WO2008145455A1 - Energiespeichermodul sowie elektrogerät mit einem energiespeichermodul - Google Patents

Energiespeichermodul sowie elektrogerät mit einem energiespeichermodul Download PDF

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Definitions

  • the individual cells of such a battery pack can have significant temperature differences during operation, since the heat loss from the outer cells is relatively well dissipated, whereas in the middle of the battery pack usually forms a heat accumulation.
  • the thermal storage is done so far in the battery material itself and adjacent, usually made of plastic materials. In order to increase the thermal storage, materials with a larger heat capacity or materials that undergo a phase transformation in a certain temperature range are suitable.
  • the second material is embedded in a matrix of the first material.
  • the second material may preferably be arranged in a chamber formed by the first material or in a plurality of such chambers. If the second material is designed as a cooling medium, it can thus be advantageously prevented that dirt can penetrate into the interior of the battery pack and impair its electrical function.
  • the energy storage module can be favorably formed in a very lightweight and small embodiment, which particularly favors the application, especially in devices in which only little space for a battery pack is available, for example in hand tools.
  • a wall thickness of the first material is designed so that an increase in pressure in the usual operating pressure range is tolerable.
  • the plastic casing can thus mechanically withstand a pressure increase due to heating of the water.
  • Curve 18 shows the course of the usual plastic coating of the cells of a battery pack, and the curve 19 the course in a casing according to the proposed solution, wherein the casing has at least a first and a second material, and wherein the second material has a larger heat capacity has as the first material.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul, insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine, mit mindestens einer Zelle (10) zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung (11), wobei die mindestens eine Zelle (10) mit der Modul-Ummantelung (11) thermisch verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung (11) wenigstens ein erstes und ein zweites Material (12, 13) aufweist, wobei das zweite Material (13) eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste Material (12). Die Erfindung betrifft ferner ein Energiespeichermodul (15).

