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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug, beispielsweise als Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Eine derartige Batterie ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 010 825 A1 bekannt. Die bekannte Batterie enthält beispielsweise etwa 30 elektrisch miteinander verschaltete rechteckige Flachzellen, die orthogonal zu ihren Flachseiten aneinandergereiht einen quaderförmigen Flachzellenstapel ausbilden. Die einzelnen Flachzellen liegen in diesem Stapel unmittelbar aneinander an und sind an einer ihrer Schmalseiten jeweils an eine gemeinsame Wärmeleitplatte thermisch angebunden. Die Wärmeleitplatte kann z. B. an einen Klimakreislauf eines Fahrzeuges angeschlossen sein, um die Batterie damit temperieren (insbesondere kühlen) zu können.
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Wenngleich die bekannte Batterie einen kompakten Aufbau mit mehr oder weniger gutem Wärmeabfuhrvermögen (über die Wärmeleitplatte) besitzt, so ergibt sich die Problematik, dass die Leistungsfähigkeit der Batterie sich durch Degradation (Alterung) oder Ausfall einzelner Flachzellen im Laufe der Zeit verschlechtert.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass während des Batteriebetriebes genauere Informationen über den Zustand der einzelnen Flachzellen gewonnen werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Batterie dadurch gelöst, dass in der Anordnung an wenigstens einer Flachseite mehrerer der Flachzellen jeweils eine thermisch daran angebundene Wärmeabfuhrplatte vorgesehen ist, in welcher jeweils wenigstens ein Temperatursensor integriert ist.
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In einer Weiterbildung sind solche Wärmeabfuhrplatten sogar für die meisten, insbesondere für sämtliche der Flachzellen in der Anordnung vorgesehen. Dies wieder jeweils an wenigstens einer Flachseite, gegebenenfalls also auch an beiden Flachseiten der betreffenden Flachzellen.
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Die thermische Anbindung der Wärmeabfuhrplatte an der Flachseite einer Flachzelle kann z. B. in einfacher Weise durch eine flächige Anlage der Wärmeabfuhrplatte an dieser Flachseite realisiert sein (mit oder ohne Zwischenschicht, wie z. B. wärmeleitendem Klebstoff oder dergleichen).
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Bei der Erfindung ist mehreren (insbesondere wenigstens 25%, wenigstens 50%, oder sogar sämtlichen) der Flachzellen jeweils wenigstens ein Temperatursensor zugeordnet, welcher in einer thermisch an die betreffende Flachzelle angebundenen Wärmeabfuhrplatte integriert ist.
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Dieser Sensor stellt somit im Falle einer abnormalen Temperatur der Flachzelle ein Sensorsignal bereit, anhand dessen diese Abnormalität (z. B. Temperaturüberhöhung) detektierbar ist. Vorteilhaft ist eine solche Abnormalität zudem räumlich innerhalb der Batterie bzw. Flachzellenanordnung mehr oder weniger genau lokalisierbar. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, wenn die Temperatursensoren und/oder die Wärmeabfuhrplatten im Wesentlichen gleichmäßig über das Volumen der Anordnung verteilt angeordnet sind.
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Bevorzugt umfasst die im Wesentlichen prismatische Batteriezellenanordnung mindestens 10, weiter bevorzugt mindestens 20 Temperatursensoren, die in erfindungsgemäßer Weise integriert sind. Bei gegebener Anzahl an Flachzellen in der Anordnung (z. B. mindestens 20, bevorzugt mindestens 40), ist bevorzugt wenigstens ein Temperatursensor pro Flachzelle vorgesehen. Das Verhältnis der Anzahl an Temperatursensoren zur Anzahl an Flachzellen kann z. B. im Bereich von 1 bis 4 liegen.
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Die erfindungsgemäße Batterie kann, abgesehen von ihrer Energiespeicherfunktionalität, vorteilhaft für eine ortsaufgelöste Batterietemperaturerfassung verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung somit ferner ein Betriebsverfahren für eine Batterie der erfindungsgemäßen Art, bei welchem (neben einem bedarfsweisen Laden und Entladen der Batterie) eine ortsaufgelöste Batterietemperaturerfassung durch eine Auswertung der Temperatursensorsignale durchgeführt wird.
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Die Sensorsignale der einzelnen Temperatursensoren bzw. ein Ergebnis der z. B. softwaregestützt in einer elektronischen Auswerteeinrichtung durchgeführten Auswertung sämtlicher Temperatursensorsignale kann in verschiedenen Weisen genutzt werden.
