienen 6 direkt an Elektroden 14 eines Batteriemoduls 12 angebracht sein, ohne an ein PCS 30 angebracht zu sein. In einigen Ausführungsformen ist nur eine TE-Vorrichtung 16 oder ein TE-Modul 32 auf einer Sammelschiene 6 angeordnet. In einigen Ausführungsformen befestigen Verbindungselemente 52 die Sammelschienen 6 an den Elektroden 14. In einigen Ausführungsformen kann Luft, wie in 13 veranschaulicht, über die TE-Vorrichtungen 16 in das Kanalsystem 10 gezogen werden (dargestellt durch die Pfeile 66).
In einigen Ausführungsformen kann das TMS 4 einen Regler oder ein Regelungssystem, der/das ausgestaltet ist, die den thermoelektrischen Vorrichtungen 16 zugeführte elektrische Energie (zum Beispiel die Polarität der Spannung/des Stroms) derart anzupassen, dass thermische Energie über den elektrischen Leiter 14 zu dem temperaturempfindlichen Bereich der elektrischen Vorrichtung (zum Beispiel dem Batteriemodul 12) hin oder von diesem weg geführt wird, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der Regler oder das Regelungssystem das Maß an elektrischer Energie (zum Beispiel die Spannung und/oder den Strom etc.), das der thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt oder von dieser abgeführt wird, anpassen, um das gewünschte Maß an Erwärmung und Kühlung bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen ist die thermische Umschlagskapazität der thermoelektrischen Vorrichtung 16 so ausgelegt oder ausgestaltet, dass sie ausreicht, um die in einer Zelle oder einem Bereich einer elektrischen Vorrichtung (zum Beispiel eines Batteriemoduls 12) während des Betriebs erzeugte Wärme abzuführen. Der Regler oder das Regelungssystem (zum Beispiel eine elektronische Regelungseinheit etc.) regelt den Betrieb der thermoelektrischen Vorrichtung 16 in Antwort auf den thermischen Zustand der Zelle, deren aktuellen Betriebsmodus, die Eingänge von Signalen auf Packniveau, Eingangssignale von einem Sensor und/oder andere Eingangssignale, wie sie hierin beschrieben sind. Als ein Ergebnis kann die thermoelektrische Vorrichtung 16 die in einer Zelle erzeugte Wärme wegpumpen. In einigen Ausführungsformen kann die thermoelektrische Vorrichtung 16 Wärme wie benötigt zu der Zelle hin pumpen.
In einigen Ausführungsformen können, wie oben diskutiert, die thermoelektrische Vorrichtung 16 und/oder der Regler (zum Beispiel eine elektronische Regelungseinheit) vollständig oder teilweise durch genau die Zelle oder die elektrische Vorrichtung, deren thermischer Zustand gemanagt wird, mit elektrischer Energie versorgt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Versorgung mit elektrischer Energie durch andere Quellen, wie etwa eine externe Energieversorgung, wie oben im Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungsformen diskutiert, bereitgestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das thermoelektrische Managementsystem 4 ein oder mehrere Sensor(en) umfassen. Der oder die Sensor(en) kann/können in thermischer Verbindung mit der elektrischen Vorrichtung und in elektrischer Verbindung mit dem Regler stehen und jedes der oben beschriebenen Eingangssignale zur Überwachung durch den Regler oder das Regelungssystem bereitstellen. Eingänge oder Signale von anderen Sensoren (nicht gezeigt) können dem Regler oder Regelungssystem ebenfalls zur Überwachung als Teil eines Regelungsalgorithmus zur Bereitstellung ausreichender Erwärmung und/oder Kühlung, um einen thermischen Gradienten oder eine andere ungleichmäßige Temperaturverteilung zu vermindern, zu minimieren oder zu beseitigen, bereitgestellt werden.
Wie oben beschrieben, kann in einigen Ausführungsformen das TMS mit dem Rest der Elektronik, welche die Vorrichtung unter Thermomanagement unterstützt, integriert sein. Zum Beispiel ist, wenn eine solche Vorrichtung ein Batteriemodul ist, dieses typischerweise mit einem Batteriemanagementsystem oder BMS 2 ausgestattet, das so ausgestaltet ist, dass es die Funktionsfähigkeit der Batterie überwacht und/oder Regelungsfunktionen in Antwort auf interne und/oder externe Veränderungen ausübt. Die TMS-Funktionalität kann in das BMS integriert sein und kann ebenfalls auf demselben Leiterplattensubstrat angeordnet sein oder die gleichen Chipsätze, welche die BMS-Funktionen ausführen, verwenden.
