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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung und ein Fahrzeug mit einer Batterieanordnung.
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Die
CN 211 295 207 U zeigt eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einem Phasenwechselelement.
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Die
WO 2019 / 231 202 A1 zeigt eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie.
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Die
US 2020 / 038 810 A1 zeigt eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und aufgeschäumten Zwischenelementen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Batterieanordnung und ein neues Fahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Eine Batterieanordnung weist mindestens ein Batteriemodul mit einem Batteriemodulgehäuse, Batteriezellen, einem Kältemittel und Kapillaranordnungen auf, welches Batteriemodulgehäuse einen Batteriemodulinnenraum definiert, in welchem Batteriemodulinnenraum die Batteriezellen, das Kältemittel und die Kapillaranordnungen angeordnet sind, welche Kapillaranordnungen ein erstes Material aufweisen, zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, einen Fluidfluss des Kältemittels zu ermöglichen, welches Batteriemodulgehäuse eine erste Wand und eine zweite Wand aufweist, welche erste Wand zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen angeordnet ist, welche zweite Wand zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen angeordnet ist, welche Batteriezellen zumindest teilweise auf mindestens einer der benachbarten Kapillaranordnung zugewandten Batteriezellenseite eine Schicht aus einem ersten Werkstoff aufweisen, welcher erste Werkstoff Aramide aufweist. Aramide haben eine hohe Festigkeit und können einen lokalen Druck großflächig verteilen. Hierdurch kann die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezellen durch auftretenden Differenzdruck verringert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Werkstoff Aramidfasern auf. Aramidfasern sind gut zur Verteilung einer lokal einwirkenden Kraft auf eine Fläche geeignet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Werkstoff p-Aramidfasern und/oder p-Aramid-Copolymer-Fasern auf. Diese Fasern haben sich als besonders stabil und geeignet erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Werkstoff
- - Kevlar,
- - Twaron, oder
- - Technora
auf. Diese am Markt erhältlichen Aramide sind sehr gut als Schicht geeignet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Batteriezellen mit dem ersten Werkstoff beschichtet. Dies ergibt einen guten Verbund zwischen der Batteriezelle und dem ersten Werkstoff, und ein Verrutschen des ersten Werkstoffs wird verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material zumindest bereichsweise offenporig ausgebildet, oder es weist offene Kanäle auf. Die offenporige Ausbildung oder die offenen Kanäle ermöglichen einen guten Transport des Kältemittels innerhalb der Kapillaranordnung
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material zumindest bereichsweise offenporös ausgebildet. Die offenporöse Ausbildung ermöglicht einen guten Transport des Kältemittels innerhalb der Kapillaranordnung und ggf. einen Übergang des Kältemittels in Fluidkanäle.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Batterieanordnung mindestens ein Kühlelement auf, welches mindestens eine Kühlelement dazu eingerichtet ist,
- - die erste Wand,
- - die zweite Wand, oder
- - die erste Wand und die zweite Wand
zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen. Die erste Wand und/oder zweite Wand können hierdurch als effektive Kondensationsflächen wirken. Die erste Wand ist vorteilhaft, da das verdampfte Kältemittel durch die geringe Dichte nach oben transportiert wird und nach der Kondensation direkt im oberen Bereich und auch im unteren Bereich die Batteriezellen kühlen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C niedriger ist als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen. Das Kältemittel arbeitet besonders effektiv, wenn es zwischen dem flüssigen und gasförmigen Zustand hin und her wechselt, und dieser Wechsel wird durch den niedrigen Druck begünstigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar liegt, bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar, und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar. Dies ermöglicht einen Wechsel des Aggregatzustands des Kältemittels bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein erster Fluidkanal zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse ausgebildet, über welchen ersten Fluidkanal der Batteriemodulinnenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen ersten Fluidkanal zu ermöglichen. Insbesondere das flüssige Kältemittel kann hierdurch gut in den unteren Bereich gelangen, und es steht zur Kühlung zur Verfügung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kapillaranordnungen zumindest teilweise einen zweiten Fluidkanal auf, über welchen zweiten Fluidkanal der Batteriemodulinnenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand in Fluidverbindung steht, um einen Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen zweiten Fluidkanal zu ermöglichen. Durch die zweiten Fluidkanäle kann das nach Aufnahme der Wärmeenergie verdampfte Kältemittel schnell aus der Kapillaranordnung und aus dem Bereich der Batteriezellen entweichen. Hierdurch wird auch die Kapillarwirkung der Kapillaranordnungen erhöht. Der Kapillareffekt wirkt hauptsächlich im flüssigen Zustand des Kältemittels.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Batteriezellen und der zweiten Wand zumindest bereichsweise ein Hohlraum vorgesehen, um in diesem Hohlraum eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs zu ermöglichen. Zum einen wird hierdurch eine gute Kühlung auch im unteren Bereich ermöglicht, und zum anderen kann das Kältemittel von den Kapillaranordnungen aufgenommen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material ausgewählt aus einer Materialgruppe bestehend aus:
- - Metallschaum,
- - Titanschwamm, und
- - Metallwolle.
