DE102012212451A1

DE102012212451A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102012212451A1
Application number: DE201210212451
Authority: DE
Inventors: Joerg Heyse; Petra Kanters; Andy Tiefenbach; Jens Ritzert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit wenigstens einem Zellwickel (14), der zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden mit zwei elektrischen Anschlüssen (16) gekoppelt sind, wobei in einem Innenbereich der Batteriezelle (10) zumindest ein wärmeleitendes Element (18) angeordnet ist, das vollständig in dem Zellwickel (14) integriert ist und das dazu ausgebildet ist, eine im Wesentlichen homogene Wärmeverteilung anzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit wenigstens einem Zellwickel, der zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden mit zwei elektrischen Anschlüssen gekoppelt sind.
Stand der Technik
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei einer Entladung der Batterie wird gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann von einem Verbraucher, der mit der Batterie elektrisch gekoppelt ist, genutzt werden.
Batterien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien) können verschiedenste Einrichtungen mit elektrischem Strom versorgen. In Kraftfahrzeugen dient eine Batterie u.a. dazu, Strom für die Scheinwerfer, die Bordelektronik und für den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern. In Elektro- oder Hybridfahrzeugen dient die Batterie zusätzlich als Energiespeicher für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs. Sie bestimmt damit maßgeblich die Leistungsfähigkeit und die Reichweite des Fahrzeugs. Dabei werden die Traktionsbatterien für Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb oder reinem elektrischem Antrieb in einem Hochleistungs- oder Hochenergiebereich betrieben. Infolge dessen können insbesondere in einem Innenbereich der Batterie je nach Umgebungs- und Betriebsbedingungen sehr hohe Temperaturen entstehen. Speziell bei Batterien, die auf der Lithium-Ionen-Technologie basieren, ist jedoch der Betrieb nur in einem bestimmten engen Temperaturbereich zulässig, um die Sicherheit des Systems sowie eine vorgegebene Lebensdauer zu gewährleisten. Außerdem ist eine möglichst homogene Temperaturverteilung erforderlich. So wird z.B. bei Lithium-Ionen-Batterien eine geringe Temperaturdifferenz von weniger als 4 K angestrebt. Des Weiteren soll bei Lithium-Ionen-Batterien die Temperatur nicht höher als 60°C liegen.
In Kraftfahrzeugen eingesetzte Batterien weisen aus Gründen des Volumennutzwertes oftmals eine prismatische Form auf. Alternativ können jedoch auch zylindrisch geformte Batterien oder sogenannte Pouch-Zellen (Batterien mit flexiblem Foliengehäuse) verwendet werden. Im Inneren des Gehäuses befindet sich wenigstens ein flach gepresster Wickel, der aus einer Aluminiumfolie, einer Kupferfolie, sowie zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien gerollt wird. Dabei sind die Aluminiumfolie und die Kupferfolie mit reaktiven Kathoden- und Anodenstoffen beschichtet. Das Akkugehäuse wird nach Einbringen des Wickels und vor dem druckdichten Verschluss mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt.
Bei bekannten Batterieanordnungen wird die Kühlung/Beheizung der Batterie nur von außen durchgeführt. Die größten Temperaturänderungen der Batterie entstehen jedoch in einem Kern der Batteriezelle, wo sich die metallischen Ableiter der Elektroden zum positiven und/oder negativen Pol befinden. Dies führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung und zu einem trägen Verhalten bei erzwungenen Temperaturänderungen.
Aus der WO 2010/060856 ist ein Batteriemodul bekannt, das ein Gehäuse und wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Batterie umfasst. Außerdem umfasst das Batteriemodul wenigstens ein Mittel zum Temperieren der wenigstens einen Batterie, wobei das Mittel außerhalb der wenigstens einen Batterie angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Batteriezelle mit wenigstens einem Zellwickel bereit, der zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden mit zwei elektrischen Anschlüssen gekoppelt sind, wobei in einem Innenbereich der Batteriezelle zumindest ein wärmeleitendes Element angeordnet ist, das vollständig in dem Zellwickel integriert ist und das dazu ausgebildet ist, eine im Wesentlichen homogene Wärmeverteilung anzunehmen.