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Beispielsweise kann bei entsprechender Auslegung einer Batteriekühlung eine gezielte Kühlung derjenigen Flachzelle(n) erfolgen, für die auf Basis der Auswertung während des Batteriebetriebes ein erhöhter Kühlbedarf festgestellt bzw. festgelegt wurde.
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Unabhängig von einem solchen angepassten Temperaturmanagement können auf Basis der Auswertung während des Batteriebetriebes auch Informationen gewonnen und gespeichert werden, welche für einen späteren gezielten Austausch einer oder mehrerer Flachzellen wertvoll bzw. erforderlich sind. So kann z. B. bei einer in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendeten Batterie eine derartige Information in einem so genannten Diagnosespeicher gespeichert werden, um bei einer Wartung (z. B. Inspektion) des Fahrzeuges einen gezielten Austausch einer oder mehrerer Flachzellen der Batterie vornehmen zu können.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an jeweils nur einer der beiden Flachseiten der betreffenden Flachzellen die thermisch daran angebundene Wärmeabfuhrplatte angebracht ist. Dies ist insbesondere im Hinblick auf einen kompakten Aufbau der Batterie von Vorteil. Insbesondere zur Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit ist es jedoch abweichend davon auch möglich, beiderseits jeder der betreffenden Flachzellen eine Wärmeabfuhrplatte (mit jeweils wenigstens einem darin integrierten Temperatursensor) vorzusehen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Wärmeabfuhrplatten, insbesondere alle Wärmeabfuhrplatten, an beidseitig benachbarte Flachzellen thermisch angebunden sind.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Flachzellen alternierend mit Wärmeabfuhrplatten gestapelt die Anordnung ausbilden, wobei dieser Stapel ”dicht gepackt” ist, um einen besonders kompakten Aufbau zu erzielen.
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In einer anderen, bevorzugten Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, dass die der Wärmeabfuhrplatte jeweils abgewandten Flachseiten der beiden betreffenden Flachzellen jeweils an einen Luftspalt oder eine Kühlmittelpassage angrenzen. Abgesehen davon, dass mit solchen Luftspalten oder Kühlmittelpassagen vorteilhaft eine effiziente Temperierung (z. B. Kühlung) erfolgen kann, lässt sich damit auch vorteilhaft eine gezielte Temperierung, insbesondere Kühlung realisieren. Bei einer solchen gezielten Kühlbarkeit können die Luftspalte oder Kühlmittelpassagen so an eine Luft- bzw. Kühlmittelströmung (z. B. ”Klimakreislauf”) angeschlossen sein, dass Spalte unabhängig voneinander mit Kühlluft bzw. Kühlmittel (z. B. Wasser oder eine andere Flüssigkeit) versorgt werden können. Die unabhängige Versorgung kann dann z. B. auf Basis der erwähnten Auswertung der Temperatursensorsignale erfolgen (angesteuert werden), um z. B. gezielt diejenige(n) Flachzelle(n) stärker zu kühlen, für welche ein erhöhter Kühlungsbedarf festgestellt wurde.
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Unabhängig davon, ob eine solche Kühlung mittels Luftspalten oder Kühlmittelpassagen innerhalb der Anordnung überhaupt vorgesehen ist, und unabhängig davon, ob eine solche Kühlung gegebenenfalls eine ”ortsaufgelöste” Kühlung ermöglicht oder nicht, können bei der erfindungsgemäßen Batterie alternativ oder zusätzlich auch andere Wärmeabfuhrmaßnahmen eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass die Wärmeabfuhrplatten an einer ihrer Schmalseiten jeweils an einen gemeinsamen Kühlblock thermisch angebunden sind.
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Der Kühlblock kann im einfachsten Fall z. B. als eine Wärmeleitplatte (mit oder ohne ”Kühlrippen”)ausgebildet sein, wobei die Schmalseiten der einzelnen Wärmeabfuhrplatten unmittelbar an einer Flachseite dieser Wärmeableitplatte anliegen.
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Mit einem derartigen Kühlblock bzw. einer derartigen Wärmeleitplatte kann die von den einzelnen Flachzellen zunächst auf die thermisch daran angebundenen Wärmeabfuhrplatten übertragene Wärme weiter zum Kühlblock übertragen werden.
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Wenn der Kühlblock an einen Klimakreislauf angeschlossen ist (z. B. dem in einem Fahrzeug zur Klimatisierung eines Innenraumes ohnehin vorgesehenen Klimakreislauf), so kann die am Kühlblock anfallende Wärme vorteilhaft weiter abgeführt werden.
