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Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung.
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Aus der
US 2016 0104925 A1 ist bereits eine Batterievorrichtung mit einer Batterie, die wenigstens ein Batteriegehäuse und eine in dem Batteriegehäuse angeordnete Batteriezelle aufweist, und mit wenigstens einer Notfallkühleinheit die zur Notfallkühlung der wenigstens einen Batteriezelle vorgesehen ist, und dazu wenigstens ein auf wenigstens einer Batteriezellenoberfläche der wenigstens einen Batteriezelle angeordnete Transportschicht, die dazu vorgesehen ist, zumindest unter Ausnutzung des Kapillareffekts ein Kühlmittel, insbesondere an eine überhitzte Stelle der wenigstens einen Batteriezelle, zu fördern, bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine besonders gute Kühlwirkung für eine Batterie bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Batterievorrichtung mit einer Batterie, die wenigstens ein Batteriegehäuse und eine in dem Batteriegehäuse angeordnete Batteriezelle aufweist, und mit wenigstens einer Notfallkühleinheit die zur Notfallkühlung der wenigstens einen Batteriezelle vorgesehen ist, und dazu wenigstens ein auf wenigstens einer Batteriezellenoberfläche der wenigstens einen Batteriezelle angeordnete Transportschicht, die dazu vorgesehen ist, zumindest unter Ausnutzung des Kapillareffekts ein Kühlmittel, insbesondere an eine überhitzte Stelle der wenigstens einen Batteriezelle, zu fördern, und einen mit der Transportschicht gekoppelten, in dem Batteriegehäuse angeordneten Vorratsbehälter aufweist, in dem das Kühlmittel gelagert ist, vorgeschlagen. Unter einer Batterie soll beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder eine Niedervoltbatterie verstanden werden. Unter einer Batteriezelle soll insbesondere eine Zelle zur Aufnahme, Speicherung und/oder Abgabe von elektrischer Leistung verstanden werden, welche vorzugsweise zwei Hüllbleche, einen die Hüllbleche verbindenden Rahmen aufweist, sowie einen von den Hüllblechen und dem Rahmen umgebenen elektrochemischen Teil aufweist. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als bipolaren Rahmenflachzelle ausgebildet. Unter einer bipolaren Rahmenflachzelle soll dabei insbesondere eine Ausgestaltung der Batteriezelle verstanden werden, bei der die Hüllbleche zur elektrischen Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen sind und der Rahmen die zumindest zwei Hüllbleche elektrisch gegeneinander isoliert. Es ist aber auch denkbar, dass die Batteriezelle ein anders ausgestaltetes Zellgehäuse aufweist. Unter einem Zellengehäuse soll insbesondere ein Gehäuse der Batteriezelle verstanden werden, das einen gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen Innenraum aufspannt, der zur Aufnahme des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen ist. Unter einer Notfallkühleinheit soll dabei insbesondere eine Kühleinheit verstanden werden, die in einem Notfall, insbesondere in einem Überhitzungsfall, einer Batteriezelle dazu vorgesehen ist diese Batteriezelle zu Kühlen, um auf diese Weisae insbesondere ein Überhitzen weiterer Batteriezellen, eine sogenannte Thermal Propagation, zu verhindern. Unter Ausnutzung des Kapillareffekts soll dabei insbesondere verstanden werden, dass ein Transport des Kühlmittels durch die Transportschicht aufgrund eines Kapillareffekts, und/oder einer Thermosiphonströmung zustande kommt. Unter einem Kühlmittel soll dabei insbesondere ein Fluid, vorzugsweise eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit, wie beispielsweise Trafoöl, verstanden werden, dass dazu vorgesehen ist ein Element, wie insbesondere eine Batteriezelle, insbesondere in einem Überhitzungszustand zu Kühlen, wobei das Kühlmittel das zu kühlende Element vorzugsweise zumindest teilweise umspült und/oder an einer zu kühlenden Stelle verdampft. Unter einer Transportschicht soll dabei insbesondere eine Schicht verstanden werden, die durch ihre Beschaffenheit dazu vorgesehen ist, ein Fluid, wie insbesondere ein Kühlmittel zu transportieren. Die Transportschicht kann beispielsweise aus einem Material gebildet werden, das poröse Strukturen aufweist oder einem Material, das geprägte feste Strukturen aufweist, beispielsweise innen liegende Strömungskanäle. