WO2019238721A1 - Gehäuse zum aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen bauelements sowie fahrzeugbatterie und verteilerkasten - Google Patents

Gehäuse zum aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen bauelements sowie fahrzeugbatterie und verteilerkasten Download PDF

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Ramesh Natarajan
Jesko Thomass
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Housing for accommodating an electrical component to be thermally conditioned as well as vehicle battery and distribution box
  • the present invention relates to a housing for receiving a thermal
  • conditioning electrical component for example a battery cell
  • battery modules are used, for example, to build a
  • Each battery module typically has one or more battery cells that are electrically connected to one another for providing electrical energy.
  • To build a battery or a battery system are common
  • Battery cells are combined in battery modules and the battery system is then built up from one or more battery modules.
  • a battery or a battery system can also comprise a housing housing the battery modules and the necessary electrical circuits and a battery management system.
  • Battery cells in the battery modules are tempered.
  • Battery module can be arranged.
  • Such tempering plates are usually heated or cooled by a conditioned tempering medium.
  • DE 24 2014 015 742 A1 shows a battery module of the generic type in which a cell block formed from individual cells connected in parallel with one another is arranged on a temperature control device, the temperature control device comprising at least one Peltier element and one
  • the Peltier element is in direct, face-to-face contact with one
  • a housing for accommodating an electrical component to be thermally conditioned preferably for accommodating a battery cell and / or a battery module, comprising a double-walled housing section to which the electrical component to be thermally conditioned is thermally connected.
  • a Peltier element is accommodated in the double-walled housing section.
  • a housing By providing the Peltier element in the double-walled housing section, a housing can be provided that has both very good mechanical properties and also enables the electrical components accommodated in the housing to be thermally conditioned.
  • the Peltier element acts as a kind of transmission mechanism for exchanging the heat of the interior of the housing with the surroundings.
  • An inner housing for receiving the electrical component and an outer housing housing the inner housing can be provided in the double-walled housing section, a wall of the inner housing and a wall of the outer housing being spaced apart from one another such that a gap is formed between the wall of the inner housing and the wall of the outer housing , wherein the Peltier element is arranged in the gap and the Peltier element is thermally bonded to the wall of the inner housing on a first side and thermally bonded to the wall of the outer housing on a second side opposite the first side.
  • the gap which is preferably essentially filled with air, acts as an insulator between the inner housing and the outer housing.
  • the Peltier element also provides a thermal insulation effect, particularly when it is not in use. As a result, temperature influences from the environment on the inner housing and thus further on the at least one electrical component accommodated in the inner housing can be greatly reduced or even avoided entirely. Furthermore, due to the thermal connections of the inner housing and outer housing via the Peltier element, when the inner housing is tempered by the Peltier element, for example cooling or heating the inner housing, it is possible to correspondingly dissipate heat from the Peltier element to the outer housing and vice versa, depending on whether the inner housing is to be cooled or heated. Accordingly, good thermal insulation of the electrical component and at the same time efficient temperature control of the
  • the double wall of the housing provided from the inner housing and the outer housing, which provides the double-walled housing section, and the at least one Peltier element arranged therebetween means that, depending on the power and polarity of the Peltier element, a continuously switchable heat transfer from the housing or into the housing.
  • the Peltier element has a significantly lower inertia than, for example, a tempering plate through which a tempering fluid flows. From this point of view, too, the Peltier element can be used to achieve an efficient and rapid adjustment or even a complete compensation of temperature gradients inside the housing.
  • the insulation effect of the housing can be actively controlled by the Peltier element.
  • a thermally insulating spacer element for connecting the inner housing and the outer housing between the wall of the
  • Inner housing and the wall of the outer housing may be arranged, which
  • Spacer element has a material with low thermal conductivity.
  • At least two Peltier elements can also be provided in the double-walled housing section, wherein preferably at least one Peltier element can each be assigned to an electrical component. So temperature fluctuations and / or
  • the temperature of individual electrical components in particular battery cells, can also be homogenized particularly precisely. It is therefore possible to specifically control or regulate the temperature control effect of individual Peltier elements on individual electrical components or battery cells.
  • the electrical component to be thermally conditioned can be thermally connected to an inside of the double-walled housing section and to an outside of the double-walled
  • a tempering element for tempering the double-walled housing section can be arranged, and / or on an outside of the double-walled
  • a housing section can be provided with a structure for enlarging the outer surface, and / or a convection flow of a fluid, preferably air, can be provided on the outside of the double-walled housing section, the outside of the double-walled housing section being heatable by means of the convection flow.
  • a fluid preferably air
  • a control unit can be provided which is set up to control a current and a polarity of the current through the Peltier element. This makes it possible to switch the Peltier element on or as required off. Furthermore, the Peltier element can be used for cooling the electrical component, in particular the battery cells, or, by reversing the current direction, for heating the electrical component.
  • At least one temperature sensor for detecting a temperature of an electrical component preferably a battery cell and / or a battery module, is provided at a predetermined location of the electrical component, the temperature sensor being able to be connected to the control unit, the temperature of the electrical component can be detected and the temperature control effect of the Peltier element can be specifically adapted to the need determined by the temperature measurement.
  • the control unit can be configured to receive values of at least one temperature sensor and to carry out the control / regulation of at least one Peltier element based on the received values.