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Prinzipiell denkbar ist jedoch auch, dass betriebssituationsbedingt (bedarfsweise) mittels des Klimakreislaufes auch eine Heizung des Kühlblockes und somit der Batterie erfolgt.
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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass auch die Flachzellen über ihre betreffenden Schmalseiten jeweils an den gemeinsamen Kühlblock thermisch angebunden sind. Da dies jedoch von den Flachzellen direkt (nicht über die Wärmeabfuhrplatten) zum Kühlblock verlaufende Wärmepfade mit sich bringt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Schmalseiten der Flachzellen nicht in unmittelbarem Kontakt zum Kühlblock stehen. Dies erhöht vorteilhaft die Aussagekraft der Temperaturmessung in der thermisch an die Flachzelle angebundenen Wärmeabfuhrplatte.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Wärmeabfuhrplatten jeweils am Kühlblock befestigt, so dass der Kühlblock neben einer Temperierungsfunktion auch noch eine mechanische Funktion, nämlich zum Halten der Wärmeabfuhrplatten in ihrer gewünschten Lage erfüllt. Alternativ oder zusätzlich können die Wärmeabfuhrplatten auch an anderer Stelle mechanisch fixiert sein, um diese relativ zueinander in vorgegebener Lage zu halten.
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Die mechanische Fixierung der Flachzellen in ihrer Lage kann vorteilhaft unter Verwendung der Wärmeabfuhrplatten realisiert sein, etwa wenn z. B. jeder Flachzelle ohnehin wenigstens eine thermisch daran angebundene Wärmeabfuhrplatte zugeordnet ist. Wenn die Flachzelle an dieser Wärmeabfuhrplatte befestigt ist, beispielsweise durch eine Verschraubung und/oder wärmeleitende Verklebung, so kann mit einer Fixierung der Wärmeabfuhrplatten (am Kühlblock) ”automatisch” eine Fixierung der Flachzellen realisiert werden.
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Für die Gestaltung der Wärmeabfuhrplatten gibt es vielfältige Möglichkeiten.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeabfuhrplatten jeweils aus zwei Einzelplatten zusammengesetzt sind, zwischen denen der bzw. die betreffenden Temperatursensoren zwischengefügt sind. In einem Zwischenraum zwischen den beiden Einzelplatten können mit dem oder den Temperatursensoren verbundene Signalleitungen vorteilhaft zu einem seitlichen Rand der Wärmeabfuhrplatte (und von dort aus weiter) geführt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Temperatursensor in einer Aussparung der Wärmeabfuhrplatte angeordnet ist. Diese Aussparung kann sich z. B. in einer einstückig ausgebildeten Wärmeabfuhrplatte befinden. Abweichend davon kommt auch bei dieser Ausführungsform in Betracht, die Wärmeabfuhrplatte zweiteilig (aus zwei Einzelplatten) auszubilden, wobei die Aussparung in diesem Fall bevorzugt an der Innenseite einer oder beider Einzelplatten vorgesehen ist, so dass der in der Aussparung angeordnete Temperatursensor sich im Inneren der Wärmeabfuhrplatte befindet. Die Aussparung kann sich als (bevorzugt schmaler) Kanal bis hin zu einem Rand der Wärmeabfuhrplatte erstrecken, um eine Signalleitung des Temperatursensors an diesen Rand (und von dort aus weiter) zu führen. Auch bei dieser Ausführungsform können mehrere Temperatursensoren pro Wärmeabfuhrplatte vorgesehen sein, die in einer jeweiligen (eigenen) Aussparung untergebracht sind.
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Bei Integration von mehr als einem Temperatursensor in einer Wärmeabfuhrplatte kann beispielsweise eine redundante Temperaturmessung im Bereich dieser Wärmeabfuhrplatte erfolgen, was wiederum z. B. ein Ausfallrisiko minimiert und/oder die Messungsgenauigkeit erhöht.