Vorteile der Erfindung
Durch das im Innenbereich der Batteriezelle angeordnete wärmeleitende Element wird eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle ermöglicht. Insbesondere können ausgeprägte Stellen innerhalb der Batteriezelle, die eine besonders hohe Temperatur aufweisen (sogenannte Hot-Spots), durch das wärmeleitende Element wirksam verhindert werden. Infolgedessen kann auch eine mit den Hot-Spots verbundene Schädigung der Batterie vermieden werden. Die Lebensdauer der Batteriezelle wird verlängert.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Batteriezelle sehr einfach hergestellt werden, da beispielsweise das wärmeleitende Element lediglich mit einem Zelllagenverbund (der den Zellwickel bildet) umwickelt werden kann. Der Zellwickel kann alternativ auch durch einen gestapelten Zelllagenverbund gebildet werden. Dabei befindet sich das wärmeleitende Element zwischen den Lagen des Zellstapels. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird der Zelllagenverbund in alternierender Richtung gefaltet (Zick-Zack-Form), wobei das wärmeleitende Element in einen dadurch entstehenden Falz integriert wird.
Außerhalb der Batteriezelle angeordnete Pumpen zur Kühlung/Heizung der Batteriezelle werden nicht benötigt. Daher ist die erfindungsgemäße Batteriezelle ein sehr wartungsarmes und energiesparendes System.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das wärmeleitende Element von den Elektroden des Zellwickels umgeben.
Da die Erwärmung des Zellwickels insbesondere im Bereich der Elektroden entsteht, kann mit dieser Anordnung sehr effektiv eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung in der Batteriezelle erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wärmeleitende Element von den Elektroden des Zellwickels elektrisch isoliert.
Das wärmeleitende Element stellt eine separate Funktionseinheit der Batteriezelle dar und ist als solches bevorzugt elektrisch von den Elektroden isoliert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das wärmeleitende Element in einem Zentrum des Zellwickels angeordnet.
In dem Zentrum des Zellwickels wird die Batteriezelle während des Betriebs sehr stark erwärmt. Da das wärmeleitende Element in dieser Ausführungsform im Zentrum des Zellwickels angeordnet ist, können die Temperaturspitzen direkt dort abgefangen werden, wo diese entstehen. Dies führt einerseits zu einer verzögerten Alterung der Batterie und damit zu einer längeren Lebensdauer und andererseits zu einer erhöhten Sicherheit, da die sogenannten Hot-Spots innerhalb der Zelle vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wärmeleitende Element zumindest teilweise mit einem Wärmeträger gefüllt.
Der Wärmeträger unterstützt durch eine gute Wärmeleitfähigkeit die Homogenität der Zelltemperatur. Der Wärmeträger transportiert beispielsweise Wärme von Stellen innerhalb des Zellwickels mit einer höheren Temperatur zu den Stellen mit einer niedrigeren Temperatur. Der Wirkungsgrad des wärmeleitenden Elements wird somit erhöht.
Dabei sollte der Wärmeträger eine große Verdampfungsenthalpie, eine große Wärmeleitfähigkeit und/oder eine niedrige Viskosität aufweisen. Als Wärmeträger können beispielsweise Ammoniak, Freone, Wasser oder Wasser-Glykolmischungen eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmeträger eine Verdampfungstemperatur zwischen +15°C und +40°C auf.
Über die Verdampfungstemperatur des Wärmeträgers wird der wesentliche Arbeitsbereich des wärmeleitenden Elements festgelegt. Beispielsweise kann der Wärmeträger so gewählt werden, dass der Wärmeträger an den stark erwärmten Stellen des Zellwickels verdampft und der verdampfte Wärmeträger an den kälteren Stellen des Zellwickels kondensiert. Damit findet innerhalb des wärmeleitenden Elements ein sehr effektiver Wärmeaustausch statt. Daraus wiederum resultiert eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das wärmeleitende Element ein Wärmerohr, ein metallisches Rohr oder ein Kunststoffrohr.