  • control unit can be set up to control the current and the polarity of the current through the Peltier element in such a way that the wall of the inner housing, which is in thermally conductive contact with the Peltier element, and thereby the electrical component, are optional can be cooled or heated.
  • control / regulating unit can be set up to control / regulate at least two Peltier elements individually, wherein the individual control / regulation enables temperature differences in the electrical component to be temperature-controlled and / or between individual electrical components to be temperature-controlled or adjusted are even compensable. This enables a particularly accurate temperature control and a particularly homogeneous temperature distribution in the components inside the inner housing to be achieved. This can increase the lifespan of the battery cells and thus the
  • the Peltier element and / or the control unit can be controlled by the
  • Battery cell and / or the battery module can be supplied with current.
  • a self-contained system for temperature control of the electrical components arranged in the housing can thus be provided, which does not require any additional energy source from the outside.
  • the above object is further achieved by a vehicle battery comprising a housing according to one of the preceding embodiments and at least one battery cell and / or a battery module.
  • an electrical distribution box comprising a housing according to one of the preceding embodiments and an electrical distributor.
  • Figure 1 schematically shows a detailed view of a vehicle battery comprising a housing according to a first embodiment
  • Figure 2 schematically shows a vehicle battery with a housing according to another
  • FIG. 1 schematically shows a detailed view of a vehicle battery 9 comprising a housing 1 according to a first embodiment.
  • a plurality of battery modules 90 each composed of a plurality of battery cells 92, are accommodated in the housing 1.
  • Two battery modules 90 are shown by way of example in FIG.
  • the housing 1 has an inner housing 3 and an outer housing 4, the outer housing 4 housing the inner housing 3.
  • the inner housing 3 and the outer housing 4 form a double-walled housing section 2, which in the exemplary embodiment shown on a Bottom 22 of the housing 1 is provided, but may also include other areas of the housing 1.
  • the entire housing 1 can also be double-walled.
  • the outer housing 4 is arranged outside the inner housing 3 around the latter in relation to an interior of the housing 1.
  • a wall 30 of the inner housing 3 and a wall 40 of the outer housing 4 are spaced apart from one another, so that there is a gap 24 between the wall 30 of the inner housing 3 and the wall 40 of the outer housing 4.
  • the gap 24 is accordingly in the double-walled
  • the inner housing 3 is provided for receiving the battery modules 90, the
  • Battery modules 90 are thermally connected to the inside of the wall 30 of the inner housing 3. In other words, the battery modules 90 are thermally connected to the double-walled housing section 2 of the housing 1.
  • a plurality of Peltier elements 5 are arranged in the gap 24, each of the Peltier elements 5 being thermally connected to the wall 30 of the inner housing 3 with a first side and thermally to the wall 40 of the outer housing 4 with a second side opposite the first side is connected.
  • the Peltier elements 5 are in the
  • double-walled housing section 2 of the housing 1 is arranged.
  • an optional heat-conducting paste or another heat-conducting material can be provided between them.
  • the Peltier elements 5 can also be pressed in between the walls 30, 40, so that a mechanically direct thermal contact between the Peltier elements 5 and the two walls 30, 40 of the double-walled housing section 2 is produced.
  • An underside 22 of the housing 1 is shown as an example in the detailed view from FIG.
  • the gap 24 is essentially filled with air, so that a relatively good thermal insulation is provided between the inner housing 3 and the outer housing 4 on the double-walled housing section 2.
  • the gap 24 can also be filled with a thermally insulating material or a vacuum is present in the gap 24 in order to provide particularly good thermal insulation of the housing 1.
  • a plurality of spaced apart and thermally insulating spacing elements 6 for connecting the inner housing 3 to the outer housing 4 are arranged in the gap 24 between the wall 30 of the inner housing 3 and the wall 40 of the outer housing 4, the spacing elements 6 being a material with low thermal conductivity, for example, a plastic, in particular a polymer foam or an elastomer, preferably rubber.
  • the spacing elements 6 can also have other materials, such as glass or ceramic.
  • a Peltier element 5 is assigned to a battery module 90.
  • the Peltier element 5 assigned to the respective battery module 90 is arranged in the gap 24 at the position of the respective battery module 90, the
  • the battery module 90 and the Peltier element 5 are spatially separated by the wall 30 of the inner housing 3, but are thermally conductively connected to one another.
  • the Peltier elements 5 can be used for temperature control of the battery cells 92 of the battery modules 90.
  • the Peltier elements 5 can be used to preheat the battery cells 92 to bring them to an operating temperature of, for example, approximately 5 ° -25 ° C, preferably 24 ° -20 ° C, particularly preferably 24 ° C, 15 ° C or 20 ° C, in particular so that an electrolyte in the battery cells 92 does not freeze at low temperatures - for example in winter.
  • the Peltier elements 5 are connected to a control unit (not shown), which controls / regulates both the current strength and the current direction / polarity of the current supplied to the Peltier elements 5 and in this way the cooling or heating output of the Peltier Controls elements 5 with respect to the battery modules 90.
  • a control unit not shown
  • Each Peltier element 5 can preferably be controlled individually, so that the electrical component 90, 92 assigned to this Peltier element 5 can be individually thermally conditioned.
  • a plurality of temperature sensors (not shown) for detecting the temperature of a battery cell 92 or one can be used
  • Battery module 90 may be provided at predetermined locations of battery module 90, the temperature sensors being connected to the control unit so that the latter individually control / regulate the current through Peltier elements 5 on the basis of the values received by the temperature sensors can.