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Mehrere Temperatursensoren pro Wärmeabfuhrplatte besitzen im Rahmen der Erfindung jedoch noch den darüber hinausgehenden gravierenden Vorteil, dass damit die Ortsauflösung der Zellentemperaturerfassung weiter verbessert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass in wenigstens einer lateralen Richtung der Wärmeabfuhrplatte betrachtet wenigstens zwei voneinander beabstandete Temperatursensoren in dieser Wärmeabfuhrplatte integriert sind. Die Auswertung der Sensorsignale dieser wenigstens zwei Temperatursensoren ermöglicht vorteilhaft die Gewinnung einer Information über die in der betreffenden lateralen Richtung betrachtet vorliegende Temperaturverteilung.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind die mehreren Temperatursensoren einer Wärmeabfuhrplatte in wenigstens zwei lateralen Richtungen (insbesondere zueinander orthogonalen Richtungen) betrachtet mit gegenseitigen Abständen in dieser Wärmeabfuhrplatte integriert. Hierfür sind wenigstens drei in der Wärmeabfuhrplatte integrierte Temperatursensoren erforderlich. Vorteilhaft lässt sich damit eine über die Fläche der Wärmeabfuhrplatte (bzw. der daran angebundenen Flachzelle) aufgelöste Temperaturerfassung realisieren.
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Mehrere Temperatursensoren einer Wärmeabfuhrplatte können ”rasterartig” in oder an dieser Wärmeabfuhrplatte angeordnet sein. In einer insbesondere für rechteckige Flachzellen und thermisch daran angebundene rechteckige Wärmeabfuhrplatten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mehreren Temperatursensoren jeder Wärmeabfuhrplatte auf einem rechteckigen Raster angeordnet sind, bei welchem parallel zu den Kanten der Wärmeabfuhrplatte verlaufende (gedachte) Verbindungslinien zwischen den Temperatursensoren vorgesehen sind.
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Bei einer beispielsweise etwa quadratischen Wärmeabfuhrplatte können z. B. vier Temperatursensoren an den Ecken eines der quadratischen Kontur der Wärmeabfuhrplatte einbeschriebenen (gedachten) Quadrates angeordnet sein.
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Falls mehrere Temperatursensoren in einer Wärmeabfuhrplatte integriert sind, so kann in der Wärmeabfuhrplatte ferner ein (elektronischer) Multiplexer zum Betreiben der wenigstens zwei Temperatursensoren integriert sein. Der Multiplexer kann insbesondere als Komponente in einem Datenbussystem (z. B. ”CAN”-Bus) vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Seitenansicht wesentlicher Komponenten einer Batterie gemäß eines Ausführungsbeispiels,
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2 und 3 jeweilige Draufsichten von zwei Einzelplatten, welche zu einer Wärmeabfuhrplatte zusammensetzbar sind,
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4 eine perspektivische Ansicht der Einzelplatten von 2 und 3,
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5 eine perspektivische Ansicht wesentlicher Komponenten einer Batterie gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, aufgebaut unter Verwendung von Wärmeabfuhrplatten wie in den 2 bis 4 dargestellt, und
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6 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeabfuhrplatte gemäß eines modifizierten Ausführungsbeispiels.
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1 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau bzw. wesentliche Komponenten einer Batterie 10 mit mehreren elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Flachzellen 12-1 bis 12-8.
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Die Bezugszahlen von in einer Ausführungsform mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten, wie z. B. den vorstehend erwähnten Flachzellen, sind durchnumeriert (jeweils ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne solche Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.
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Die in 1 dargestellte Anzahl von Flachzellen 12 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Insbesondere wenn die Batterie 10 als eine Hochleistungsbatterie, z. B. als Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt werden soll, so könnten tatsächlich auch wesentlich mehr, beispielsweise mehr als 50 oder sogar mehr als 100 Flachzellen 12 in der Weise angeordnet sein, wie diese in 1 für die Flachzellen 12-1 bis 12-8 veranschaulicht ist.
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Die plattenförmigen Flachzellen 12 besitzen jeweils z. B. eine rechteckige Form mit einer Zellenstärke, die wesentlich kleiner als jede laterale Plattenausdehnung ist (z. B um mindestens einen Faktor 10 kleiner).
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Die Flachzellen 12 können von jeglicher Art an sich bekannter Batteriezellen gebildet sein. Lediglich beispielhaft seien hierzu Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Katmyon-Zink-Luft-, Litium-Luft-, Nickel-Zink- oder Litium-Ionen-Zellen genannt.
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Die Flachzellen 12 sind orthogonal zu ihren Flachseiten aneinandergereiht und bilden zusammen mit zwischengefügten Wärmeabfuhrplatten 14-1 bis 14-4 eine insgesamt prismatische, hier beispielsweise quaderförmige Anordnung 16.