Description

Beschreibung
Titel
Energiespeichermodul sowie Elektrogerät mit einem Energiespeichermodul
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul sowie einem Elektrogerät mit einem Energiespeichermodul nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, dass moderne Handwerkzeugmaschinen, wie beispielsweise Handbohrmaschinen oder Akku-Schrauber, oftmals durch Akku-Packs bzw. durch Batteriepacks mit Strom versorgt werden, wobei die Akku-Packs aus mehreren Zellen bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind und beispielsweise durch eine Kunststoffummantelung zusammengehalten werden.
Beim Betrieb derartiger Akku-Packs entsteht sowohl während des Ladens als auch während des Entladens eine erhebliche Verlustwärme in den Zellen, was zu einer Erhöhung der Zellentemperatur und damit zu einer vorzeitigen Alterung der Zellen führt.
Darüber hinaus weist ein solcher Akku-Pack nach einem Entladevorgang aufgrund der dabei entstandenen Verlustwärme meist eine so hohe Temperatur auf, dass nicht sofort mit dem Laden begonnen werden kann. Vielmehr muss ein dafür vorgesehenes Ladegerät erst abwarten, bis die Temperatur des Akku-Packs wieder abgesunken ist, wodurch der Ladevorgang verzögert wird. Um einen höheren Ladestrom und folglich eine kurze Ladezeit des Batteriepacks zu erzielen, sollte eine starke Aufwärmung des Batteriepacks weitgehend vermieden werden.
Zudem können die einzelnen Zellen eines solchen Akku-Packs im Betrieb erhebliche Temperaturunterschiede aufweisen, da die Verlustwärme von den außen liegenden Zellen relativ gut abgeführt wird, wohingegen sich in der Mitte des Akku-Packs meist ein Wärmestau bildet. Die thermische Speicherung erfolgt bisher in dem Batteriematerial an sich und angrenzenden, meist aus Kunststoff gebildeten Materialien. Um die thermische Speicherung zu vergrößern, bieten sich Materialien mit einer größeren Wärmekapazität an oder Materialien, die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Phasenumwandlung erfahren.
Aus der Offen legungsschrift DE 103 38 654 A1 ist beispielsweise ein Batteriepack mit Mitteln zur Wärmeableitung offenbart, wobei die die Batteriezellen umgebende Wandung des Gehäuses so geformt ist, dass sie mindestens eine gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abgeschlossene Durchführung für ein wärmeableitendes Medium bildet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul, insbesondere einem Akku-Pack zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine, mit mindestens einer Zelle zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung, wobei die mindestens eine Zelle mit der Modul-Ummantelung thermisch verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung wenigstens ein erstes und ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Material eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste Material. Vorteilhafterweise wird mit der erfindungsgemäßen Lösung die Wärme des Akku-Packs während des Entladevorgangs stärker als bisher thermisch gespeichert und während des Ladevorgangs langsam an die Umgebung abgegeben, bevorzugt konvektiv, beispielsweise über einen Lüfter. Der Ladevorgang kann dadurch günstigerweise beschleunigt werden.
In einer besonders bevorzugten Variante ist das zweite Material in eine Matrix aus dem ersten Material eingebettet. Das zweite Material kann bevorzugt in einer durch das erste Material gebildeten Kammer oder in mehreren solchen Kammern angeordnet sein. Ist das zweite Material als Kühlmedium ausgebildet, kann somit günstigerweise verhindert werden, dass Schmutz in das Innere des Batteriepacks eindringen und dessen elektrische Funktion beeinträchtigen kann. Zudem kann das Energiespeichermodul günstigerweise in einer sehr leichtgewichtigen und kleinen Ausführungsform ausgebildet sein, was die Anwendung besonders in Vorrichtungen, in welchen nur wenig Bauraum für einen Akku-Pack zur Verfügung steht, beispielsweise in Handwerkzeugen, besonders begünstigt.
Vorzugsweise weisen das erste und das zweite Material eine vergleichbare Dichte auf, wobei die Ummantelung günstigerweise aus Kunststoff gebildet ist und wenigstens einen Hohlraum zur Aufnahme des zweiten Materials aufweist. Um die Lösung zu verbessern, wird vorgeschlagen, ein Medium, bevorzugt Wasser, in das erste Material einzubringen, wobei das Medium in etwa die gleiche Dichte wie das erste Material aufweist. Bevorzugt ist das erste Material aus einem Kunststoff gebildet, der üblicherweise eine Dichte von etwa 1000 kg/m3 aufweist. Das zweite Material ist bevorzugt aus einem Medium mit vergleichbarer Dichte, jedoch einer höheren Wärmekapazität, gebildet, besonders bevorzugt aus Wasser. Während Kunststoff eine übliche Wärmekapazität von etwa 2KJ/(kgK) aufweist, kann die spezifische Wärmekapazität von Wasser in etwa doppelt so groß sein, etwa 4,2 KJ/(KgK). Ist die Kunststoffummantelung als Hohlteil ausgebildet, kann der Hohlraum bevorzugt mit Wasser gefüllt sein, so dass bei etwa gleicher Dichte das Doppelte an Wärme aufgenommen werden kann, die von dem Akku, beispielsweise während des Entladevorgangs, zweckmäßigerweise abgegeben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Wandstärke des ersten Materials so ausgelegt, dass ein Druckanstieg im üblichen Betriebsdruckbereich tolerierbar ist. Vorteilhafterweise kann die Kunststoffummantelung somit einem durch Aufheizung des Wassers bedingten Druckanstieg mechanisch standhalten.
Um der Ausdehnung des aus Wasser gebildeten zweiten Materials entgegenzuwirken, können kleine Hohlräume mit Luft belassen werden. Bevorzugt ist in das Medium ein Frostschutzmittel einbringbar, um den negativen Folgen bei einer Temperaturabsenkung unterhalb von 00C entgegenzuwirken. Als Frostschutzmittel können beispielsweise Salze oder Glykole zugegeben werden.
Ein erfindungsgemäßes Elektrogerät weist wenigstens ein Energiespeichermodul mit mindestens einer Zelle zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung auf, wobei die mindestens eine Zelle mit der Modul-Ummantelung thermisch verbunden ist, die Ummantelung wenigstens ein erstes und ein zweites Material aufweist, und wobei das zweite Material eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste Material.
Günstigerweise wird mit der erfindungsgemäßen Lösung eine bevorzugte Wärmeabfuhr bei vermehrt auf dem Markt eingesetzten Hochleistungsakkus erzielt, die einer starken Erwärmung der Akkus entgegenwirkt. Es kann dadurch verhindert werden, dass eine kritische Temperatur von 600C erreicht bzw. deutlich überschritten wird, was günstigerweise einem schnellen Altern der Akkus entgegenwirkt. Die Lebensdauer der vorgeschlagenen Akkus kann somit verlängert werden gegenüber solchen Akkus, bei welchen nur eine langsame Wärmeabfuhr realisiert ist. Zudem können vorteilhafterweise Akkus mit der - A -
vorgeschlagenen Lösung mehr elektrische Leistung abgeben, solange die kritische Temperatur von 600C nicht erreicht wird.
Vorteilhafterweise kann das Energiespeichermodul als Zusatzpack auf dem Markt angeboten werden, um eine Leistungsanhebung bzw. Lebensdauerverlängerung des Akku- Packs zu bewirken. Durch derartige Hochleistungspacks können weitere Elektrowerkzeuge hoher Leistungsklassen, beispielsweise schwere Bohrhämmer, Winkelschleifer, Kettensägen und dgl., als Akku-Werkzeuge realisiert werden, was die bereits vorhandene Produktpalette günstigerweise erweitert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der
Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines
Energiespeichermoduls, wobei eine aus einem Kunststoffhohlkörper gebildete Ummantelung mit Wasser gefüllt ist; und
Fig. 2 einen in einem Diagramm dargestellten Verlauf einer Zellentemperatur bei einer Ummantelung aus Kunststoff im Vergleich zu einer Ummantelung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.
Ausführungsform der Erfindung
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 15 gezeigt, wobei das Energiespeichermodul 15 insbesondere als Akku-Pack zur Stromversorgung einer Handwerkzeugmaschine ausgebildet ist. Das als Akku-Pack ausgebildete Energiespeichermodul 15 umfasst insgesamt drei Zellen 10 zur Energiespeicherung, welche von einer Modul-Ummantelung 11 umgeben und mit dieser an einer Hauptwärmeableitfläche thermisch verbunden ist. Die Ummantelung 11 weist wenigstens ein erstes Material 12 und ein zweites Material 13 auf, wobei das zweite Material 13 eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste Material 12. Insbesondere ist das zweite Material 13 in eine Matrix aus dem ersten Material 12 eingebettet. Beispielsweise kann das zweite Material 13 in eine oder mehrere durch das erste Material 12 gebildeten Kammern 14 angeordnet sein.
Das erste und das zweite Material 12, 13 können jeweils eine vergleichbare Dichte aufweisen. Bevorzugt ist die Ummantelung 11 aus Kunststoff gebildet und weist wenigstens einen Hohlraum 14 zur Aufnahme des zweiten Materials 13 auf. Insbesondere kann der so gebildete Kunststoffhohlkörper als Strangprofile ausgeführt sein, die zumindest teilweise mit dem zweiten Material 13, bevorzugt Wasser, gefüllt sind. Nach dem Befüllen können die Endstücke wieder verklebt oder verschweißt werden. Eine Wandstärke des ersten Materials 12 ist so ausgelegt, dass ein Druckanstieg im üblichen Betriebsdruckbereich tolerierbar ist. In das als Wasser ausgebildete zweite Material 13 kann ein Frostschutzmittel eingebracht werden.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem in zwei Kurven ein Verlauf der Zellentemperatur bei einer Ummantelung aus Kunststoff im Vergleich zu einer Ummantelung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung gezeigt ist. Auf der Abszisse 16 ist ein Wert der Entladung in % angegeben ist, und auf der Ordinate 17 die Zellentemperatur in 0C. Die Kurven 18 und 19 zeigen den Verlauf einer Zellentemperatur bei Entladung mit Maximalstrom, wobei die
Kurve 18 den Verlauf bei der üblichen Kunststoffummantelung der Zellen eines Akku-Packs anzeigt, und die Kurve 19 den Verlauf bei einer Ummantelung gemäß der vorgeschlagenen Lösung, wobei die Ummantelung wenigstens ein erstes und ein zweites Material aufweist, und wobei das zweite Material eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste Material.
Bei einer niedrigen Zellentemperatur von etwa 200C beträgt die Entladung jeweils etwa 10%. Je höher die Zellentemperatur ist, umso stärker divergieren die zwei Kurven 18, 19. Aus dem Diagramm ist erkennbar, dass die Endtemperatur bei der erfindungsgemäßen Lösung um einen Wert zwischen 100C und 15°C, bevorzugt etwa 12,5°C, verringert werden kann. Dadurch wird eine starke Aufwärmung des Akku-Packs vermieden, was günstigerweise die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Akku-Packs verlängert und die Ladezeit verringert.