  • the battery modules 90 are cooled, for example, via the Peltier elements 5.
  • the Peltier elements 5 are controlled in such a way that the side lying against the inner housing 3 is cooled and heat is correspondingly dissipated to the outer housing 4 via the other side. As a result, heat is removed from the battery modules 90 at the positions of the Peltier elements 5 via the wall 30 of the inner housing 3.
  • a convection current made of air or alternatively another fluid, indicated by the reference numeral 7, can optionally be guided along the outside of the wall 40 of the outer housing 4 in order to additionally temper the outside of the wall 40 and to reinforce the temperature control effect of the Peltier elements 5 again.
  • FIG. 2 schematically shows a vehicle battery 9 with a housing 1 according to a further preferred embodiment.
  • the vehicle battery 9 is essentially configured like the vehicle battery described in relation to FIG. 1.
  • the battery modules 90 are also thermally connected to the wall 30 of the inner housing 3 on their upper sides.
  • the battery modules 90 are also assigned Peltier elements 5 arranged above in the gap 24 of the double-walled housing section 2, so that the battery modules 90 can be temperature-controlled from both sides via the Peltier elements 5.
  • the temperature distribution within the battery modules 90 can thereby be further homogenized.
  • spacing elements 6 are only provided laterally in the gap 24. Alternatively or additionally, the spacing elements 6 can, however, also be provided at the bottom and / or at the top of the housing 1, as shown in FIG.
  • top “top” 20, “bottom”, “bottom” 22 and “laterally” are to be understood in the present case to mean an installation position of the housing 1 relative to the acceleration due to gravity.
  • the outer housing 4 On the top 20 of the housing 1 is the outer housing 4 with an optional
  • Temperature control element 8 thermally coupled, which by means of a
  • Temperature control element 8 flowing fluid is tempered.
  • the temperature control element 8 represents a structural alternative to the optional convection current 7, which in turn is correspondingly provided here on the underside of the housing 1.
  • At least one Peltier element 5 can also be provided laterally in the gap 24.
  • the gap 24 has a different thickness on the upper side 20 and the lower side 22 of the housing 1 than on the side.
  • the gap 24 can also have a constant width or thickness in relation to all spatial directions or a different width or thickness in all spatial directions.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse (1) zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelements, bevorzugt zum Aufnehmen einer Batteriezelle (92) und/oder eines Batteriemoduls (90), umfassend einen doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2), an den das thermisch zu konditionierende elektrische Bauelement thermisch angebunden ist, wobei in dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2) ein Peltier-Element (5) aufgenommen ist.

Description

Gehäuse zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelements sowie Fahrzeug batterie und Verteilerkasten
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse zum Aufnehmen eines thermisch zu
konditionierenden elektrischen Bauelements, beispielsweise einer Batteriezelle, eines
Batteriemoduls, eines elektrischen Verteilers oder einer Fahrzeugbatterie. Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Batteriemodule beispielsweise zum Aufbau eines
Antriebsbatteriesystems für Fahrzeuganwendungen bekannt. Jedes Batteriemodul weist typischer Weise eine oder mehrere elektrisch miteinander verbundene Batteriezellen zum Bereitstellen von elektrischer Energie auf. Zum Aufbau einer Batterie beziehungsweise eines Batteriesystems werden üblicher Weise
Batteriezellen in Batteriemodulen zusammengefasst und das Batteriesystem wird dann aus einem oder mehreren Batteriemodulen aufgebaut. Eine Batterie oder ein Batteriesystem kann neben dem einen oder den mehreren Batteriemodulen auch ein die Batteriemodule einhausendes Gehäuse sowie die notwendigen elektrischen Verschaltungen sowie ein Batteriemanagementsystem umfassen.
Die Leistung und die entnehmbare Kapazität einer Batteriezelle sind in hohem Maße
temperaturabhängig, denn Transportprozesse und elektrochemische Reaktionen laufen nur bei ausreichend hohen Temperaturen schnell genug ab, um hohe Ströme bei niedrigem
Spannungsverlust zu gewährleisten. Andererseits laufen auch Alterungsmechanismen bei hohen Temperaturen schneller ab, was die zulässige Temperatur nach oben hin begrenzt. Temperaturen höher als etwa 80° C werden aus Sicherheitsgründen in Batterien meist vermieden. Batterien in Kraftfahrzeugen sind aufgrund der Schwankungen der Außentemperaturen über das Jahr hinweg oder beim Betrieb in unterschiedlichen Klimazonen sowie aufgrund der stark schwankenden Leistungsabgabe bei der Nutzung permanent Temperaturschwankungen unterworfen. Beispielsweise kann im Winter die Umgebungstemperatur im Celsius- Minusgradbereich liegen, im Sommer kann hingegen eine relativ hohe Umgebungstemperatur erreicht werden.
Weiterhin kann bei hohen Leistungsanforderungen durch den Antrieb und durch weitere
Verbraucher die Temperatur der Batterie kurzfristig stark ansteigen. Batteriezellen erhitzen sich nämlich während des Betriebs aufgrund von Verlustwärme, insbesondere infolge von ohmschen Verlusten innerhalb der Batteriezellen, was zu einer Leistungsminderung oder gar zu Schäden an den Batteriezellen oder der gesamten Batterie führen kann.