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Die Wärmeabfuhrplatten 14 sind aus einem gut wärmeleitfähigen Material (z. B. aus Metall, wie z. B. Aluminium oder dergleichen) ausgebildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flachzellen 12 und die Wärmeabfuhrplatten 14 nicht ”dicht gepackt” zu einer lückenlosen Anordnung 16 bzw. einem dichten Stapel zusammengefasst. Vielmehr sind in der Anordnung 16 auch Lücken bzw. Spalte 18-1 bis 18-3 vorhanden, welche z. B. als Luftspalte oder Kühlmittelpassagen zur Kühlung (einschließlich allgemein ”Temperierung”) der Batterie 10 dienen können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Batterie 10 ferner einen aus einem gut wärmeleitfähigen Material (z. B. Aluminium oder dergleichen) ausgebildeten Kühlblock 20, an welchem die Wärmeabfuhrplatten 14 nicht nur thermisch angebunden sind, sondern darüber hinaus fixiert sind. Wie in 1 dargestellt, können hierfür z. B. untere Ränder der Wärmeabfuhrplatten 14 in geeignet dimensionierten Nuten bzw. Aussparungen an der Oberseite des Kühlblockes 20 eingesteckt sein. Alternativ oder zusätzlich kann z. B. eine Verschraubung der Wärmeabfuhrplatten 14 am Kühlblock 20 vorgesehen sein.
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Die elektrische Verschaltung der Flachzellen 12 miteinander ist in der Figur nicht dargestellt, könnte jedoch z. B. durch entsprechende Leitungsverbindungen an der Oberseite der in 1 ersichtlichen Anordnung 16 realisiert sein, die oberen Ränder der Wärmeabfuhrplatten ”übergreifend”. In diesem Bereich könnte auch eine Überwachungs- und/oder Steuereinrichtung für die einzelnen Flachzellen 12 angeordnet sein (nicht dargestellt), beispielsweise eine so genannte CSC(”cell supervising circuit”)-Einrichtung.
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Jede der Flachzellen 12 steht mit einer ihrer Flachseiten (über eine Schicht von Wärmeleitpaste) in einem flächigen Kontakt mit einer zugeordneten Wärmeabfuhrplatte 14 und ist im dargestellten Ausführungsbeispiel daran angeklebt und/oder angeschraubt.
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Damit ist sichergestellt, dass in der Anordnung 16 an wenigstens einer Flachseite jeder Flachzelle 12 eine thermisch daran angebundene Wärmeabfuhrplatte 14 vorgesehen ist, so dass vorteilhaft ausgehend von jeder Flachzelle 12 ein Wärmeableitpfad über wenigstens eine Wärmeabfuhrplatte 14 und weiter zum Kühlblock 20 führt. Damit können sämtliche Flachzellen 12 im Betrieb der Batterie 10, also beim bedarfsweisen Laden bzw. Entladen der Batterie 10, effizient gekühlt werden, wobei zu dieser Kühlung auch die erwähnten Luft- bzw. Kühlmittelspalte 18 beitragen können. Diese Spalte 18 können z. B. mit einem geeigneten Kühlmittelkreislauf verbunden sein., Eine Besonderheit der Batterie 10 besteht darin, dass in den Wärmeabfuhrplatten 14 jeweils wenigstens ein Temperatursensor 22 integriert ist. Für die hier beispielhaft dargestellten vier Wärmeabfuhrplatten 14-1, 14-2, 14-3 und 14-4 sind dies die dargestellten Temperatursensoren 22-1, 22-2, 22-3 bzw. 22-4.
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Mittels der Temperatursensoren 22 kann im Betrieb der Batterie 10 vorteilhaft eine entsprechend der Anordnung der Sensoren 22 ortsaufgelöste Batterietemperaturerfassung erfolgen.
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Auf Basis einer Auswertung der Sensorsignale kann mittels einer die Luft- bzw. Kühlmittelströmung durch die einzelnen Spalte 18-1 bis 18-3 steuernden Einrichtung eine gezielte (bedarfsgerechte) Veränderung des Kühlbetriebes realisiert werden. Hierfür kann z. B. eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche die Temperatursensorsignale auswertet, einen individuellen Kühlbedarf für die einzelnen Spalte 18 festlegt, und eine entsprechende Ansteuerung elektrisch ansteuerbarer Ventile bewirkt, über welche die Spalte 18 individuell (oder bestimmte Gruppen davon) mit einem Kühlmittel versorgt werden.