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Kühlsystem für eine Batterie bereitgestellt werden, das insbesondere vorteilhaft den Kapillareffekt für einen vorteilhaften Kühlmittelfluss zu einer erhitzten Stelle einer Batteriezelle aufweist, wobei durch den integrierten Vorratsbehälter vorteilhaft ein kontinuierliches Nachfließen des Kühlmittels erreicht werden kann.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Notfallkühleinheit eine Rücklaufleitung von der Transportschicht in den Vorratsbehälter aufweist. Unter einer „Rücklaufleitung” soll dabei insbesondere eine Leitung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, dass durch sie das Kühlmittel aus der Transportschicht zurück in den Vorratsbehälter fließen kann. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Kühlmittelfluss erreicht werden, wodurch die wenigstens eine Batteriezelle besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass die Notfallkühleinheit wenigstens ein Ventil aufweist, das den Vorratsbehälter mit einer Umgebung außerhalb des Batteriegehäuses koppelt. Dadurch kann ein Kühlmittel in zumindest einem Betriebszustand besonders vorteilhaft aus einem Inneren des Batteriegehäuses austreten und dadurch eine besonders vorteilhafte Batterievorrichtung erreicht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Batterievorrichtung umfasst eine Batterie 10a. Die Batterie 10a weist ein Batteriegehäuse 11a auf. Das Batteriegehäuse spannt einen Innenraum 17a auf. Die Batterie 10a umfasst eine Batteriezelle 12a. Die Batterie 10a umfasst weitere Batteriezellen, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt sind. Die Batteriezellen 12a sind in dem Innenraum 17a des Batteriegehäuses 11a der Batterie 10a angeordnet. Die weiteren in der 1 nicht näher dargestellten Batteriezellen der Batterie 10a sind dabei im Wesentlichen gleich ausgebildet wie die dargestellte Batteriezelle 12a. Die weiteren Batteriezellen sind in dem Batteriegehäuse der Batteriezelle 12a benachbart angeordnet, wobei die Batteriezellen 12a auf eine dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannte Weise elektrisch miteinander verschaltet sind. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die gezeigte Batteriezelle 12a die einzige Batteriezelle 12a der Batterie 10a ist.
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Die Batterievorrichtung weist eine Notfallkühleinheit 13a für die Batteriezellen 12a der Batterie 10a auf. Die Notfallkühleinheit 13a ist dazu vorgesehen, eine überhitzte Batteriezelle 12a der Batterie 10a in einem Betriebszustand, in dem die Batteriezelle 12a ein thermisches Event aufweist, also überhitzt, insbesondere an einer überhitzten Stelle zu kühlen. Dabei ist die Notfallkühleinheit 13a insbesondere dazu vorgesehen, ein Überhitzen weiterer, in dem Batteriegehäuse 11a angeordneter Batteriezellen 12a der Batterie 10a zu verhindern. Die Notfallkühleinheit 13a weist eine Transportschicht 14a auf. Die Transportschicht 14a ist auf einer Batteriezellenoberfläche 15a der Batteriezelle 12a angebracht. Die Transportschicht 14a erstreckt sich dabei im Wesentlichen über die gesamte Batteriezellenoberfläche 15a und ist über eine Verklebung mit der Batteriezellenoberfläche 15a der Batteriezelle 12a verbunden. Die Transportschicht 14a ist aus einem porösen Material gebildet und weist in ihrem Inneren zumindest teilweise miteinander verbunden Hohlräume auf, durch die ein Fluid strömen kann. Die Notfallkühleinheit 13a weist einen Vorratsbehälter 16a auf. In dem Vorratsbehälter 16a befindet sich ein Kühlmittel 21a der Notfallkühleinheit 13a. Das Kühlmittel 21a ist als ein elektrisch nicht leitendes Fluid ausgebildet. Der Vorratsbehälter 16a ist im Innenraum 17a des