Um die vorgenannten Nachteile zu überwinden, sind Batterien bekannt, bei welchen die
Batteriezellen in den Batteriemodulen temperiert werden.
Dies kann durch eine thermische Anbindung der Batteriezellen an eine thermisch konditionierbare Temperierungsplatte auf einer Seite der Batteriezellen im Inneren des Batteriegehäuses realisiert werden, wobei die Temperierungsplatte beispielsweise an dem jeweiligen Boden eines
Batteriemoduls angeordnet sein kann. Derartige Temperierungsplatten werden in der Regel durch ein konditioniertes Temperierungsmedium erwärmt oder gekühlt.
Bei von einem Temperierungsmedium durchströmten Temperierungsplatten besteht die Gefahr, dass Undichtigkeiten auftreten, welche zu Schäden an der Batterie führen können oder die Umgebung verschmutzen können.
Die DE 24 2014 015 742 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Batteriemodul, bei welchem ein aus parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gebildeter Zellblock an einer Temperiervorrichtung angeordnet ist, wobei die Temperiervorrichtung zumindest ein Peltier-Element und eine
Temperierplatte aufweist. Das Peltier-Element steht in direktem flächigem Kontakt mit einer
Seitenfläche des Zellblocks, so dass der Zellblock von dieser Seite aus durch das Peltier-Element temperiert werden kann. Auf der Rückseite des Peltier-Elements steht das Peltier-Element in direktem flächigen Kontakt mit der Temperierungsplatte, mittels welcher die Rückseite des Peltier- Elements temperierbar ist. Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gehäuse zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelements, insbesondere einer Batterie oder eines elektrischen Verteilers, bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch ein Gehäuse zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Entsprechend wird ein Gehäuse zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelements, bevorzugt zum Aufnehmen einer Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls, vorgeschlagen, umfassend einen doppelwandigen Gehäuseabschnitt, an den das thermisch zu konditionierende elektrische Bauelement thermisch angebunden ist. Erfindungsgemäß ist in dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt ein Peltier-Element aufgenommen.
Durch das Bereitstellen des Peltier-Elements in dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt kann ein Gehäuse bereitgestellt werden, das sowohl sehr gute mechanische Eigenschaften aufweist, als auch eine thermische Konditionierbarkeit der in dem Gehäuse aufgenommenen elektrischen Bauteile ermöglicht.
Durch den doppelwandigen Aufbau des Gehäuseabschnitts kann weiterhin eine gute thermische Isolierung des Innenraums des Gehäuses gegenüber der Umgebung erreicht werden, so dass auf diese Weise die in dem Gehäuse aufgenommenen thermisch zu konditionierenden elektrischen Bauelemente bis zu einem gewissen Grad von den Umgebungsbedingungen entkoppelt sind. Das Peltier-Element wirkt dabei quasi als Übertragungsmechanismus zum Austausch der Wärme des Gehäuseinnenraums mit der Umgebung.
In dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt kann ein Innengehäuse zum Aufnehmen des elektrischen Bauelements und ein das Innengehäuse einhausendes Außengehäuse vorgesehen sein, wobei eine Wandung des Innengehäuses und eine Wandung des Außengehäuses so voneinander beabstandet sind, dass ein Spalt zwischen der Wandung des Innengehäuses und der Wandung des Außengehäuses ausgebildet ist, wobei das Peltier-Element in dem Spalt angeordnet ist und das Peltier-Element an einer ersten Seite an die Wandung des Innengehäuses thermisch angebunden ist und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an die Wandung des Außengehäuses thermisch angebunden ist. Dadurch, kann eine thermische Isolierung des Innengehäuses gegenüber der Umgebung bereitgestellt werden, da der Spalt, welcher bevorzugt im Wesentlichen mit Luft gefüllt ist, als Isolator zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse wirkt.