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Wenn beispielsweise der in 1 dargstellte Temperatursensor 22-3 eine übermäßig hohe Temperatur anzeigt, so könnte eine Kühlmittelströmung durch die Spalte 18-2 und 18-3 geeignet erhöht werden, um in diesem räumlichen Bereich der Batterie 10 eine stärkere Kühlung zu bewirken. Alternativ oder zusätzlich können derartige Temperaturabnormalitäten z. B. in einer elektronischen Speichereinrichtung gespeichert werden, um derartige Informationen für einen späteren, gezielten Austausch einer oder mehrerer der Flachzellen 12 zu nutzen.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jeweils nur einer der beiden Flachseiten jeder Flachzelle 12 eine der Wärmeabfuhrplatten 14 thermisch daran angebunden, wohingegen die dieser Wärmeabfuhrplatte jeweils abgewandten Flachseiten jeder Flachzelle 12 an einen der Spalte 18 angrenzt oder eine die Anordnung 16 in ”Stapelrichtung” abschließende Endfläche ausbildet. An den in 1 linken und rechten Enden der Anordnung 16 könnten auch noch Kühlmittelspalte vorgesehen sein. In 1 nicht dargestellt ist ein die dargestellten Komponenten umschließendes Batteriegehäuse.
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Es versteht sich, dass die in 1 konkret dargestellte Geometrie der Anordnung 16 in vielfältiger Weise modifiziert sein könnte, ohne dabei auf die vorteilhafte Möglichkeit einer ortsaufgelösten Batterietemperaturerfassung zu verzichten. Insbesondere ist es in der Praxis keineswegs notwendig, so viele Wärmeabfuhrplatten (im Vergleich zu Flachzellen) vorzusehen, wie dies in 1 veranschaulicht ist (1 Wärmeabfuhrplatte 14 pro 2 Flachzellen). Ganz allgemein bevorzugt ist ein Verhältnis von Wärmeabfuhrplatten-Anzahl zu Flachzellen-Anzahl im Bereich von 0,1 bis 1. Die Wärmeabfuhrplatten sollten zweckmäßigerweise mehr oder weniger gleichmäßig über die Länge der Zellenanordnung 16 verteilt sein (Allerdings könnte in einem mittleren Bereich der Anordnung die Dichte an Wärmeabfuhrplatten im Vergleich zu den Enden der Anordnung etwas erhöht sein, z. B. um einen Faktor 1,5 bis 2).
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 2, 3 und 4 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeabfuhrplatte 14a, die aus zwei Einzelplatten 26a und 28a zusammensetzbar ist bzw. im eingebauten Zustand zusammengesetzt ist.
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2 zeigt die Innenseite der Platte 26a, umfassend vier Temperatursensoren 22a-1 bis 22a-4, die wie dargestellt über jeweilige Sensorleitungen (z. B. seriell/parallel-Datenbusleitungen) mit einem Multiplexer 30a verbunden sind, von welchem wiederum eine Datenleitung wie dargestellt zu einem Sensoranschluss (z. B. Steckverbinder) 32a führt, der sich an einem Rand bzw. außerhalb der Platte 26a befindet. Für die konkrete Gestaltung der Platte 26a mit den Sensoren 22a, dem Multiplexer 30a und den entsprechenden Sensorsignalleitungen gibt es in der Praxis vielfältige Möglichkeiten.
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Die Sensoren 22a können z. B. als ungehäuste Halbleiterchips auf einem Keramiksubstrat oder dergleichen ausgebildet sein, wobei derartige Halbleiterchips vorteilhaft auch die im Einzelfall gewünschte Schnittstellenelektronik enthalten können. Der Multiplexer 30a kann in ähnlicher Weise (als Halbleiterchip) ausgebildet sein. Falls ein Korpus der Platte 26a aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. Aluminium oder einem anderen metallischen Werkstoff gebildet ist, so ist für eine entsprechende elektrische Isolation der Datenleitungen zu sorgen, die zwischen den einzelnen Sensoren 22a und dem Multiplexer 30a bzw. zwischen dem Multiplexer 30a und der Anschlusseinrichtung 32a verlaufen. Beispielsweise könnten alle diese Komponenten auf einem jeweiligen Kunststoff- oder Keramiksubstrat ausgebildet sein, welches wiederum flächig an der Innenseite der Platte 26a angebunden ist, wobei diese Anbindung zumindest im Bereich der Sensoren 22a einen niedrigen Wärmeleitwiderstand zum Plattenkorpus hin gewährleisten sollte (z. B. über eine wärmeleitende Schicht, z. B. Klebstoffschicht).