In einigen Ausführungsformen ist das Batteriemodul 12, wie schematisch in dem Blockdiagramm der 15 veranschaulicht, in einem Gehäuse, einer Einhausung und/oder einer Hülle 68 versiegelt. In einigen Ausführungsformen ist das Batteriemodul 12 unversiegelt in einem Gehäuse, wie in 1 bis 14 veranschaulicht. In einigen Ausführungsformen sind, wenn das Batteriemodul 12 in einem Gehäuse 68 versiegelt ist, TE-Vorrichtungen 16 nur auf einer oberen Oberfläche der Sammelschiene 6 und nicht auf einer unteren Oberfläche angebracht.
In einigen Ausführungsformen umfasst, wenn das Batteriemodul 12 versiegelt ist, das TBTMS ein oder mehrere Fenster 70 oder Öffnungen in der Hülle, dem Gehäuse 68 oder der Einhausung des Batteriemoduls 12. TE-Vorrichtungen 16 sind nur auf bzw. an einer oberen Oberfläche der Sammelschienen 6 montiert oder angebracht und nicht an einer unteren Oberfläche. Mindestens ein Teil der TE-Vorrichtungen 16 (zum Beispiel ein oder mehrere Oberflächen, Seiten, Elemente und/oder Materialien) sind innerhalb der Fenster 70 angeordnet oder liegen an denselben an. Ein PCS 30, das innerhalb des Gehäuses 68 angeordnet ist, beinhaltet Aussparungen nur für die TE-Vorrichtungen 16 und nicht für Kanäle oder Auslässe. Wie oben beschrieben, ist in einigen Ausführungsformen die Sammelschiene 6 an einem elektrischen Leiter 14 (zum Beispiel einer Elektrode) des Batteriemoduls 12 und/oder dem PCS 30 angebracht. In einigen Ausführungsformen können die Abgabeoberflächen oder -seiten der TE-Vorrichtungen 16 in direktem thermischen Austausch (zum Beispiel Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche) oder indirektem thermischen Austausch mit Wärmeaustauschoberflächen (zum Beispiel Kühlrippen, Wärmesenke) eines Systems zum Abtransport oder zur Abfuhr von Abwärme 72, das jenseits der thermischen Fenster 70 und/oder des Gehäuses 68 angeordnet ist, stehen. In einigen Ausführungsformen ist das System zur Abfuhr von Abwärme 72 so ausgestaltet, dass es Abwärme von den thermoelektrischen Vorrichtungen abtransportiert oder die Wärme von der Abgabeseite der thermoelektrischen Vorrichtungen abführt. Wie oben diskutiert, können auch wärmeleitende Schmiermittel oder andere Zwischenmaterialien zwischen den Oberflächen der Komponenten und Systeme verwendet werden. Die thermischen Fenster 70 bieten einen Zugang zur Befestigung oder Anbringung des Systems zur Abfuhr von Abwärme 72 (zum Beispiel einer Kanal- und Gebläsebaugruppe) an den Abgabeseiten der TE-Vorrichtungen 16 in dem Gehäuse 68. In einigen Ausführungsformen umfassen die Fenster 70 ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, angebracht auf einer Seite an der Abgabeseite der thermoelektrischen Vorrichtung und angebracht auf der anderen Seite an ein System zur Abfuhr von Abwärme 72. In einigen Ausführungsformen umfasst das System zur Abfuhr von Abwärme 72 einen Fluidkreislauf oder eine Fluidleitung in thermischem Austausch mit einer Abgabeseite der TE-Vorrichtung 16 und einer Wärmesenke (zum Beispiel einem Kühler), wie weiter unten beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst das System zur Abfuhr von Abwärme 72 einen Flüssigkeitskreislauf oder eine Flüssigkeitsleitung in thermischem Austausch mit einer Abgabeseite der TE-Vorrichtung 16 und einer Wärmesenke (zum Beispiel einem Kühler), wie weiter unten beschrieben. Wie oben beschrieben, können die TE-Vorrichtungen 16 einzeln geregelt werden und/oder sich ein gemeinsames System zur Abfuhr von Abwärme 72 teilen. Jede TE-Vorrichtung 16 kann über ein entsprechendes Fenster 70 zugänglich sein, oder ein Fenster 70 kann so bemessen sein, dass es für das System zur Abfuhr von Abwärme 72 Zugang zu ein oder mehreren TE-Vorrichtungen 16 bietet. In einigen Ausführungsformen umfassen die TE-Vorrichtungen 16 jeweils individuelle Systeme zur Abfuhr von Abwärme 72.