Zudem stellt auch das Peltier-Element, insbesondere wenn es nicht in Benutzung ist, eine thermische Isolationswirkung bereit. Dadurch können Temperatureinflüsse aus der Umgebung auf das Innengehäuse und somit weiter auf das im Innengehäuse aufgenommene mindestens eine elektrische Bauelement stark verringert oder gar gänzlich vermieden werden. Ferner ist es aufgrund der thermischen Anbindungen von Innengehäuse und Außengehäuse über das Peltier-Element möglich, bei einer Temperierung des Innengehäuses durch das Peltier-Element, beispielsweise einem Kühlen oder einem Erwärmen des Innengehäuses, entsprechend Wärme von dem Peltier- Element an das Außengehäuse abzuführen und umgekehrt, je nachdem, ob ein Kühlen oder ein Erwärmen des Innengehäuses erfolgen soll. Entsprechend kann dadurch eine gute thermische Isolation des elektrischen Bauelements und gleichzeitig eine effiziente Temperierung des
Bauelements erzielt werden. Zudem ist durch die aus dem Innengehäuse und dem Außengehäuse bereitgestellte doppelte Wandung des Gehäuses, die den doppelwandigen Gehäuseabschnitt bereit stellt, und dem dazwischen angeordneten mindestens einen Peltier-Element je nach Leistung und Polung des Peltier-Elements ein stufenlos schaltbarer Wärmeübertrag aus dem Gehäuse heraus oder in das Gehäuse hinein ermöglicht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das Peltier-Element eine deutlich geringere Trägheit aufweist, als beispielsweise eine mit einem Temperierungsfluid durchflossene Temperierungsplatte. Auch aus diesem Gesichtspunkt heraus kann durch das Peltier-Element eine effiziente und schnelle Angleichung oder gar ein völliger Ausgleich von Temperaturgradienten in Inneren des Gehäuses erreicht werden. Ferner kann die Isolierungswirkung des Gehäuses durch das Peltier-Element aktiv gesteuert werden. Damit kann auf zusätzliche Temperierungsvorrichtungen, wie etwa einen externen Kühlkreislauf, und insbesondere auf ein Temperierungsfluid, verzichtet werden, so dass die Gefahr von durch das Fluid entstehenden Schäden oder Verschmutzungen vermieden oder verringert werden kann. Um den strukturellen Aufbau des Gehäuses zu verstärken und zugleich eine weiterhin hohe thermische Isolierung zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse zu ermöglichen, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein thermisch isolierendes Beabstandungselement zum Verbinden des Innengehäuses und des Außengehäuses zwischen der Wandung des
Innengehäuses und der Wandung des Außengehäuses angeordnet sein, wobei das
Beabstandungselement ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
In dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt können auch mindestens zwei Peltier-Elemente vorgesehen sein, wobei bevorzugt je mindestens ein Peltier-Element je einem elektrischen Bauelement zugeordnet sein kann. So können Temperaturschwankungen und/oder
Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen im Gehäuse aufgenommenen elektrischen Bauelementen, insbesondere zwischen einzelnen Batteriezellen und/oder Batteriemodulen, ausgeglichen werden, besonders, wenn die einzelnen Peltier-Elemente individuell ansteuerbar sind und mithin unterschiedlich stark temperieren können, so dass die einzelnen Bauelemente, Batteriezellen und/oder Batteriemodule anwendungsfallspezifisch separat und unterschiedlich temperiert werden können.
Wenn eine Mehrzahl von Peltier-Elementen vorgesehen ist, kann zudem eine Homogenisierung der Temperatur einzelner elektrischer Bauelemente, insbesondere Batteriezellen, besonders genau erfolgen. Mithin ist es somit möglich, die Temperierungswirkung einzelner Peltier-Elemente auf einzelne elektrische Bauelemente bzw. Batteriezellen gezielt lokal zu steuern oder zu regeln. Um das Temperierungsvermögen des Gehäuses nochmals zu verstärken, kann das thermisch zu konditionierende elektrische Bauelement thermisch an einer Innenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts angebunden sein und an einer Außenseite des doppelwandigen
Gehäuseabschnitts kann ein Temperierungselement zum Temperieren des doppelwandigen Gehäuseabschnitts angeordnet sein, und/oder an einer Außenseite des doppelwandigen
Gehäuseabschnitts kann eine Struktur zur Vergrößerung der Außenfläche vorgesehen sein, und/oder an der Außenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts kann ein Konvektionsstrom eines Fluides, bevorzugt Luft, bereitgestellt sein, wobei die Außenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts mittels des Konvektionsstroms temperierbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Steuer-/Regeleinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, einen Strom und eine Polung des Stroms durch das Peltier-Element zu steuern/regeln. Dadurch ist es möglich, das Peltier-Element je nach Bedarf zuzuschalten oder abzuschalten. Weiterhin kann das Peltier-Element zum Kühlen des elektrischen Bauelements, insbesondere der Batteriezellen, oder, durch Umkehr der Stromrichtung, zum Heizen des elektrischen Bauelements verwendet werden.
Wenn optional mindestens ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur eines elektrischen Bauelements, bevorzugt einer Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls, an einer vorgegebenen Stelle des elektrischen Bauelements vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor mit der Steuer-/Regeleinheit in Verbindung stehen kann, kann die Temperatur des elektrischen Bauelements erfasst werden und die Temperierungswirkung des Peltier-Elements kann gezielt an den durch die Temperaturmessung ermittelten Bedarf angepasst werden. Die Steuer-/Regeleinheit kann dazu eingerichtet sein, Werte mindestens eines Temperatursensors zu empfangen und das Steuern/Regeln mindestens eines Peltier-Elements basierend auf den empfangenen Werten auszuführen.
Ferner kann die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet sein, den Strom und die Polung des Stroms durch das Peltier-Element hindurch derart zu steuern/regeln, dass die mit dem Peltier-Element in wärmeleitendem Kontakt stehende Wandung des Innengehäuses und dadurch das elektrische Bauelement wahlweise kühlbar oder beheizbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet sein, mindestens zwei Peltier-Elemente individuell zu steuern/regeln, wobei durch das individuelle Steuern/Regeln Temperaturunterschiede in dem zu temperierenden elektrischen Bauelement und/oder zwischen einzelnen zu temperierenden elektrischen Bauelementen angleichbar oder gar ausgleichbar sind. Dadurch kann eine besonders akkurate Temperierung und eine besonders homogene Temperaturverteilung in den Bauelementen im Inneren des Innengehäuses erzielt werden. Dies kann zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Batteriezellen und damit der
Batteriemodule führen. Um einen besonders einfachen Aufbau einer Batterie beziehungsweise eines Batteriesystems zu erzielen, können, wenn mindestens ein elektrisches Bauelement eine Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul aufweist, das Peltier-Element und/oder die Steuer-/Regeleinheit durch die
Batteriezelle und/oder das Batteriemodul mit Strom versorgbar sein. Damit kann ein in sich abgeschlossenes System zur Temperierung der in dem Gehäuse angeordneten elektrischen Bauelemente bereitgestellt werden, welches keine weitere Energiequelle von außen benötigt. Die obengenannte Aufgabe wird ferner durch eine Fahrzeugbatterie, umfassend ein Gehäuse gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen und mindestens eine Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul gelöst.