Batteriegehäuses 11a angeordnet, beispielsweise in einem oberen Bereich oder an einer oberen Wandung des Batteriegehäuses 11a. Der Vorratsbehälter 16a ist dabei fest in dem Batteriegehäuse 11a befestigt. Die Notfallkühleinheit 13a umfasst eine Leitung 18a, die dazu vorgesehen ist, das Kühlmittel 21a von dem Vorratsbehälter 16a in die Transportschicht 14a zu leiten. Die Leitung 18a ist dazu mit einem ersten Ende an einem Boden des Vorratsbehälters 16a so angebracht, dass aus dem Vorratsbehälter 16a das Kühlmittel 21a in die Leitung 18a strömen kann. Mit einem zweiten Ende ist die Leitung 18a an einem unteren Ende der Transportschicht 14a angebunden, die an einem unteren Boden des Batteriegehäuses 11a angeordnet ist. Durch die geodätische Höhendifferenz zwischen dem ersten Ende der Leitung an dem Vorratsbehälter 16a und dem unteren Bereich der Transportschicht 14a strömt das Kühlmittel 21a aus dem Vorratsbehälter 16a in die Transportschicht 14a. Durch den Kapillareffekt innerhalb der Transportschicht steigt das Kühlmittel 21a in der Transportschicht 14a nach oben an der Batteriezellenoberfläche 15a entlang. Die Transportschicht 14a erstreckt sich dabei bis auf eine gleiche Höhe wie der Vorratsbehälter 14a, wobei sich der oberste Punkt der Transportschicht vorzugsweise oberhalb einer maximalen Füllhöhe des Vorratsbehälters 14a befindet. Dadurch strömt ein Kühlmittel 21a in einem Normalbetriebszustand oben nicht aus der Transportschicht 14a heraus.
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In einem Betriebszustand in dem die Batteriezelle 11a ein thermisches Event aufweist und sich an einer Stelle überhitzt, verdampft das Kühlmittel 21a in der Transportschicht 14a an der überhitzten Stelle und kühlt diese dadurch. Durch den Kapillareffekt und einer durch das Verdampfen des Kühlmittels 21a entstehende Thermosiphonströmung strömt Kühlmittel 21a aus dem Vorratsbehälter 16a an die überhitze Stelle der Batteriezelle 11a nach und verdampft dort zumindest teilweise. Bei der Überhitzung der Batteriezelle strömt das Kühlmittel 21a auch an der überhitzen Stelle vorbei, kühlt sie dadurch zusätzlich und läuft an dem oberen Ende aus der Transportschicht hinaus.
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In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen. Bei Bauteilen mit gleichem Bezugszeichen kann grundsätzlich auch auf die Zeichnung und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1, verwiesen werden. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in 1 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Batterievorrichtung umfasst eine Batterie 10b. Die Batterie 10b weist ein Batteriegehäuse 11b auf. Das Batteriegehäuse spannt einen Innenraum 17b auf. Die Batterie 10b umfasst eine Batteriezelle 12b. Die Batterie 10b umfasst weitere Batteriezellen, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt sind. Die Batteriezellen 12b sind in dem Innenraum 17b des Batteriegehäuses 11b der Batterie 10b angeordnet. Die weiteren, nicht näher dargestellten Batteriezellen der Batterie 10b sind dabei im Wesentlichen gleich ausgebildet wie die dargestellte Batteriezelle 12b.
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Die Batterievorrichtung weist eine Notfallkühleinheit 13b für die Batteriezellen 12b der Batterie 10b auf. Die Notfallkühleinheit 13b ist dazu vorgesehen, eine überhitzte Batteriezelle 12b der Batterie 10b in einem Betriebszustand, in dem die Batteriezelle 12b ein thermisches Event aufweist, also überhitzt, insbesondere an einer überhitzten Stelle zu kühlen. Die Notfallkühleinheit 13b weist eine Transportschicht 14b auf. Die Transportschicht 14b ist auf einer Batteriezellenoberfläche 15b der Batteriezelle 12b angebracht. Die Transportschicht 14b erstreckt sich dabei im Wesentlichen über die gesamte Batteriezellenoberfläche 15b. Die Transportschicht 14b ist von einer geprägten festen Struktur gebildet. Die Transportschicht 14b weist dabei in ihrem Inneren Strömungskanäle auf, durch die ein Fluid strömen kann.