In einigen Ausführungsformen kann ein Wärmerohr als ein Mechanismus zur Abfuhr oder zum Abtransport von Abwärme 72 bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann Abwärme von einer TE-Vorrichtung 16 in eine Wärmesenke abgeführt werden. Beispiele von Wärmesenken beinhalten Wärmeaustauscher (zum Beispiel Flüssigkeitswärmeaustauscher, Kühlrippen), Abströme, andere Strukturen zur Abfuhr von Wärme und Kombinationen von Strukturen. Eine Wärmesenke kann an der Abgabeseite oder Oberfläche von jeder TE-Vorrichtung 16 und/oder jedem System zur Abfuhr von Abwärme 72 angebracht sein. Die Wärmesenke kann durch Luft oder Flüssigkeit gekühlt werden, oder alternativ ein festes Bauteil sein, das die TE-Vorrichtung 16 mit einer größeren festen Wärmesenke, wie etwa einem Batteriegehäuse, einer Fahrzeugrahmen oder einem anderen strukturellen Element, das Wärme wirksam ableitet, verbindet. In praktischen Anwendungen, wie etwa zum Beispiel einem Batteriethermomanagementsystem, können jedoch Packungszwänge bestehen, welche die Möglichkeit, die Kühlmedien nahe an die Abgabeseite der TE-Vorrichtung zu bringen, einschränken. Alternativ kann eine Wärmeübertragungsvorrichtung oder eine thermische Übertragungsvorrichtung verwendet werden, um die Wärme von der Abgabeseite der TE-Vorrichtung zu einem anderen Ort, wo eine Wärmeabfuhr effektiv durchgeführt werden kann, zu schaffen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmeübertragungsvorrichtung verwendet werden, um die Abgabeseite oder -oberfläche der TE-Vorrichtung 16 mit einer Wärmesenke, wo die Wärme schließlich durch zum Beispiel Luft, Flüssigkeit oder einen Festkörper, abgeführt wird, zu verbinden, wie es in 15 veranschaulicht ist. Solch eine Wärmesenke kann zum Beispiel der Flüssigkeitskühlkreislauf des Automobils, ein Kühler, ein Hilfskühler (zum Beispiel für das Klimaanlagensystem) oder sekundärer Kühler (zum Beispiel ein Heizkörper), der verschieden von dem Hauptkühler ist, oder eine luftgekühlte Wärmesenke, die Umgebungsluft, ein Arbeitsfluid, ein Fluidreservoir oder ein fester Körper (zum Beispiel ein Batteriegehäuse oder ein Fahrzeugrahmen) sein.
In bestimmten Ausführungsformen sind ein oder mehrere Leitungen eines Systems zur Abfuhr von Abwärme selektiv strömungstechnisch durch ein oder mehrere Ventile an einen Motorkühlkreislauf oder einen Hilfskühler eines Fahrzeugs gekoppelt. In gewissen Ausführungsformen sind die ein oder mehreren Leitungen strömungstechnisch durch ein oder mehrere Ventile mit einem Wärmeaustauscher in thermischer Verbindung mit einer Fahrzeugbatterie oder einem Fahrzeugkraftstofftank gekoppelt.
Die Diskussion der verschiedenen Ausführungsformen folgte hierin im Allgemeinen den schematisch in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen. Es ist jedoch in Betracht zu ziehen, dass die speziellen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika jeglicher hierin diskutierter Ausführungsformen in jeder geeigneten Weise in ein oder mehreren gesonderten Ausführungsformen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind, kombiniert sein können. In vielen Fällen können Strukturen, die als zusammenhängend oder einheitlich beschrieben oder veranschaulicht sind, getrennt werden, während sie weiterhin die Funktion(en) der einheitlichen Struktur ausüben. In vielen Fällen können Strukturen, die als getrennt beschrieben oder veranschaulicht sind, verbunden oder kombiniert werden, während sie weiterhin die Funktion(en) der getrennten Strukturen ausüben.