Die obengenannte Aufgabe wird ferner durch einen elektrischen Verteilerkasten umfassend ein Gehäuse gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen und einen elektrischen Verteiler gelöst.
Dabei werden die zum Gehäuse beschriebenen Vorteile und Wirkungen durch die Fahrzeugbatterie sowie durch den Verteilerkasten analog erzielt.
Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 schematisch eine Detailansicht eine Fahrzeugbatterie umfassend ein Gehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform; und
Figur 2 schematisch eine Fahrzeug batterie mit einem Gehäuse gemäß einer weiteren
Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch eine Detailansicht einer Fahrzeugbatterie 9 umfassend ein Gehäuse 1 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. In dem Gehäuse 1 sind mehrere sich jeweils aus mehreren Batteriezellen 92 zusammensetzende Batteriemodule 90 aufgenommen. In Figur 1 sind beispielhaft zwei Batteriemodule 90 gezeigt. Das Gehäuse 1 weist ein Innengehäuse 3 und ein Außengehäuse 4 auf, wobei das Außengehäuse 4 das Innengehäuse 3 einhaust. Das Innengehäuse 3 und das Außengehäuse 4 bilden einen doppelwandigen Gehäuseabschnitt 2 aus, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an einer Unterseite 22 des Gehäuses 1 vorgesehen ist, aber auch weitere Bereiche des Gehäuses 1 umfassen kann.
Es kann auch das gesamte Gehäuse 1 doppelwandig ausgebildet sein.
Mit anderen Worten ist das Außengehäuse 4 auf einen Innenraum des Gehäuses 1 bezogen außerhalb des Innengehäuses 3 um letzteres herum angeordnet. Hierbei sind eine Wandung 30 des Innengehäuses 3 und eine Wandung 40 des Außengehäuses 4 voneinander beabstandet, so dass ein Spalt 24 zwischen der Wandung 30 des Innengehäuses 3 und der Wandung 40 des Außengehäuses 4 vorliegt. Der Spalt 24 liegt entsprechend in dem doppelwandigen
Gehäuseabschnitt 2 des Gehäuses 1. Das Innengehäuse 3 ist zum Aufnehmen der Batteriemodule 90 vorgesehen, wobei die
Batteriemodule 90 an die Innenseite der Wandung 30 des Innengehäuses 3 thermisch angebunden sind. Mit anderen Worten sind die Batteriemodule 90 an dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt 2 des Gehäuses 1 thermisch angebunden.
In dem Spalt 24 sind mehrere Peltier-Elemente 5 angeordnet, wobei jedes der Peltier-Elemente 5 mit einer ersten Seite an die Wandung 30 des Innengehäuses 3 thermisch angebunden ist und mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an die Wandung 40 des Außengehäuses 4 thermisch angebunden ist. Mit anderen Worten sind die Peltier-Elemente 5 in dem
doppelwandigen Gehäuseabschnitt 2 des Gehäuses 1 angeordnet.
Um die thermische Anbindung zwischen den Peltier-Elementen 5 und den Wandungen 30, 40 zu verbessern, kann zwischen diesen jeweils eine optionale Wärmeleitpaste oder ein anderes wärmeleitendes Material vorgesehen sein. Die Peltier-Elemente 5 können auch zwischen den Wandungen 30, 40 eingepresst sein, so dass ein mechanisch unmittelbarer thermischer Kontakt zwischen den Peltier-Elementen 5 und den beiden Wandungen 30, 40 des doppelwandigen Gehäuseabschnitts 2 hergestellt wird. In der Detailansicht aus Figur 1 ist beispielhaft eine Unterseite 22 des Gehäuses 1 gezeigt. Der Spalt 24 ist vorliegend im Wesentlichen mit Luft gefüllt, so dass eine relativ gute thermische Isolierung zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Außengehäuse 4 an dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt 2 bereitgestellt ist. Der Spalt 24 kann auch mit einem thermisch isolierenden Material ausgefüllt sein oder in dem Spalt 24 liegt ein Vakuum vor, um eine besonders gute thermische Isolierung des Gehäuses 1 bereit zu stellen.
In dem Spalt 24 ist eine Vielzahl von voneinander beabstandeten und thermisch isolierenden Beabstandungselementen 6 zum Verbinden des Innengehäuses 3 mit dem Außengehäuse 4 zwischen der Wandung 30 des Innengehäuses 3 und der Wandung 40 des Außengehäuses 4 angeordnet, wobei die Beabstandungselemente 6 ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einen Kunststoff, insbesondere einen Polymerschaum oder eine Elastomer, bevorzugt Gummi, aufweisen. Alternativ können die Beabstandungselemente 6 auch andere Materialien, wie Glas oder Keramik aufweisen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jeweils ein Peltier-Element 5 jeweils einem Batteriemodul 90 zugeordnet. Hierzu ist das dem jeweiligen Batteriemodul 90 zugeordnete Peltier-Element 5 in dem Spalt 24 an der Position des jeweiligen Batteriemoduls 90 angeordnet, wobei das
Batteriemodul 90 und das Peltier-Element 5 durch die Wandung 30 des Innengehäuses 3 räumlich getrennt, jedoch thermisch leitend miteinander verbunden sind.