Claims

Ansprüche
1. Energiespeichermodul, insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung einer
Handwerkzeugmaschine, mit mindestens einer Zelle (10) zur Energiespeicherung sowie einer Modul-Ummantelung (1 1 ), wobei die mindestens eine Zelle (10) mit der Modul-Ummantelung (1 1 ) thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (11 ) wenigstens ein erstes und ein zweites Material (12, 13) aufweist, wobei das zweite Material (13) eine größere Wärmekapazität aufweist als das erste
Material (12).
2. Energiespeichermodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (13) in eine Matrix aus dem ersten Material (12) eingebettet ist.
3. Energiespeichermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (13) in eine oder mehrere durch das erste Material (12) gebildeten Kammern (14) angeordnet ist.
4. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material (12, 13) eine vergleichbare Dichte aufweisen.
5. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (11 ) aus Kunststoff gebildet ist und wenigstens einen Hohlraum (14) zur Aufnahme des zweiten Materials aufweist.
6. Energiespeichermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (14) der Ummantelung (11 ) zumindest teilweise mit dem zweiten Material (13) gefüllt ist.
7. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke des ersten Materials (12) so ausgelegt ist, dass ein Druckanstieg im üblichen Betriebsdruckbereich tolerierbar ist.
8. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Material (13) Wasser vorgesehen ist.
9. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das zweite Material (13) ein Frostschutzmittel einbringbar ist.
10. Elektrogerät mit mindestens einem Energiespeichermodul (15) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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