DE102015219536A1 - Batteriezellenmodul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul (1), wobei das Batteriezellenmodul (1) mindestens eine Batteriezelle (2), ein Gehäuse (4) und mindestens ein Wärmerohr (6) aufweist, das thermisch an die Batteriezelle (2) gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr (6) einen Verdampfer (7) und einen Kondensator (8) aufweist, wobei das Wärmerohr (6) mit dem Kondensator (8) an eine Wärmesenke geführt ist, wobei eine Mittelachse (M) des Wärmerohrs (6) vom Verdampfer (7) zum Kondensator (8) in Längsrichtung (L) keine Krümmung aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul, insbesondere ein Batteriezellenmodul für Elektro- oder Hybridfahrzeuge.
- Batteriezellenmodule werden beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die Batteriezellenmodule weisen dabei üblicherweise eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sein können. Zur Bildung einer Traktionsbatterie können dann auch wieder mehrere Batteriezellenmodule in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein Problem bei derartigen Batteriezellenmodulen ist die große Wärmeentwicklung, wobei sich die erhöhte Temperatur negativ auf das Leistungsvermögen und die Lebensdauer auswirkt.
- Aus der
US 8,231,996 B2 ist ein Batteriezellenmodul bekannt, bei dem die Wärme der Batteriezellen mittels Heatpipes und einer Kühleinrichtung mit einer Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Heatpipes sind eine besondere Art von Wärmerohren, bei der die Rückführung des Mediums durch Kapillareffekte erfolgt, im Gegensatz zu Zwei-Phasen-Thermosiphons, wo dies aufgrund von Gravitation erfolgt. Die Kühleinrichtung ist als Kühlplatte ausgebildet, die ein Gehäuse aufweist, durch das die Kühlflüssigkeit strömen kann. Dabei wird vorgeschlagen, die Elektroden der Batteriezellen bzw. deren elektrische Verbindungselemente thermisch an die Heatpipe zu koppeln, wobei dann der Kondensator der Heatpipe an die Kühleinrichtung geführt wird. Der Kondensator ist dabei um 90° zur Längsrichtung der Heatpipe geknickt bzw. gebogen, um den Kondensator möglichst großflächig mit der Oberseite der Kühlplatte zu verbinden. - Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Batteriezellenmodul zu schaffen, bei dem die Wärmeabfuhr von den Batteriezellen verbessert ist.
- Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Batteriezellenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Das Batteriezellenmodul weist mindestens eine Batteriezelle, ein Gehäuse und mindestens ein Wärmerohr auf, das thermisch an die Batteriezellen gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist. Dabei ist das Wärmerohr mit dem Kondensator an eine Wärmesenke geführt. Dabei weist eine Mittelachse des Wärmerohrs vom Verdampfer zum Kondensator in Längsrichtung keine Krümmung auf, ist also eine Gerade. Die Mittelachse geht dabei durch die Flächenschwerpunkte der Querschnittsflächen des Wärmerohrs in Längsrichtung. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die gekrümmte Anbindung des Kondensators an die Wärmesenke im Stand der Technik der Wirkungsgrad des Wärmerohres sich signifikant verschlechtert, was durch die erfindungsgemäße gerade Anbindung vermieden wird. Das Wärmerohr ist dabei vorzugsweise als Heatpipe ausgebildet. Weiter vorzugsweise umfasst das Batteriezellenmodul eine Vielzahl von Batteriezellen.
- In einer einfachen Ausführungsform ist die Wärmesenke Luft im Gehäuse. Diese Ausführungsform kommt insbesondere zur Anwendung, wenn nur geringe Wärmemengen abgeführt werden müssen, beispielsweise wenn nur eine geringe Anzahl von Batteriezellen vorhanden sind. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können am Kondensator oberflächenvergrößernde Elemente wie Kühlrippen angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ kann eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstromes vorgesehen sein, die einen Luftstrom am Kondensator vorbei erzeugt.
- In einer alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke das Gehäuse, wobei vorzugsweise der Kondensator an die Innenseite des Gehäuses anschlägt oder innerhalb einer Aufnahme des Gehäuses angeordnet ist. Der Vorteil ist, dass diese Ausführungsform keine Durchbrüche im Gehäuse benötigen, die beispielsweise aus Dichtigkeitsgründen nicht erwünscht sind. Die Ausführungsform mit der Aufnahme hat den weiteren Vorteil, dass einerseits das Wärmerohr mechanisch abgestützt wird und andererseits die Verbindungsfläche zwischen Kondensator und Gehäuse vergrößert ist. Des Weiteren kann in der Aufnahme ein thermisches Verbindungsmittel eingebracht werden, um die Wärmekopplung zum Gehäuse zu verbessern.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kühleinrichtung mit dem Gehäuse verbunden. Dabei ist die Anbindung der Kühleinrichtung an das Gehäuse erheblich flexibler und weniger Einschränkungen unterworfen als die Anbindung des Wärmerohres an die Wärmesenke. Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung eine zirkulierende Kühlflüssigkeit auf und ist beispielsweise als Kühlplatte oder Kühlschlauch ausgebildet.