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3 zeigt die Außenseite der Einzelplatte 28a. Gestrichelt eingezeichnet sind Bereiche 34a-1 bis 34a-4, an welchen im zusammengebauten Zustand der Wärmeabfuhrplatte 14a die Temperatursensoren 22a-1 bis 22a-4 platziert sind. Bei der bevorzugten Ausbildung eines Plattenkorpus der Platte 28a aus einem metallischen und somit elektrisch leitfähigen Werkstoff ist gegebenenfalls wieder eine entsprechende elektrische Isolation im Hinblick auf die Sensoren vorzusehen. Zur Erzielung eines niedrigen Wärmeübergangswiderstandes zwischen den Sensoren 22a und der Platte 28a kann an den Bereichen 34a ebenfalls z. B. eine wärmeleitende Schicht (z. B. Klebstoff, Wärmeleitpaste oder selbstklebende Wärmeleitfolien) vorgesehen sein.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die beiden Einzelplatten 26a, 28a durch korrespondierende Befestigungsmittel 36a (an der Platte 26a) und 38a (an der Platte 28a) aneinander befestigt werden können, um die als Baueinheit zum Einbau in die betreffende Batterie ausgebildete Wärmeabfuhrplatte 14a zu schaffen.
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Die Konfiguration der beiden Einzelplatten 26a, 28a ist besser in der perspektivischen Ansicht von 4 zu erkennen, wobei in dieser Figur die beiden Platten 26a, 28a mit einem gewissen gegenseitigen Abstand dargestellt sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die korrespondierenden Befestigungsmittel 36a, 38a von Rastzapfen (36a) und korrespondierenden Rastöffnungen (38a) gebildet. Damit können die Einzelplatten 26a, 28a einfach aufeinandergelegt und miteinander verrastet werden.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den grundlegenden Aufbau einer Batterie 10a, welche unter Verwendung von Wärmeabfuhrplatten 14a gemäß der 2 bis 4 hergestellt ist.
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Wieder nur beispielhaft sind bei der in 5 dargestellten Batterie 10a vier solche Wärmeabfuhrplatten 14-1, 14a-2, 14a-3 und 14a-4 eingezeichnet. Diese Anzahl (insgesamt und im Vergleich zur Anzahl von Flachzellen 12a) kann in der Praxis an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Wärmeabfuhrplatten 14a an ihrer unteren Schmalseite jeweils an einen gemeinsamen Kühlblock 20a thermisch angebunden, und tragen beiderseits jeweils eine der insgesamt acht Flachzellen 12a-1 bis 12a-8.
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Abweichend von dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind bei der Anordnung 16a keine als Luft- oder Kühlmittelpassagen nutzbaren Lücken bzw. Spalte vorhanden. Vielmehr ist die Anordnung 16a ein ”dicht gepackter” Stapel, in welchem die Komponenten 12a und 14a flächig unmittelbar aneinander angebunden sind.
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Lediglich beispielhaft ist in 5 gestrichelt ein Bereich 42a der Flachzelle 12a-8 eingezeichnet, in welchem im Betrieb der Batterie 10a eine übermäßig hohe Temperatur auftritt (”hot spot”).
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Vorteilhaft kann mittels der über das Volumen (und die Höhe) der Anordnung 16a verteilt angeordneten Temperatursensoren 22a eine solche Abnormalität bereits im Betrieb der Batterie 10a detektiert und lokalisiert werden.
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Bei einem Betriebsverfahren für die Batterie 10a kann auf Basis einer Auswertung der Temperatursensorsignale in diesem Fall z. B. eine erhöhte Kühlleistung bewirkt werden (z. B. durch eine angesteuert erhöhte Kühlung des Kühlblockes 20a). Unabhängig davon kann eine Information über den Bereich 42a, welcher auf einen Defekt der Flachzelle 12a-8 hindeutet, in einer elektronischen Speichereinrichtung gespeichert werden.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Wärmeabfuhrplatte 14b zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Batterie.
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Beispielsweise könnte die Wärmeabfuhrplatte 14b bei der Batterie 10 gemäß 1 (als konkrete Ausgestaltung der dort mit 14 bezeichneten Wärmeabfuhrplatte) oder bei der Batterie 10a gemäß 5 (als Ersatz für die dort verwendete Wärmeabfuhrplatte 14a) verwendet werden. Die Wärmeabfuhrplatte 14b besitzt einen einstückig, z. B. aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium oder derlgeichen gebildeten Plattenkorpus mit einem darin integrierten Temperatursensor 22b im Zentrum der Plattenfläche. Der Sensor 22b ist in einer Aussparung 44b angeordnet, beispielsweise als Halbleitersensor mit einem Keramiksubstrat am Aussparungsgrund flächig angebunden (z. B. verklebt).