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Die genannten ersten Materialien ermöglichen einen sehr guten kapillaren Transport des Kältemittels und damit eine gute Kühlleistung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Material Metallschaum auf, welcher Metallschaum Nickel, Kupfer oder Eisen enthält, insbesondere Edelstahl. Metallschaum ist gut industriell herstellbar und ermöglicht einen guten kapillaren Transport. Nickel, Kupfer oder Eisen, insbesondere Edelstahl, ermöglichen eine stabile Struktur und eine gute Herstellung des Metallschaums.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Metallschaum als anisotroper Metallschaum mit Poren ausgebildet, welche Poren zumindest bereichsweise in mindestens eine erste Richtung parallel zu den Batteriezellen gedehnt sind relativ zu einer zweiten Richtung senkrecht zu den Batteriezellen. Hierdurch kann das Kältemittel gut zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand fließen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Material Titanschwamm auf, welcher Titanschwamm aus Titanschwammpulver gesintert ist. Titan ist zwar ein teurer Werkstoff, es ist aber als Titanschwammpulver vergleichsweise günstig erhältlich. Zudem ist Titan bei hoher Festigkeit relativ leicht. Gesinterter Titanschwamm ergibt eine vorteilhafte poröse Struktur.
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Ein Fahrzeug weist eine solche Batterieanordnung und einen Elektromotor auf. Ein solches Fahrzeug ermöglicht eine gute Kühlung der Batterieanordnung und damit eine hohe Leistung und eine große Reichweite.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend 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 vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Batterieanordnung,
- 2 in einem Querschnitt entlang der Linie II - II von 1 eine erste Ausführungsform einer Kapillaranordnung von 1,
- 3 in einem Querschnitt entlang der Linie II - II von 1 eine zweite Ausführungsform einer Kapillaranordnung von 1, und
- 4 ein Fahrzeug mit der Batterieanordnung von 1.
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Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Batterieanordnung 20, welche mindestens ein Batteriemodul 30 mit einem Batteriemodulgehäuse 70, Batteriezellen 36, ein Kältemittel 60 und Kapillaranordnungen 40 aufweist.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 definiert einen Batteriemodulinnenraum 34, in welchem Batteriemodulinnenraum 34 die Batteriezellen 36, das Kältemittel 60 und die Kapillaranordnungen 40 angeordnet sind.
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Die Kapillaranordnungen 40 sind zumindest teilweise zumindest abschnittsweise zwischen den Batteriezellen 36 angeordnet und dazu eingerichtet, einen Fluidfluss des Kältemittels 60 zu ermöglichen.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 weist eine erste obere Wand 71 und eine zweite untere Wand 72 auf. Die erste Wand 71 ist zumindest abschnittsweise oberhalb der Batteriezellen 36 angeordnet, und die zweite Wand 72 ist zumindest abschnittsweise unterhalb der Batteriezellen 36 angeordnet.