- In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke direkt eine Kühleinrichtung. Mittels dieser Ausführungsform lässt sich am meisten Wärme abführen.
- In einer Ausführungsform weist die Kühleinrichtung eine zirkulierende Kühlflüssigkeit auf, wobei der Kondensator in die Kühlflüssigkeit geführt ist. Dies maximiert die Wärmeabfuhr, wobei jedoch die Anforderungen bezüglich der Dichtigkeit steigen.
- In einer alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke eine Kühleinrichtung, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der Kondensator in einer Aufnahme auf oder in einem Gehäuse der Kühleinrichtung außerhalb der Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Durch diese „trockene“ Anbindung ist die Wärmeabfuhr minimal reduziert als im Vergleich zur „feuchten“ Anbindung, dafür sind die Dichtigkeitsprobleme geringer. Dabei ist die Kühleinrichtung vorzugsweise eine Kühlplatte.
- In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Wärmesenke eine Kühleinrichtung, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die Kühleinrichtung als Kühlschlauch mit einer metallischen Ummantelung ausgebildet ist, wobei der Kondensator mit der Ummantelung vercrimpt ist.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriezellenmodul mindestens zwei Wärmerohre auf, wodurch sich die Wärmeleitung gleichmäßiger gestalten lässt, sodass die Temperaturdifferenz zwischen den Batteriezellen verringert werden kann.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer ersten Ausführungsform, -
2 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer zweiten Ausführungsform, -
3 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenmoduls in einer dritten Ausführungsform, -
4 eine schematische Darstellung eines Betriebszellenmoduls in einer vierten Ausführungsform und -
5 eine schematische Darstellung eines Betriebszellenmoduls in einer fünften Ausführungsform. - In der
1 ist ein Batteriezellenmodul1 dargestellt, das eine Vielzahl von Batteriezellen2 aufweist, wobei exemplarisch nur vier Batteriezellen2 dargestellt sind. Die Batteriezellen2 sind mittels Zellverbinder3 in Reihe geschaltet, die mit Schraffur dargestellt sind. Des Weiteren weist das Batteriezellenmodul1 ein Gehäuse4 auf. Die äußeren Anschlüsse5 der Reihenschaltung der Batteriezellen2 sind aus dem Gehäuse4 geführt und beispielsweise mit weiteren Batteriezellenmodulen verschaltet. Auf den Zellverbindern3 ist ein Wärmerohr6 angeordnet, das einen Verdampfer7 und einen Kondensator8 aufweist, wobei an dem Kondensator8 oberflächenvergrößernde Elemente9 angeordnet sind, die beispielsweise als Kühlrippen ausgebildet sind. Der Kondensator8 ist dabei an die Luft10 als Wärmesenke im Gehäuse4 angekoppelt. Weiter weist das Batteriezellenmodul1 eine Einrichtung11 zur Erzeugung eines Luftstromes12 auf, der an dem Kondensator8 vorbeistreicht. Die Einrichtung11 ist beispielsweise als Lüfter ausgebildet. Schließlich kann das Batteriezellenmodul1 eine Kühleinrichtung13 aufweisen, die als Kühlplatte14 mit Zulauf15 und Ablauf16 für eine Kühlflüssigkeit14a ausgebildet ist. Die Wärme der Batteriezellen2 wird dabei durch Verdampfung eines Mediums im Wärmerohr6 abgeführt, wobei das Wärmerohr durch Kondensation am Kondensator8 die Wärme an die Luft10 abführt. Die erwärmte Luft10 wird dann durch die Einrichtung11 vom Kondensator8 weggeführt und an der Kühleinrichtung16 abgekühlt. Das Wärmerohr6 kann dabei einen beliebigen Querschnitt aufweisen (rund, oval oder D-förmig), weist jedoch in der Mittelachse M in Längsrichtung L keine Krümmung auf, sodass der Wärmetransport nicht gestört wird. Da üblicherweise die Wärmerohre6 aus metallischem Material bestehen (z.B. Kupfer), ist zwischen dem Wärmerohr6 und dem Zellverbinder3 eine nicht dargestellte elektrische Isolationsschicht aufgebracht, die eine gute thermale Leitfähigkeit aufweist, um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Batteriezellen4 zu verbinden. - In der