Da das metallische Rohr und insbesondere das Wärmerohr einen niedrigen Wärmewiderstand aufweisen, kann ein sehr guter Temperaturausgleich und damit eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle erreicht werden. Die Batteriezelle kann in dieser Ausführungsform sehr einfach und ohne bewegte mechanische Teile temperiert werden. Insbesondere kann damit beispielsweise auf eine Fördereinrichtung, z.B. eine Pumpe, zum Umwälzen des Wärmeträgers verzichtet werden. Infolgedessen kann auch das Gewicht der gesamten Batterieanordnung reduziert werden. Da auf eine externe Heiz/Kühleinrichtung verzichtet werden kann, ist eine Batterie, die aus der erfindungsgemäßen Batteriezelle aufgebaut ist, außerdem sehr wartungsarm und energiesparend.
Alternativ kann das wärmeleitende Element auch durch ein Kunststoffrohr realisiert werden, wobei zur Herstellung des Kunststoffrohrs ein wärmeleitender Kunststoff verwendet wird. Dadurch kann das Gewicht der Batteriezelle nochmals reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Innenwandung des Wärmerohrs eine Kapillarstruktur auf.
Wird beispielsweise ein erstes Ende des Wärmerohrs stärker erwärmt als ein zweites Ende des Wärmerohrs, so verdampft an dem ersten Ende des Wärmerohrs der Wärmeträger aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt anschließend zu dem zweiten, kälteren Ende des Rohres, wo der Dampf in den Kapillaren kondensiert. Durch die Saugwirkung der Kapillarstruktur wird das Kondensat schließlich zum Ort der Verdampfung, d.h. zum ersten Ende des Wärmerohrs, zurückgeleitet. Der Flüssigkeitstransport erfolgt dabei ohne mechanisch bewegte Teile. Daher ist das Wärmerohr im Wesentlichen verschleiß- und wartungsfrei. Aufgrund der Kapillarstruktur kann das Kondensat außerdem im schwerelosen Raum oder auch gegen die Schwerkraft gefördert werden. Damit kann die Batteriezelle beispielsweise ohne Rücksicht auf eine geodätische Ausrichtung in einem Kraftfahrzeug verbaut werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in dem Innenbereich der Batteriezelle und außerhalb des Zellwickels ein weiteres wärmeleitendes Element angeordnet.
Durch diese Maßnahme kann die Wärme innerhalb der Batteriezelle noch homogener verteilt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit das weitere wärmeleitende Element an einen Heiz-/Kühlkanal anzuschließen, um damit Wärme in die Batteriezelle einzuleiten oder aus der Batteriezelle herauszuführen. Bei prismatischen Batteriezellen kann das weitere wärmeleitende Element beispielsweise in einer der Ecken des Zellgehäuses angeordnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batteriezelle ein Zellgehäuse auf, das eine prismatische oder zylindrische Form aufweist oder als flexibles Foliengehäuse ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung eines wärmeleitenden Elements innerhalb der Batteriezelle ist unabhängig von der Ausführung des Zellgehäuses. Daher kann beispielsweise ein zylindrisch oder prismatisch geformtes Zellgehäuse verwendet werden. Außerdem kann das Zellgehäuse auch als flexibles Foliengehäuse (sogenannte) Pouch-Zelle ausgeführt sein, bei dem der Zellwickel in einem Folienverbund eingepackt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Batteriezelle mehrere Zellwickel auf, wobei in dem Innenbereich wenigstens einer der Zellwickel das zumindest eine wärmeleitende Element angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist in dieser Ausführungsform mehrere Zellwickel auf. Dabei kann jeder der Zellwickel wenigstens ein wärmeleitendes Element aufweisen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit nur einzelne Zellwickel mit dem wärmeleitenden Element zu versehen. So kann das wärmeleitende Element beispielsweise nur in einem in einer Batteriezellenmitte angeordneten Zellwickel integriert sein. Alternativ kann auch jeder zweite Zellwickel mit wenigstens einem Zellwickel versehen sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Form eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem wärmeleitenden Element;
2 zeigt in schematischer Form eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellwickels mit mehreren wärmeleitenden Elementen;
3 zeigt in schematischer Form eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellwickels mit mehreren wärmeleitenden Elementen;
4 zeigt in schematischer Form eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
5 zeigt in schematischer Form eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
6 zeigt in schematischer Form eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
7 zeigt in schematischer Form den Aufbau eines Wärmerohres;
8 zeigt in schematischer Form verschiedene Ausführungsformen einer Kapillarstruktur des Wärmerohres;
9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der spezifischen Leistungsgrößen verschiedener Wärmeträger, die in dem Wärmerohr eingesetzt werden können; und
10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturbereiche der verschiedenen Wärmeträger.