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Die Batterieanordnung 20 weist ein oberes Kühlelement 51 und ein unteres Kühlelement 52 auf, und die Kühlelemente 51, 52 sind dazu eingerichtet, die erste Wand 71 und/oder die zweite Wand 72 zumindest abschnittsweise zu kühlen, um dort eine Kondensation des Kältemittels 60 zu ermöglichen. Es ist auch möglich, bspw. nur das obere Kühlelement 51 oder nur das untere Kühlelement 52 vorzusehen, oder aber in kalten Regionen eine Kühlung direkt durch das Batteriemodulgehäuse 70 zu bewirken. Die Kühlelemente 51, 52 haben im Ausführungsbeispiel Kanäle 54, durch welche ein Kühlmittel fließen kann, um die Wärme abzutransportieren. Die Kühlelemente 51, 52 sind im Ausführungsbeispiel als Kühlplatten ausgebildet.
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Zwischen den Batteriezellen 36 und dem Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt mindestens ein erster Fluidkanal 43 ausgebildet, und über den ersten Fluidkanal 43 steht der Batteriemodulinnenraum 34 zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 in Fluidverbindung. Hierdurch wird ein Kältemittelfluss durch diesen mindestens einen ersten Fluidkanal 43 ermöglicht.
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Im unteren Bereich ist zwischen den Batteriezellen 36 und der zweiten Wand 72 bevorzugt zumindest bereichsweise ein Hohlraum 75 vorgesehen, um in diesem Hohlraum 75 eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel 60 und die Ausbildung eines Kältemittelsumpfs zu ermöglichen.
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Das Kältemittel 60 kann als Fluid sowohl flüssig als auch gasförmig sein, und durch Aufnahme von Wärmeenergie kann es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Hierdurch kann eine vergleichsweise große Wärmeenergie aufgenommen und abtransportiert werden. Im Ausführungsbeispiel ist das Batteriemodulgehäuse 70 quaderförmig ausgebildet, und es weist neben der ersten Wand 71 und zweiten Wand 72 eine linke dritte Wand 73 und eine rechte vierte Wand 74 sowie - nicht dargestellte - vordere und hintere Wände auf. Es sind auch andere Grundformen des Batteriemodulgehäuses 70 möglich, beispielsweise eine Zylinderform oder Kugelform.
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Das Batteriemodulgehäuse 70 bewirkt bevorzugt, dass das Kältemittel 60 im normalen Betrieb nicht oder nur gering aus dem Batteriemodulgehäuse 70 entweichen kann. Im Betrieb entsteht an den Batteriezellen 36 Wärme, und das flüssige Kältemittel 60 kann diese Wärme aufnehmen und dabei verdampfen. Hierdurch kann das Kältemittel 60 eine große Menge Wärmeenergie aufnehmen. Das verdampfte Kältemittel 60 steigt bspw. nach oben in Richtung zur ersten Wand 71 und wird dort gekühlt. Durch die Abkühlung kondensiert das Kältemittel 60 und kann über die Fluidkanäle 43 nach unten fließen. Im unteren Bereich des Batteriemodulgehäuses 70 kann sich das Kältemittel 60 ansammeln und einen Kältemittelsumpf ausbilden, wobei die Batteriezellen 36 bevorzugt bei 20 °C zumindest teilweise im Kältemittelsumpf stehen. Die Kapillaranordnungen 40, die zumindest teilweise zwischen den Batteriezellen 36 angeordnet sind, ermöglichen durch die Kapillarwirkung ein Ansteigen des Kältemittels 60 im Batteriemodulgehäuse 70. Hierdurch kann flüssiges Kältemittel 60 großflächig im Bereich zwischen den Batteriezellen 36 bereitgestellt werden und dort Wärmeenergie aufnehmen. Dies erhöht die Kühlleistung der Batterieanordnung 20.
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Die Batteriezellen 36 haben zumindest teilweise auf mindestens einer der benachbarten Kapillaranordnung 40 zugewandten Seite eine Schicht 61 aus einem ersten Werkstoff, welcher erste Werkstoff Aramide aufweist. Im Ausführungsbeispiel hat die linke Batteriezelle 36 auf der linken Seite keine Schicht 61, da in diesem Bereich keine benachbarte Kapillaranordnung 40 vorgesehen ist. Alternativ kann dort auch eine Schicht 61 vorgesehen werden. Die anderen Batteriezellen 36 haben auf beiden Seiten die Schicht 61. Die Schicht 61 kann auch auf allen sechs Seiten der Batteriezellen 36 vorgesehen sein.