Die Peltier-Elemente 5 können zur Temperierung der Batteriezellen 92 der Batteriemodule 90 genutzt werden. Dabei können die Peltier-Elemente 5 zum Vorwärmen der Batteriezellen 92 genutzt werden, um diese auf eine Betriebstemperatur von beispielsweise ca. 5°-25° C, bevorzugt 24°-20° C, besonders bevorzugt 24° C, 15° C oder 20° C, zu bringen, insbesondere, damit ein Elektrolyt in den Batteriezellen 92 bei tiefen Temperaturen - beispielsweise im Winter - nicht einfriert.
Ferner können die Peltier-Elemente 5 während des Betriebs beziehungsweise der
Leistungsentnahme aus den Batteriezellen 92, wobei die Batteriezelle 92 aufgrund von
Verlustwärme eine Erwärmung erfährt, zum Kühlen der Batteriemodule 90 verwendet werden. Hierzu sind die Peltier-Elemente 5 mit einer nicht gezeigten Steuer-/Regeleinheit verbunden, welche sowohl die Stromstärke als auch die Stromrichtung / Polung des den Peltier-Elementen 5 zugeführten Stroms steuert / regelt und auf diese Weise die Kühl- beziehungsweise Wärmeleistung der Peltier-Elemente 5 bezüglich der Batteriemodule 90 steuert / regelt. Jedes Peltier-Element 5 kann bevorzugt individuell angesteuert werden, so dass das jeweils diesem Peltier-Element 5 zugeordnete elektrische Bauelement 90, 92 individuell thermisch konditioniert werden kann.
Um die Temperatur der Batteriezellen 92 zu erfassen, können eine Mehrzahl von nicht gezeigten Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Batteriezelle 92 oder eines
Batteriemoduls 90 an vorgegebenen Stellen des Batteriemoduls 90 vorgesehen sein, wobei die Temperatursensoren mit der Steuer-/Regeleinheit in Verbindung stehen, so dass letztere anhand der durch die Temperatursensoren empfangenen Werte den Strom durch die Peltier-Elemente 5 individuell anhand der ermittelten Temperatur steuern/regeln kann. In dem in Figur 1 gezeigten Zustand erfahren die Batteriemodule 90 über die Peltier-Elemente 5 beispielsweise eine Kühlung. Dabei werden die Peltier-Elemente 5 derart angesteuert, dass die an das Innengehäuse 3 anliegende Seite abgekühlt wird und entsprechend Wärme über die andere Seite an das Außengehäuse 4 abgeführt wird. Hierdurch wird an den Positionen der Peltier- Elemente 5 über die Wandung 30 des Innengehäuses 3 Wärme von den Batteriemodulen 90 abgeführt.
Um die Kühlwirkung der Peltier-Elemente 5 nochmals zu steigern, kann optional ein mittels des Bezugszeichens 7 angedeuteter Konvektionsstrom aus Luft oder alternativ einem anderen Fluid entlang der Außenseite der Wandung 40 des Außengehäuses 4 geführt werden, um so die Außenseite der Wandung 40 zusätzlich zu temperieren und die Temperierungswirkung der Peltier- Elemente 5 nochmals zu verstärken.
Figur 2 zeigt schematisch eine Fahrzeugbatterie 9 mit einem Gehäuse 1 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Fahrzeugbatterie 9 ist im Wesentlichen wie die zu Figur 1 beschriebene Fahrzeugbatterie ausgebildet. Bei der in Figur 2 gezeigten Fahrzeugbatterie 9 sind die Batteriemodule 90 zudem auch an deren Oberseiten thermisch an die Wandung 30 des Innengehäuses 3 angebunden. Zudem sind den Batteriemodulen 90 auch oberhalb in dem Spalt 24 des doppelwandigen Gehäuseabschnitts 2 angeordneten Peltier-Elementen 5 zugeordnet, so dass die Batteriemodule 90 von beiden Seiten via der Peltier-Elemente 5 temperierbar sind. Dadurch lässt sich die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriemodule 90 weiter homogenisieren. Ferner sind in dieser Ausführungsform Beabstandungselemente 6 nur seitlich im Spalt 24 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich können die Beabstandungselemente 6 jedoch auch wie in Figur 1 gezeigt unten und/oder oben am Gehäuse 1 vorgesehen sein.
Die Begriffe„oben“,„Oberseite“ 20,„unten“,„Unterseite“ 22 und„seitlich“ sind vorliegend auf eine Einbaulage des Gehäuses 1 relativ zur Erdbeschleunigung zu verstehen.
An der Oberseite 20 des Gehäuses 1 ist das Außengehäuse 4 mit einem optionalen
Temperierungselement 8 thermisch gekoppelt, welches mittels eines durch das
Temperierungselement 8 strömenden Fluids temperiert wird. Das Temperierungselement 8 stellt eine bauliche Alternative zu dem optionalen Konvektionsstrom 7 dar, welcher hier entsprechend wiederum an der Unterseite des Gehäuses 1 vorgesehen ist.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Peltier-Element 5 auch seitlich in dem Spalt 24 vorgesehen werden.