Ausführungsformen der Erfindung
Batterien für Anwendungen im Hochleistungs- oder Hochenergiebereich, insbesondere im Fall von Traktionsbatterien für Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb oder reinem elektrischen Antrieb, erfordern eine Möglichkeit zum Temperieren der Batteriezelle. Vor allem Batterien, die auf der Lithium-Ionen-Technologie beruhen, dürfen nur in einem bestimmten engen Temperaturbereich betrieben werden, um die Sicherheit des Gesamtsystems sowie eine vorgegebene Lebensdauer der Batteriezelle gewährleisten zu können.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als zylindrische Zelle ausgebildet und weist ein Zellgehäuse 12 und einen Zellwickel 14 auf.
Dabei ist das Zellgehäuse 12 in der 1 ohne Deckel dargestellt. Der Zellwickel 14 weist beispielsweise eine Aluminiumfolie, eine Kupferfolie sowie zwei als Diaphragmen dienende Kunststofffolien auf und wird aus diesen zu einem Wickel gerollt. Dabei sind die Aluminiumfolie und die Kupferfolie mit reaktiven Kathoden- und Anodenstoffen beschichtet und bilden somit die in 1 nicht näher bezeichneten Elektroden der Batteriezelle 10. Des Weiteren weist die Batteriezelle 10 zwei elektrische Anschlüsse 16 auf, die mit den Elektroden des Zellwickels 14 elektrisch gekoppelt sind. Dabei ist in 1 nur der elektrische Anschluss 16 zu einem positiven Pol der Batteriezelle 10 dargestellt.
Außerdem weist die Batteriezelle 10 erfindungsgemäß ein wärmeleitendes Element 18, im vorliegenden Beispiel ein Wärmerohr 18, auf, das vollständig in dem Zellwickel 14 integriert ist. Die Batteriezelle 10 kann sehr einfach hergestellt werden, da der Zelllagenverbund des Zellwickels 14 lediglich um das Wärmerohr 18 gewickelt wird. In dieser Anordnung befindet sich das Wärmerohr 18 in einem Zentrum des Zellwickels 14 und ist damit ebenfalls von den Elektroden des Zellwickels 14 umgeben. Darüber hinaus ist das Wärmerohr 18 zylindrisch ausgeführt, um eine möglichst effiziente Temperaturübertragung von dem Zellwickel 14 auf das Wärmerohr 18 sicherzustellen. Aufgrund der zentralen Anordnung des Wärmerohrs 18 können Temperaturspitzen direkt dort abgefangen werden, wo diese entstehen. Dies wiederum führt zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle 10. Außerdem wird mit Hilfe des Wärmerohrs 18 die Homogenität der Zelltemperatur innerhalb der Batteriezelle 10 verbessert. Einzelne Stellen innerhalb der Batteriezelle 10, die eine überproportional hohe Temperatur aufweisen (sogenannte Hot-Spots), können somit verhindert werden. Infolgedessen wird die Schädigung der Batteriezelle 10 verringert und die Sicherheit erhöht.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform des Zellwickels 14 dargestellt. Der Zellwickel 14 wird in diesem Beispiel in Form eines Zellstapels ausgeführt, der durch den Zelllagenverbund gebildet ist. Das wärmeleitende Element 18 (z.B. das Wärmerohr 18) ist hier zwischen den Lagen des Zellstapels angeordnet. Des Weiteren können auch mehrere wärmeleitende Elemente 18 in dem Zellstapel integriert sein.