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2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine der Kapillaranordnungen 40 und schematisch angedeutet zwei Batteriezellen 36 mit den Schichten 61. Im Ausführungsbeispiel weist die Kapillaranordnung 40 Bereiche mit einem ersten Material 41 auf, welches kapillare Eigenschaften hat. Zusätzlich sind bevorzugt Fluidkanäle 42 vorgesehen, über welche das Kältemittel 60 im gasförmigen Zustand schnell aus der Kapillaranordnung 40 entweichen kann.
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Das Kältemittel 60 wird also durch das erste Material 41 mit den kapillaren Eigenschaften im flüssigen Zustand nach oben transportiert, und nach der Aufnahme von Wärme und dem Übergang des Kältemittels 60 in den gasförmigen Zustand kann dieses über die Fluidkanäle 42 schnell und ohne großen fluidtechnischen Widerstand nach oben oder unten entweichen. Im Ausführungsbeispiel sind immer abwechselnd ein Bereich mit dem ersten Material 41 und der Kapillarwirkung und ein Fluidkanal 42 vorgesehen.
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Der erste Werkstoff der ersten Schichten 61 weist bevorzugt Aramidfasern auf. Fasern ermöglichen eine gute Druckverteilung.
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Bevorzugt weist der ersten Werkstoff p-Aramidfasern auf. p-Aramidfasern sind hochfeste Synthesefasern mit hoher Temperaturbeständigkeit. Diese Fasern können insbesondere unter der Bezeichnung Kevlar von der Fa. DuPont oder in Lizenz von DuPont oder unter der Bezeichnung Twaron von der Fa. Teijin Aramid oder in Lizenz von Teijin Aramid bezogen werden, und diese Produkte eignen sich gut für die Schichten 61.
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Bevorzugt weist der ersten Werkstoff p-Aramid-Copolymer-Fasern auf. p-Aramid-Copolymer-Fasern sind hochfeste Synthesefasern mit hoher Temperaturbeständigkeit. Diese Fasern können insbesondere unter der Bezeichnung Technora von der Fa. Teijin Aramid oder in Lizenz von Teijin Aramid bezogen werden, und Technora eignet sich gut für die Schichten 61.
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Bei der Verdampfung des Kühlmittels 60 können lokal große Drücke entstehen, die zu einer Beschädigung der Batteriezellen 36 führen können. Durch das Vorsehen der Schichten 61 mit dem hochfesten Aramid-Werkstoff können die lokal auftretenden Druckunterschiede großflächig verteilt werden, und die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezellen 36 wird verringert. Hierdurch wird die Sicherheit der Batterieanordnung erhöht.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kapillaranordnung 40, welche eine erste Schicht 81 mit einem ersten Material 41A und eine zweite Schicht 82 mit einem ersten Material 41 B aufweist, wobei zwischen den Schichten 81, 82 mit dem ersten Material 41A und 41 B eine Gitterstruktur 44 vorgesehen ist, welche die Fluidkanäle 42 ausbildet. Hierdurch kann das flüssige Kältemittel 60 großflächig in den Bereich der Batteriezellen 36 gelangen, und nach einer Verdampfung kann es durch die inneren Fluidkanäle 42 entweichen.
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Bevorzugt stehen die erste Wand 71 und die zweite Wand 72 über die Fluidkanäle 42 in Fluidverbindung, ein Fluid kann also von der ersten Wand 71 zur zweiten Wand 72 gelangen und hierbei zumindest abschnittsweise durch die Fluidkanäle 42 fließen.
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Der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse 70 ist bevorzugt bei 20 °C niedriger als 1,0 bar, um die Verdampfungstemperatur des Kältemittels 60 gegenüber einem absoluten Druck von 1,0 bar zu erniedrigen. Der absolute Druck von 1,0 bar entspricht näherungsweise einem Normaldruck im Außenbereich.
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Der absolute Druck im Batteriemodulgehäuse 70 liegt bevorzugt bei 20 °C zwischen 0,1 bar und 0,8 bar, weiter bevorzugt zwischen 0,2 bar und 0,6 bar und besonders bevorzugt zwischen 0,3 bar und 0,5 bar. Hierdurch wird eine niedrige Verdampfungstemperatur ermöglicht.