Zahlreiche Ausführungsformen sind oben beschrieben worden. Obwohl die Erfindungen unter Bezugnahme auf diese spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurden, sind die Beschreibungen als Veranschaulichung gedacht und sollen nicht der Beschränkung dienen. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen mögen dem Fachmann in den Sinn kommen, ohne von dem Geist und Umfang der hierin beschriebenen Erfindungen abzuweichen.

Claims

Ein thermoelektrisches Batteriethermomanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es die Temperatur in einem temperaturempfindlichen Bereich einer Batteriezelle managt, wobei das System umfasst: einen Regler für das Batteriemanagement, der so ausgestaltet ist, dass er das Laden und Entladen einer Batteriezelle regelt; einen Regler für das thermoelektrische Management, der so ausgestaltet ist, dass er die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführte elektrische Energie regelt, wobei die thermoelektrische Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Anwendung elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabeoberfläche überträgt, wobei die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung an einer Sammelschiene angebracht ist, wobei die Sammelschiene in substantiellem thermischen Austausch mit einem elektrischen Leiter der Batteriezelle steht, wobei der elektrische Leiter so ausgestaltet ist, dass er elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt, und wobei der elektrische Leiter als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient; ein Batteriegehäuse, das die Batteriezelle einschließt; und ein Leiterplattensubstrat, das den Regler für das Batteriemanagement, den Regler für das thermoelektrische Management und eine Datenverbindung zwischen dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management umfasst, wobei das Leiterplattensubstrat innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist und einen Stromanschluss zur Versorgung der thermoelektrischen Vorrichtung mit elektrischer Energie umfasst.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß Anspruch 1, umfassend einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management steht und so ausgestaltet ist, dass er eine Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt, wobei eine erste Polarität des elektrischen Stroms in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird und wobei eine zweite Polarität entgegengesetzt zur ersten Polarität des elektrischen Stroms in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß Anspruch 1, wobei der Regler für das Batteriemanagement so ausgestaltet ist, dass er Regelungsfunktionen auf die Batteriezelle ausübt.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß Anspruch 1, umfassend einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß Anspruch 1, wobei das Leiterplattensubstrat einen Aussparungsbereich, der so ausgestaltet ist, dass er die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt, umfasst.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters steht.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Gebläse- und Kanalbaugruppe, die an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist und so ausgestaltet ist, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht, wobei die Gebläse- und Kanalbaugruppe einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management steht, derart, dass mindestens einer von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle gesteigert oder vermindert wird, umfasst.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sammelschiene ein oder mehrere Montagelöcher zum Anbringen der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter umfasst.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Batteriezelle in einem Gehäuse versiegelt ist, wobei das Gehäuse ein Fenster aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit, anliegend an der thermoelektrischen Vorrichtung, umfasst, das so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung bietet.
Das thermoelektrische Batteriethermomanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei thermoelektrische Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene angebracht sind.
Ein Verfahren zum Thermomanagement einer Batteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: das Regeln des Ladens und Entladens einer Batteriezelle unter Verwendung eines Reglers für das Batteriemanagement, der an einem Leiterplattensubstrat angebracht ist; das Regeln der elektrischen Energie, die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, unter Verwendung eines Reglers für das thermoelektrische Management, der an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist; und das Versorgen der thermoelektrischen Vorrichtung mit elektrischer Energie von einem Stromanschluss, der an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist; wobei die thermoelektrische Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Anwendung elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabeoberfläche überträgt; wobei die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung in physischem Kontakt mit einer Sammelschiene steht; wobei die Sammelschiene in thermischer und elektrischer Verbindung mit einer Elektrode der Batteriezelle ist; wobei die Elektrode so ausgestaltet ist, dass sie elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt und als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient; und wobei die Batteriezelle in der Lage ist, durch Einstellen einer Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung zugeführten elektrischen Stroms erwärmt oder gekühlt zu werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Regler für das thermoelektrische Management so ausgestaltet ist, dass er die Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt, wobei eine erste Polarität des elektrischen Stroms in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird, und wobei eine zweite Polarität entgegengesetzt zur ersten Polarität des elektrischen Stroms in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Regler für das Batteriemanagement so ausgestaltet ist, dass er das Laden und Entladen der Batteriezelle managt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, umfassend einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Leiterplattensubstrat einen Aussparungsbereich, der so ausgestaltet ist, dass er die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt, umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters steht.