3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Zellwickels 14. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Zelllagenverbund in alternierender Richtung gefaltet (Zick-Zack-Form), wobei das wärmeleitende Element 18 in einen dadurch entstehenden Falz integriert ist. Dabei können auch mehrere wärmeleitende Elemente 18 in den gefalteten Zelllagenverbund eingebracht werden. So kann beispielsweise in jedem zweiten Falz des Zelllagenverbunds ein wärmeleitendes Element 18 angeordnet sein. Alternativ kann auch in jedem Falz des Zelllagenverbunds ein wäremleitendes Element 18 integriert werden (siehe gestricheltes Element 18 in 3).
In 4 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 gezeigt. Dabei basiert die Batteriezelle 10 aus 4 auf demselben erfinderischen Prinzip wie die Batteriezelle 10 aus 1. Daher sollen lediglich die Unterschiede erläutert werden. Die Batteriezelle 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein prismatisch ausgeformtes Zellgehäuse 12 auf. Im Inneren des Zellgehäuses 12 befindet sich wiederum der Zellwickel 14, der in seiner Formgebung an das prismatische Zellgehäuse 12 angepasst ist. Außerdem sind zwei elektrische Anschlüsse 16 gezeigt, wobei einer der Anschlüsse 16 den positiven Pol und der andere der Anschlüsse 16 den negativen Pol der Batteriezelle 10 bildet.
Darüber hinaus weist die Batteriezelle 10 zwei zylindrische Wärmerohre 18 auf, die jeweils in einer Umgebung der elektrischen Anschlüsse 16 angeordnet sind. Dabei sind die Wärmerohre 18 wiederum vollständig in dem Zellwickel 14 integriert. Durch die Anordnung der Wärmerohre 18 in der Umgebung der elektrischen Anschlüsse 16 können Temperaturspitzen innerhalb des Zellwickels 14 effektiv verhindert werden, da insbesondere im Bereich der elektrischen Anschlüsse 16 hohe Temperaturen zu erwarten sind. Somit kann die Alterung der Batteriezelle 10 verzögert werden.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Die Batterie 10 aus 5 basiert auf demselben erfinderischen Prinzip wie die in 1 und 4 gezeigten Batteriezellen 10. Daher sollen im Folgenden nur die Unterschiede im Vergleich zu 4 erläutert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Batteriezelle 10 lediglich ein Wärmerohr 18 auf, wobei die Querschnittsform des Wärmerohrs 18 in vorteilhafter Weise dem freien Bereich innerhalb des Zellwickels 14 angepasst wurde. Aus diesem Grund ist das Wärmerohr 18 in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Flachrohres ausgebildet. Durch den größeren Innenquerschnitt des Wärmerohrs 18 kann die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle 10 noch effektiver homogenisiert werden. Bevorzugt wird das Wärmerohr 18 in seiner Form beliebig an die räumlichen und wärmetechnischen Anforderungen der Batteriezelle 10 angepasst.
In einer alternativen Ausführungsform kann die in 5 beschriebene Batteriezelle 10 auch einen Zellwickel 14 in Form eines Zellstapels (siehe 2) oder eines gefalteten Zelllagenverbunds (siehe 3) aufweisen.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Die Batterie 10 aus 6 basiert auf demselben erfinderischen Prinzip wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Batteriezelle 10. Daher sollen im Folgenden nur die Unterschiede im Vergleich zu 4 erläutert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Batteriezelle 10 weitere wärmeleitende Elemente 18 auf, die beispielsweise in den Ecken des prismatisch geformten Zellgehäuses 12 angeordnet sind. Dadurch kann die Wärme innerhalb der Batteriezelle 10 noch effektiver verteilt werden. Außerdem können die weiteren wärmeleitenden Elemente 18 an den Ecken des Zellgehäuses 12 platz- und kostensparend integriert werden.
Falls die Batteriezelle 10 in einer alternativen Ausführungsform mehrere Zellwickel 14 aufweist, kann über die weiteren wärmeleitenden Elemente 18, die zwischen den Zellwickeln 14 angeordnet sind, die Wärme besser an die benachbart angeordneten Zellwickel 14 verteilt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Batteriezelle 10 können die weiteren wärmeleitenden Elemente 18 auch mit einem außerhalb der Batteriezelle 10 angeordneten Heiz-/Kühlkanal verbunden sein, um Wärme in die Batteriezelle 10 einzuführen oder aus der Batteriezelle 10 herauszuleiten.