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Das erste Material 41 mit den Kapillareigenschaften ist bevorzugt aus der Materialgruppe bestehend aus:
- - Metallschaum,
- - Titanschwamm, und
- - Metallwolle.
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Dies sind Materialien mit kleinen Strukturen und damit einer guten Kapillarwirkung. Die Strukturen können bspw. Breiten im Bereich von 10 nm bis zu wenigen mm aufweisen. Es sind aber auch mikroporöse Strukturen mit einer Breite von weniger als 2 nm möglich. Die genannten Metallstrukturen haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise stabil sind und durch das Metall eine gute Wärmeleitung möglich ist. Die Stabilität ist bspw. vorteilhaft, wenn die Batteriezellen 36 gegeneinander verpresst sind, wie dies bspw. bei Pouch-Batteriezellen üblich ist.
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Das erste Material 41 ist bevorzugt zumindest bereichsweise offenporig bzw. offenporös ausgebildet, um einen guten Fluss des Kältemittels 60 zu ermöglichen.
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Metallschäume sind bspw. aus den Metallen Nickel, Kupfer, Eisen und/oder aus Metalllegierungen wie Edelstahl erhältlich. Sie weisen eine gute Kapillarwirkung auf und können bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen verwendet werden.
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Bevorzugt wird ein anisotroper Metallschaum verwendet, dessen Poren in mindestens eine Richtung zumindest teilweise eine höhere Ausdehnung haben als in eine andere Richtung. Bevorzugt werden die gedehnten Poren derart positioniert, dass sich die gedehnten Poren in eine Richtung zwischen der ersten Wand 71 und der zweiten Wand 72 erstrecken. Geeignete Metalle bzw. Metalllegierungen sind bspw. Nickel, Nickellegierungen und Edelstahl. Anisotroper Metallschaum ermöglicht eine höhere Kühlleistung durch einen größeren Massenstrom des Kältemittels 60 bei gleichem Bauraum.
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Offenporöse Metallschäume können beispielsweise mittels Schmelzeinfiltration von Platzhalterstrukturen erzeugt werden. Die Platzhalterstrukturen werden nach der Erstarrung der Metallschmelze aus der Schaumstruktur entfernt. Als Platzhalterstrukturen werden beispielsweise Salzgranulate, Polymerplatzhalter oder Sandgranulate genutzt. Alternativ können die Metallschäume durch einen Sintervorgang erzeugt werden.
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Titanschwamm ist eine Struktur, welche Titan oder eine Titanlegierung aufweist. Titanschwamm kann bspw. aus Titanschwammpulver durch einen Sintervorgang hergestellt werden. Titanschwammpulver ist als Abfallprodukt unterschiedlicher Fertigungsprozesse erhältlich. Titanschwamm ermöglicht einen großen Massenstrom des Kältemittels 60. Eingesetzt werden kann Titanschwamm bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen.
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Titanschwamm kann beispielsweise durch den Kroll-Prozess hergestellt werden. Hierbei wird Titantetrachlorid mit Magnesium zu metallischem Titan reduziert. Magnesium und Magnesiumchlorid werden entfernt.
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Metallwolle wird in der Technik vielfältig eingesetzt. Es weist ebenfalls eine gute Kapillarstruktur auf und ermöglicht eine hohe Kühlleistung durch Förderung des Kältemittels 60 zwischen den Batteriezellen 36. Eingesetzt werden kann Metallwolle bspw. für Pouch-, Rund- oder Prisma-Batteriezellen, und durch die gute Verformbarkeit kann es auch an kurvige Strukturen angepasst werden, wie diese bspw. bei liegenden oder stehenden Rund-Batteriezellen auftreten.
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4 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer solchen Batterieanordnung 20, welche schematisch über eine elektrische Leitung 12 mit einem Elektromotor 14 verbunden ist. Bei Fahrzeugen 10 ist die Batterieanordnung 20 besonders vorteilhaft, weil sie eine gute Kühlwirkung und damit auch eine gute Reichweite des Fahrzeugs 10 ermöglicht.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 211295207 U [0002]
- WO 2019/231202 A1 [0003]
- US 2020/038810 A1 [0004]