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Am in 6 oberen Rand der Aussparung 44b setzt sich diese als relativ schmaler Kanal nach oben verlaufend bis hin zu einem oberen Rand der Wärmeabfuhrplatte 14b fort. Im eingebauten Zustand der Platte 14b verläuft in diesem Kanal eine Sensorsignalleitung.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeabfuhrplatte 14b wie dargestellt für den Einsatz in der betreffenden Batterie vorgesehen. Abweichend davon könnte die in 6 rechte Flachseite optional auch noch mit einer Abdeckplatte (z. B. aufgeklebte Metallplatte) versehen werden.
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Zusammenfassend kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Batterie bzw. deren Verwendung eine vorteilhaft ortsaufgelöste Temperaturerfassung erfolgen.
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Für die Lebensdauer von Batteriezellen ist in der Praxis neben einer insgesamt guten Kühlung oftmals noch bedeutender, dass diese Kühlung möglichst gleichmäßig ist. Insbesondere sollten sich über die Zellenfläche betrachtet keine allzu großen Temperaturgradienten ausbilden und im Falle der Verschaltung von mehreren Zellen zu der beschriebenen Zellenblockanordnung auch über diesen Zellenblock keine größeren Temperaturunterschiede (von Zelle zu Zelle) ergeben. In dieser Hinsicht bietet die vorliegende Erfindung erhebliche Vorteile, weil damit eine sichere Erfassung der Zelltemperaturen und darauf aufbauend z. B. ein gezieltes Temperaturmanagement ermöglicht wird. Es kann sowohl eine Temperaturverteilung zwischen benachbarten Batteriezellen als auch eine Erfassung der Temperaturverteilung über eine Zelle erfolgen. Die Anbindung der Temperatursensoren im Bereich der Wärmeabfuhrplatten ist sehr robust und bei entsprechender Auslegung unempfindlich gegen mechanische Einwirkungen wie Vibrationen etc. Vorteilhaft können Bereiche mit übermäßiger Temperatur (”hot spots”) in den Zellen detektiert werden. Bei Auftreten solcher Bereiche kann durch entsprechende Ansteuerung einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung über das Volumen der Batteriezellenanordnung und/oder über eine Zellenfläche betrachtet entgegengewirkt werden, indem die Durchflussmenge eines Kühlmittels für verschiedene Kühlmittelpassagen individuell entsprechend eingestellt bzw. erhöht wird.
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Wärmeabfuhrplatten (”Kühlfinnen”) können wenigstens zum Teil mit den beschriebenen Temperatursensoren ausgestattet werden, wobei jede betreffende Wärmeabfuhrplatte jeweils einen oder mehrere Temperatursensoren aufweisen kann. Aufgrund des Kostenaspekts können durchaus auch nur einige wenige Wärmeabfuhrplatten (im Vergleich zur Gesamtanzahl der Wärmeabfuhrplatten) mit solchen Sensoren ausgestattet werden. In diesem Fall sollten die Temperatursensoren zumindest in einem mittleren Bereich der Batterie bzw. Batteriezellenanordnung installiert werden.
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Die aus den einzelnen Wärmeabfuhrplatten herausgeführten Sensorsignalleitungen (z. B. Busleitungen) können außerhalb der Wärmeabfuhrplatten z. B. mit einem Bussystem kombiniert (zusammengeschlossen) werden, welches z. B. ohnehin zum Anschluss einer weiteren Sensorik der Batteriezellen (z. B. ”CSC” – cell supervising circuit) vorhanden ist.
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Die elektrischen Verbindungen der Temperatursensoren können als Leitungen oder Leiterbahnen in die Wärmeabfuhrplatte eingearbeitet sein, wobei die Isolation der Leitungen z. B. durch eine Einbettung in keramisches oder anderes nichtleitendes Material erreicht werden kann. Auch können Leiterbahnen z. B. mit Isolierlack beschichtet sein.
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Die Integration eines Temperatursensors durch Unterbringung in einer Aussparung der betreffenden Wärmeabfuhrplatte ermöglicht es vorteilhaft, eine Erhöhung der Plattendicke zu begrenzen. Außerdem sind die betreffenden Sensoren in diesem Fall gut vor mechanischen Belastungen geschützt.
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Bei der Montage der Batterie ist es sehr vorteilhaft, die Wärmeabfuhrplatten mit den bereits integrierten Temperatursensoren als einbaufertige Einheiten zu verwenden. Damit kann z. B. ein zumindest teilweise automatisiertes Stapeln (Zellensatzlegen) der Wärmeabfuhrplatten mit den Batteriezellen ermöglicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008010825 A1 [0002]