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Die Notfallkühleinheit 13b weist einen Vorratsbehälter 16b auf. In dem Vorratsbehälter 16b befindet sich ein Kühlmittel 21b der Notfallkühleinheit 13b. Das Kühlmittel 21b ist als ein elektrisch nicht leitendes Fluid ausgebildet. Der Vorratsbehälter 16b ist im Innenraum 17b des Batteriegehäuses 11b angeordnet, beispielsweise in einem oberen Bereich oder an einer oberen Wandung des Batteriegehäuses 11b. Die Notfallkühleinheit 13b umfasst eine Leitung 18b, die dazu vorgesehen ist, das Kühlmittel 21b von dem Vorratsbehälter 16b in die Transportschicht 14b zu leiten. Die Leitung 18b ist dazu mit einem ersten Ende an einem Boden des Vorratsbehälters 16b so angebracht, dass aus dem Vorratsbehälter 16b das Kühlmittel 21b in die Leitung 18b strömen kann. Mit einem zweiten Ende ist die Leitung 18b an einem unteren Ende der Transportschicht 14b angebunden, die an einem unteren Boden des Batteriegehäuses 11b angeordnet ist. Durch die geodätische Höhendifferenz zwischen dem ersten Ende der Leitung an dem Vorratsbehälter 16b und dem unteren Bereich der Transportschicht 14b strömt das Kühlmittel 21b aus dem Vorratsbehälter 16b in die Transportschicht 14b. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Notfallkühleinheit 13b eine Rücklaufleitung 19b auf. Über die Rücklaufleitung 19b kann das Kühlmittel von der Transportschicht 14b zurück in den Vorratsbehälter 16b strömen. Dazu ist die Rücklaufleitung 19b mit einem ersten Ende an einem oberen Ende der Transportschicht 14b angebunden. Mit einem zweiten Ende ist die Rücklaufleitung 19b an den Vorratsbehälter 16b angebunden. Dadurch kann in einem Überhitzungsfall der Batteriezelle aus der Transportschicht 14b ausströmendes Kühlmittel 21b zurück in den Vorratsbehälter 16b gelangen.
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Die Notfallkühleinheit 13b weist ein Ventil 20b auf. Das Ventil 20b koppelt den Vorratsbehälter 16b mit einer Umgebung außerhalb des Batteriegehäuses 11b. Das Ventil 20b ist als ein Rückschlagventil ausgebildet. Durch das Ventil kann ein Druck aus dem Inneren des Vorratsbehälters 16b in eine Umgebung außerhalb des Batteriegehäuses entweichen. Dadurch kann ein zu hoher Druck innerhalb des Vorratsbehälters 16b über das Ventil 20b abgebaut werden.
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In einem Betriebszustand in dem die Batteriezelle 11b ein thermisches Event aufweist und sich an einer Stelle überhitzt, verdampft das Kühlmittel 21b in der Transportschicht 14b an der überhitzten Stelle und kühlt diese dadurch. Durch den Kapillareffekt und einer durch das Verdampfen des Kühlmittels 21b entstehende Thermosiphonströmung strömt Kühlmittel 21b aus dem Vorratsbehälter 16b an die überhitze Stelle der Batteriezelle 11b nach und verdampft dort zumindest teilweise. Das verdampfte Kühlmittel 21b strömt in der Transportschicht 14b weiter in die Rücklaufleitung 19b und von dort in den Vorratsbehälter 16b. Ein durch das Verdampfen des Kühlmittels 21b steigender Druck innerhalb der Notfallkühleinheit 13b, insbesondere innerhalb des Vorratsbehälters 16b entweicht ab einem gewissen Grenzdruck über das Ventil 20b an eine Umgebung außerhalb des Batteriegehäuses 11b.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 11
- Batteriegehäuse
- 12
- Batteriezelle
- 13
- Notfallkühleinheit
- 14
- Transportschicht
- 15
- Batteriezellenoberfläche
- 16
- Vorratsbehälter
- 17
- Innenraum
- 18
- Leitung
- 19
- Rücklaufleitung
- 20
- Ventil
- 21
- Kühlmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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