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, umfassend eine Gebläse- und Kanalbaugruppe, die an dem Leiterplattensubstrat angebracht ist und so ausgestaltet ist, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht, wobei die Gebläse- und Kanalbaugruppe einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management steht, derart, dass mindestens einer von dem Regler für das Batteriemanagement und dem Regler für das thermoelektrische Management ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle gesteigert oder vermindert wird, umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Sammelschiene ein oder mehrere Montagelöcher zum Anbringen der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Batteriezelle in einem Gehäuse versiegelt ist, wobei das Gehäuse ein Fenster umfasst, das an der thermoelektrischen Vorrichtung anliegt und so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung bietet.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei thermoelektrische Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene angebracht sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Batteriethermomanagementsystems, wobei das Verfahren umfasst: das Verbinden eines Leiterplattensubstrats mit einem Batteriemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es das Laden und Entladen einer Batteriezelle regelt, und mit einem thermoelektrischen Managementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es die elektrische Energie, die einer thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, regelt, wobei die thermoelektrische Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie bei Anwendung von elektrischer Energie auf die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abgabeoberfläche überträgt; das Anbringen der Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung an eine Sammelschiene; das Verbinden der Sammelschiene mit einem elektrischen Leiter, der in thermischer und elektrischer Verbindung mit der Batteriezelle ist, wobei der elektrische Leiter so ausgestaltet ist, dass er elektrische Energie zu der Batteriezelle hinführt oder von dieser abführt, derart, dass der elektrische Leiter als eine Leitung zum Leiten thermischer Energie zwischen einem temperaturempfindlichen Bereich der Batteriezelle und der thermoelektrischen Vorrichtung dient; und das Verbinden eines Stromanschlusses, der auf dem Leiterplattensubstrat angeordnet ist, mit der thermoelektrischen Vorrichtung, um die thermoelektrische Vorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, umfassend das Verbinden eines Reglers mit dem thermoelektrischen Managementsystem, wobei der Regler so ausgestaltet ist, dass er eine Polarität des der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Stroms regelt, wobei eine erste Polarität des elektrischen Stroms in einem Kühlmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird und wobei eine zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität des elektrischen Stroms in einem Erwärmungsmodus des Systembetriebs bereitgestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, umfassend das Verbinden eines Reglers mit dem Batteriemanagementsystem, welches so ausgestaltet ist, dass es Regelungsfunktionen auf die Batteriezelle ausübt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, umfassend das Anschließen eines Temperatursensors in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle und in elektrischer Verbindung mit dem Regler für das thermoelektrische Management.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, umfassend das Ausbilden einer Aussparung in dem Leiterplattensubstrat, welche so ausgestaltet ist, dass sie die thermoelektrische Vorrichtung aufnimmt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, umfassend das Verbinden der Sammelschiene mit dem elektrischen Leiter derart, dass eine Oberfläche der Sammelschiene in direktem physischen Kontakt mit einer Oberfläche des elektrischen Leiters steht.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, umfassend das Anbringen einer Gebläse- und Kanalbaugruppe an dem Leiterplattensubstrat, wobei die Gebläse- und Kanalbaugruppe so ausgestaltet ist, dass sie Luft über die Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung treibt oder zieht, wobei die Gebläse- und Kanalbaugruppe einen Regler, der in elektrischer Verbindung mit mindestens einem von dem Batteriemanagementsystem und dem thermoelektrischen Managementsystem steht, derart, dass mindestens eines von dem Batteriemanagementsystem und dem thermoelektrischen Managementsystem ausgestaltet ist, den Systemwirkungsgrad zu optimieren, derart, dass der Luftstrom von dem Gebläse in Anpassung an die Kühl- oder Erwärmungsbedürfnisse der Batteriezelle erhöht oder vermindert wird, umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, umfassend das Anbringen der Sammelschiene an dem Leiterplattensubstrat und dem elektrischen Leiter.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, umfassend das Versiegeln der Batteriezelle in einem Gehäuse, wobei das Gehäuse ein Fenster, das an der thermoelektrischen Vorrichtung anliegt und so ausgestaltet ist, dass es Zugang zu einem substantiellen thermischen Austausch zwischen einem Teil eines Systems zur Abfuhr von Abwärme, das jenseits des Fensters angeordnet ist, und der Abgabeoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung bietet, umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, umfassend das Anbringen thermoelektrischer Vorrichtungen sowohl an einer oberen als auch an einer unteren Oberfläche der Sammelschiene.