2 ist eine alternative Ausführungsform eines Batteriezellenmoduls1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der wesentliche Unterschied ist, dass der Kondensator8 an das Gehäuse4 an der Innenseite des Batteriezellenmoduls1 anschlägt, also das Gehäuse4 als Wärmesenke für den Kondensator8 genutzt wird. Die an das Gehäuse4 abgegebene Wärme wird dann insbesondere durch die Kühleinrichtung13 abgeführt. In der dargestellten Ausführungsform sind dabei auch die Verbindungen zu den äußeren Anschlüssen5 thermisch mit dem Wärmerohr6 gekoppelt, was aber auch in der Ausführungsform gemäß1 möglich ist. - In der
3 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, die weitgehend der Ausführungsform gemäß2 entspricht. Der Unterschied ist, dass der Kondensator8 nicht an das Gehäuse4 anschlägt, sondern in einer Aufnahme17 , die beispielsweise als Sackloch ausgebildet ist, angeordnet ist. Auch hier weist das Wärmerohr6 in Längsrichtung L keine Krümmung auf, sondern tritt gerade, d.h. üblicherweise im rechten Winkel, in das Gehäuse4 ein. Ist die Gehäusewand an der Aufnahme17 aber selbst abgeschrägt, so handelt es sich nicht um einen rechten Winkel. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist die bessere thermische Anbindung des Wärmerohrs6 an das Gehäuse4 sowie die zusätzliche mechanische Abstützung des Wärmerohrs6 . - In der
4 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Dabei ist der Kondensator8 des Wärmerohrs6 in eine Aufnahme in der Kühleinrichtung13 geführt. Die Aufnahme der Kühleinrichtung13 liegt dabei außerhalb der Kühlflüssigkeit14a , die erst im Bereich unterhalb der Strichelung fließt. - In der
5 ist schließlich eine Ausführungsform dargestellt, bei der zwei Wärmerohre6 vorgesehen sind, um die Temperaturdifferenz über den Batteriezellen2 zu reduzieren. Die nicht näher dargestellte Anbindung der Kondensatoren8 an eine Wärmesenke kann beispielsweise wie in einem der vorangegangenen Ausführungsformen erfolgen. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 8231996 B2 [0003]
Claims (10)
- Batteriezellenmodul (
1 ), wobei das Batteriezellenmodul (1 ) mindestens eine Batteriezelle (2 ), ein Gehäuse (4 ) und mindestens ein Wärmerohr (6 ) aufweist, das thermisch an die Batteriezelle (2 ) gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr (6 ) einen Verdampfer (7 ) und einen Kondensator (8 ) aufweist, wobei das Wärmerohr (6 ) mit dem Kondensator (8 ) an eine Wärmesenke geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelachse (M) des Wärmerohrs (6 ) vom Verdampfer (7 ) zum Kondensator (8 ) in Längsrichtung (L) keine Krümmung aufweist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke Luft (
10 ) im Gehäuse (4 ), das Gehäuse (4 ) oder eine Kühleinrichtung (13 ) ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke Luft (
10 ) im Gehäuse (4 ) ist, wobei an dem Kondensator (8 ) oberflächenvergrößernde Elemente (9 ) angeordnet sind und/oder eine Einrichtung (11 ) zur Erzeugung eines Luftstromes (12 ) vorgesehen ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke das Gehäuse (
4 ) ist, wobei der Kondensator (8 ) an die Innenseite des Gehäuses (4 ) anschlägt oder innerhalb einer Aufnahme (17 ) des Gehäuses (4 ) angeordnet ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
4 ) mit einer Kühleinrichtung (13 ) verbunden ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (
13 ) eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a ) aufweist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (
13 ) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a ) aufweist, wobei der Kondensator (8 ) in die Kühlflüssigkeit (14a ) geführt ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (
13 ) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a ) aufweist, wobei der Kondensator (8 ) in einer Aufnahme auf oder in einem Gehäuse der Kühleinrichtung (13 ) außerhalb der Kühlflüssigkeit (14a ) angeordnet ist. - Batteriezellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Kühleinrichtung (
13 ) ist, die eine zirkulierende Kühlflüssigkeit (14a ) aufweist, wobei die Kühleinrichtung (13 ) als Kühlschlauch mit einer metallischen Ummantelung ausgebildet ist, wobei der Kondensator (8 ) mit der Ummantelung vercrimpt ist. - Batteriezellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenmodul (
1 ) mindestens zwei Wärmerohre (6 ) aufweist.
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