Im Folgenden soll kurz das Wirkprinzip des Wärmerohrs 18 erläutert werden. Dazu ist in 7 in schematischer Form der Aufbau des Wärmerohrs 18 gezeigt.
Das Wärmerohr 18 weist eine Wand 20 auf, wobei auf einer Innenseite der Wand 20 eine Kapillarstruktur 22 ausgebildet ist. Dabei ist die Kapillarstruktur 22 mit einem flüssigen Wärmeträger gesättigt. Des Weiteren weist das Wärmerohr 18 einen Verdampfungsbereich 24 und einen Kondensationsbereich 26 auf.
Wird nun im Verdampfungsbereich 24 Wärme zugeführt (siehe Pfeile 28 in 7), so verdampft dort der Wärmeträger aus der Kapillarstruktur 22 (siehe Pfeile 30 in 7). Der verdampfte Wärmeträger strömt anschließend zum kälteren Ende des Wärmerohres 18 (Kondensationsbereich 26), wo der Wärmeträger in der Kapillarstruktur 22 kondensiert (siehe Pfeile 32 aus 7). Durch den Kondensationsvorgang wird von dem Wärmerohr 18 im Kondensationsbereich 26 Wärme in die Umgebung abgegeben (siehe Pfeile 34 aus 7). Durch die Saugwirkung der Kapillarstruktur 22 wird der kondensierte Wärmeträger wieder in den Verdampfungsbereich 24 zurückgeleitet. Damit steht der Wärmeträger in dem Verdampfungsbereich 24 für eine erneute abwärmebedingte Verdampfung zur Verfügung. Zwischen dem Verdampfungsbereich 24 und dem Kondensationsbereich 26 befindet sich im Allgemeinen eine adiabate Transportzone.
Mittels des Wärmerohrs 18 wird Verdampfungsenthalpie von dem Ort der Verdampfung (Verdampfungsbereich 24) an den Ort der Kondensation (Kondensationsbereich 26) übertragen. Somit kann mit Hilfe des Wärmerohrs 18 die Homogenität der Temperaturverteilung in einem Außenbereich des Wärmerohrs 18 verbessert werden. Infolge des zugrundeliegenden Wirkprinzips des Wärmerohrs 18 wird schon bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem Verdampfungsbereich 24 und dem Kondensationsbereich 26 ein großes Wärmetransportvermögen erreicht. Außerdem erfolgt der Transport des Wärmeträgers innerhalb des Wärmerohrs 18 ohne mechanisch bewegte Teile. Das Wärmerohr 18 ist daher verschleiß- und wartungsfrei. Darüber hinaus ermöglicht das Wärmerohr 18 eine kompakte und leichte Bauweise der Batteriezelle 10. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn die Batteriezelle 10 z.B. in einem Elektrofahrzeug zum Einsatz kommt. Somit kann durch das eingesparte Gewicht beispielsweise die Reichweite des Elektrofahrzeugs vergrößert werden.
8 zeigt in schematischer Form verschiedene Ausführungsformen der Kapillarstruktur 22. Die Kapillarstruktur 22 trägt zur Verbesserung des Rückfließens des kondensierten Wärmeträgers an der Innenwand des Wärmerohrs 18 bei. Aufgrund der Kapillarstruktur 22 funktioniert der Rückfluss des kondensierten Wärmeträgers von dem Kondensationsbereich 26 zu dem Verdampfungsbereich 24 auch dann, wenn der Kondensationsbereich 26 geodätisch gesehen nicht oben liegt. Damit kann die erfindungsgemäße Batteriezelle 10, die mit wenigstens einem Wärmerohr 18 ausgestattet ist, unabhängig von der geodätischen Ausrichtung in einem Fahrzeug verbaut werden. Dies führt zu einer erhöhten Flexibilität bei der Anordnung der Batteriezellen 10 in einem Fahrzeug.