Der Spalt 24 weist vorliegend an der Oberseite 20 und der Unterseite 22 des Gehäuses 1 eine andere Dicke auf, als seitlich. Alternativ kann der Spalt 24 auch in Bezug auf alle Raumrichtungen eine konstante Breite beziehungsweise Dicke oder in alle Raumrichtungen jeweils eine unterschiedliche Breite beziehungsweise Dicke aufweisen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 doppelwandiger Gehäuseabschnitt
20 Oberseite
22 Unterseite
24 Spalt
3 Innengehäuse
30 Wandung
4 Außengehäuse
40 Wandung
5 Peltier-Element
6 Beabstandungselement
7 Konvektionsstrom
8 Temperierungselement
9 Fahrzeugbatterie
90 Batteriemodul
92 Batteriezelle

Claims

Ansprüche
1. Gehäuse (1 ) zum Aufnehmen eines thermisch zu konditionierenden elektrischen
Bauelements, bevorzugt zum Aufnehmen einer Batteriezelle (92) und/oder eines Batteriemoduls (90), umfassend einen doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2), an den das thermisch zu konditionierende elektrische Bauelement thermisch angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2) ein Peltier-Element (5) aufgenommen ist.
Gehäuse (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem
doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2) ein Innengehäuse (3) zum Aufnehmen des elektrischen Bauelements und ein das Innengehäuse (3) einhausendes Außengehäuse (4) vorgesehen sind, wobei eine Wandung (30) des Innengehäuses (3) und eine Wandung (40) des Außengehäuses (4) so voneinander beabstandet sind, dass ein Spalt (24) zwischen der Wandung (30) des Innengehäuses (3) und der Wandung (40) des Außengehäuses (4) ausgebildet ist, wobei das Peltier-Element (5) in dem Spalt (24) angeordnet ist und das Peltier-Element (5) an einer ersten Seite an die Wandung (30) des Innengehäuses (3) thermisch angebunden ist und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an die Wandung (40) des Außengehäuses (4) thermisch angebunden ist.
Gehäuse (1 ) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Beabstandungselement (6) zum Verbinden des Innengehäuses (3) und des Außengehäuses (4) zwischen der Wandung (30) des Innengehäuses (3) und der Wandung (40) des Außengehäuses (4) angeordnet ist, wobei das
Beabstandungselement (6) ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gehäuse (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Peltier-Elemente (5) in dem doppelwandigen Gehäuseabschnitt (2) vorgesehen sind, wobei bevorzugt je mindestens ein Peltier-Element (5) je einem elektrischen Bauelement zugeordnet ist.
5. Gehäuse (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch zu konditionierende elektrische Bauelement thermisch an einer Innenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts (2) angebunden ist und an einer Außenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts (2) ein Temperierungselennent (8) zum Temperieren des doppelwandigen Gehäuseabschnitts (2) angeordnet ist, und/oder an einer Außenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts (2) eine Struktur zur Vergrößerung der Außenfläche vorgesehen ist, und/oder an der Außenseite des doppelwandigen Gehäuseabschnitts (2) ein Konvektionsstrom (7) eines Fluides, bevorzugt Luft, bereitgestellt ist, wobei die Außenseite des doppelwandigen
Gehäuseabschnitts (2) mittels des Konvektionsstroms (7) temperierbar ist.
Gehäuse (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer-/Regeleinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, einen Strom und eine Polung des Stroms durch das Peltier-Element (5) zu steuern/regeln.
7. Gehäuse (1 ) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur eines elektrischen Bauelements, bevorzugt einer Batteriezelle (92) und/oder eines
Batteriemoduls (90), an einer vorgegebenen Stelle des elektrischen Bauelements vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor bevorzugt mit der Steuer-/Regeleinheit in Verbindung steht.
Gehäuse (1 ) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet ist, Werte mindestens eines
Temperatursensors zu empfangen und das Steuern/Regeln mindestens eines Peltier- Elements (5) basierend auf den empfangenen Werten auszuführen.
9. Gehäuse (1 ) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet ist, den Strom und die Polung des Stroms durch das Peltier-Element (5) derart zu steuern/regeln, dass die mit dem Peltier-Element (5) in wärmeleitendem Kontakt stehende Wandung (30) des Innengehäuses (3) und dadurch das elektrische Bauelement wahlweise kühlbar oder beheizbar sind.
10. Gehäuse (1 ) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit dazu eingerichtet ist, mindestens zwei Peltier-Elemente (5) individuell zu steuern/regeln, wobei durch das individuelle Steuern/Regeln Temperaturunterschiede in dem zu temperierenden elektrischen Bauelement und/oder zwischen einzelnen zu temperierenden elektrischen Bauelementen ausgleichbar sind.
11. Gehäuse (1 ) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisches Bauelement eine Batteriezelle (92) und/oder ein Batteriemodul (92) aufweist und das Peltier-Element (5) und/oder die Steuer-
/Regeleinheit durch die Batteriezelle (92) und/oder das Batteriemodul (90) mit Strom versorg bar sind.
12. Fahrzeugbatterie (9), umfassend ein Gehäuse (1 ) gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche und mindestens eine in dem Gehäuse (1 ) aufgenommene Batteriezelle (92) und/oder mindestens ein in dem Gehäuse (1 ) aufgenommenes Batteriemodul (90).
13. Verteilerkasten, umfassend ein Gehäuse (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und einen darin aufgenommenen elektrischen Verteiler.
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