Darüber hinaus führt die Kapillarstruktur 22 im Verdampfungsbereich 24 und im Kondensationsbereich 26 zu einer Vergrößerung der Verdampfungs- bzw. Kondensationsfläche. Dies ist darin begründet, dass beispielsweise der eigentliche Vorgang der Verdampfung nur in einem eng begrenzten Bereich mit bestimmter Fluidfilmschichtdicke und einer bestimmten Krümmung der Fluidoberfläche stattfindet.
Aufgrund der Kapillarstruktur 22 kann der kondensierte Wärmeträger sogar im schwerelosen Raum oder auch gegen die Schwerkraft gefördert werden.
Der in dem Wärmerohr 18 eingesetzte Wärmeträger sollte eine große Verdampfungsenthalpie, eine große Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Viskosität, eine große Oberflächenspannung, weder extrem niedrige, noch extrem hohe Dampfdrücke sowie eine gute Benetzungsfähigkeit aufweisen. Einige dieser Eigenschaften sind in einer spezifischen Leistungsgröße M zusammengefasst:
Dabei bezeichnet σ die Oberflächenspannung, h_v die Verdampfungsenthalpie und ν₁ die kinematische Viskosität.
In 9 sind die spezifischen Leistungsgrößen M verschiedener Fluide/Wärmeträger über der Temperatur T aufgetragen. Dabei sollte der Wärmeträger so ausgewählt werden, dass die entsprechende Größe M in dem anwendungsspezifischen Temperaturbereich möglichst groß ist. Dazu sind in 10 geeignete Wärmeträger für verschiedene Temperaturbereiche zusammengefasst.
Bei der Wahl der Werkstoffe für die Wand 20 und die Kapillarstruktur 22 ist außer einer hohen Wärmeleitfähigkeit auf die Verträglichkeit mit dem Wärmeträger zu achten. Ansonsten können Korrosion, Gasbildung oder mangelhafte Benetzung zu Betriebsstörungen oder -ausfällen führen.
Obgleich somit bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 gezeigt worden sind, versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann in der Batteriezelle 10 eine beliebige Anzahl von Wärmerohren 18 integriert werden.
Außerdem kann statt dem Wärmerohr 18 auch ein metallisches Rohr oder ein Kunststoffrohr aus wärmeleitendem Kunststoff als wärmeleitendes Element 18 eingesetzt werden. Dabei kann das metallische Rohr oder das Kunststoffrohr zumindest teilweise mit einem Wärmeträger/Kühlmittel gefüllt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/060856 [0006]

Claims

Batteriezelle (10) mit wenigstens einem Zellwickel (14), der zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden aufweist, wobei die Elektroden mit zwei elektrischen Anschlüssen (16) gekoppelt sind, wobei in einem Innenbereich der Batteriezelle (10) zumindest ein wärmeleitendes Element (18) angeordnet ist, das vollständig in dem Zellwickel (14) integriert ist und das dazu ausgebildet ist, eine im Wesentlichen homogene Wärmeverteilung anzunehmen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Element (18) von den Elektroden des Zellwickels (14) umgeben ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wärmeleitende Element (18) von den Elektroden des Zellwickels (14) elektrisch isoliert ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das wärmeleitende Element (18) in einem Zentrum des Zellwickels (14) angeordnet ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das wärmeleitende Element (18) zumindest teilweise mit einem Wärmeträger gefüllt ist.
Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei der Wärmeträger eine Verdampfungstemperatur zwischen +15°C und +40°C aufweist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das wärmeleitende Element (18) ein Wärmerohr (18), ein metallisches Rohr oder ein Kunststoffrohr ist.
Batteriezelle nach Anspruch 7, wobei eine Innenwandung des Wärmerohrs (18) eine Kapillarstruktur (22) aufweist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Innenbereich der Batteriezelle (10) und außerhalb des Zellwickels (14) ein weiteres wärmeleitendes Element (18) angeordnet ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Batteriezelle (10) ein Zellgehäuse (12) aufweist, das eine prismatische oder zylindrische Form aufweist oder als flexibles Foliengehäuse ausgeführt ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Batteriezelle (10) mehrere Zellwickel aufweist, wobei in dem Innenbereich wenigstens einer der Zellwickel (14) das zumindest eine wärmeleitende Element (18) angeordnet ist.