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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühleinrichtung ein Phasenwechselmaterial aufweist. Zur Erfindung gehören auch eine Batterie mit einer solchen Kühleinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Zur Kühlung von Batteriezellen einer Batterie sind verschiedene Maßnahmen aus dem Stand der Technik bekannt. Oft kommt dabei ein Kühlsystem auf Wasser-Glykol-Basis zum Einsatz. Auch können andere Kühlmittel verwendet werden, die üblicherweise durch ein Kühlkanalsystem strömen, welches in einem Bereich einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, angeordnet ist.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2009 000 952 A1 eine Fahrzeugbatterie mit einem integrierten Latentwärmespeicher mit einem Medium, dessen Phasenübergang zwischen einer festen Phase und einer flüssigen Phase bei zunehmendem Wärmeeintrag nicht kontinuierlich verläuft. Die Latentwärmespeicher befinden sich im Wesentlichen innerhalb des Batteriegehäuses und sind zwischen einzelnen Zellen der Fahrzeugbatterie angeordnet. Weiterhin ist der Latentwärmespeicher derart funktional ausgestaltet, dass der Latentwärmespeicher mittels Wärmeenergie, die von einer oder mehreren anderen Fahrzeugkomponenten, wie zum Beispiel einem Klimakompressor oder einem Motor, bereitgestellt wird, aufgeladen werden kann. Hierdurch soll die Batterie einfacher innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, insbesondere eines optimalen Betriebstemperaturbereichs, gehalten werden, ohne dass eine zusätzliche Wärmeenergiezufuhr von außen notwendig ist.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2010 055 600 A1 eine Vorrichtung zum Kühlen einer aus einer Mehrzahl von Batteriezellen aufgebauten Batterie, welche einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial aufweist. Zusätzlich sind zwischen den einzelnen Batteriezellen Wärmeleitelemente wie beispielsweise Wärmeleitbleche angeordnet, die mit dem Latentwärmespeicher gekoppelt sind.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2008 034 857 A1 eine Vorrichtung zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einer Batterie mit mehreren miteinander verschalteten in einem Gehäuse angeordneten Einzelzellen, wobei das Gehäuse von einem Wärmeleitmedium durchströmt wird und das Wärmeleitmedium innerhalb eines ersten Kühlmittelkreislaufs von einer Pumpeneinheit gefördert wird. Dabei ist der erste Kühlmittelkreislauf über einen Latentwärmespeicher mit einem in diesem angeordneten Phasenübergang-Material an einen zweiten Kühlmittelkreislauf gekoppelt, wobei im Fahrzeugbetrieb bei Erreichen eines ersten Temperaturgrenzwerts des Latentwärmespeichers dieser so lange vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs durchströmt wird, bis der Latentwärmespeicher auf einen vorgebbaren Temperaturwert gekühlt wird. Ein Zuschalten dieses zweiten Kühlmittelkreislaufs ist damit entsprechend erst dann erforderlich, wenn der Temperaturgrenzwert des Latentwärmespeichers überschritten wird, wodurch Energie bei der Kühlung der Batteriezellen gespart werden soll.
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Die bisher bekannten Kühlsystem zum Kühlen von Batterien unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien sind nachteiligerweise sehr aufwendig und erfordern viel zusätzlichen Bauraum, der in Kraftfahrzeugen typischerweise ohnehin sehr knapp ist.
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Darüber hinaus beschreibt die
DE 10 2015 222 713 A1 einen Elektrizitätsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher zwei Stromschienen aufweist, in welchen jeweils eine Kraftstoffleitung verläuft. Zwischen den beiden Stromschienen ist weiterhin ein Kältespeicher zur zeitweiligen Kältespeicherung angeordnet. Durch den Kältespeicher kann für eine bestimmte Zeitspanne der Kühlbetrieb zeitlich vom Kühlungsbedarf entkoppelt werden. Eine Kühlung einer Batterie oder von Batteriezellen kann hierdurch jedoch nicht erfolgen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Batteriezellen einer Batterie, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine möglichst effiziente Kühlung einer Batterie auf möglichst einfache und kompakte Weise bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinrichtung, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung von Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug weist ein Phasenwechselmaterial auf, wobei die Kühleinrichtung als Stromschienenanordnung mit dem Phasenwechselmaterial und einer Stromschiene zum elektrischen Verbinden von Polen der Batteriezellen ausgebildet ist. Dabei ist das Phasenwechselmaterial in oder zumindest mittelbar an der Stromschiene angeordnet und dazu ausgelegt, bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur Wärme zur Durchführung eines zumindest teilweisen Phasenübergangs von der Stromschiene aufzunehmen.
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Die Erfindung beruht dabei auf folgenden Erkenntnissen: Batteriezellen werden üblicherweise an anderen Seiten als der Seite, an der die Pole der Batteriezelle angeordnet sind, gekühlt, da eine großflächige Kühlung einfacher an ebenen Seiten eines Batteriemoduls angeordnet werden kann, als an der Seite der Batteriezelle mit den hervorstehenden Polen. Jedoch gerade die Pole von Batteriezellen stellen Temperaturhotspots dar, an welchen sich Batteriezellen typischerweise am meisten erwärmen. Dies gilt gerade in Situationen, in welchen die Batteriezellen stark beansprucht werden, wie zum Beispiel beim Schnelladen der Batteriezellen. Ein großer Teil der Abwärme in Batteriesystemen entsteht damit an Stromschienen, die die Pole von Batteriezellen miteinander kontaktieren, und den Übergangswiderständen hierzu. Hinzukommt, dass, da solche Stromschienen üblicherweise nicht gekühlt sind, zum Teil große Temperaturgradienten zwischen den Anschlusspolen der Batteriezelle und der gekühlten Seite der Batterieseite entstehen, was sich zusätzlich negativ auf die Lebensdauer der Batteriezelle auswirkt. Eine aktive Kühlung der Stromschienen wäre jedoch sehr bauraum- und kostenintensiv. Durch die Verwendung eines Phasenwechselmaterials dagegen, welches an oder in der Stromschiene angeordnet sein kann, lässt sich nun vorteilhafterweise eine passive Kühlung dieser Stromschiene bereitstellen, wodurch sich die Wärme aus den Zellen und der Stromschiene auf besonders bauraumeffiziente, kompakte und kostengünstige Weise abführen lässt, und eine Kühlung von Batteriezellen genau dort, wo diese am meisten benötigt wird, nämlich an den Polen der Batteriezellen, bereitgestellt werden kann. Herkömmliche aktive Kühlsysteme an anderen Seiten der Batteriezellen können ungehindert dennoch zusätzlich verwendet werden. Damit lässt sich die Kühlungseffizienz insgesamt auf besonders einfache und bauraumeffiziente Weise steigern. Zusätzlich lässt sich hierdurch auch der Temperaturgradient zwischen unterschiedlichen Seiten einer Batteriezelle, insbesondere der Seite mit den Polen und der gegenüberliegenden und durch eine weitere Kühleinrichtung gekühlte Seite der Batteriezelle, deutlich verringern, was sich positiv auf die Lebensdauer der jeweiligen Batteriezellen auswirkt. Insgesamt kann so also eine passive Kühlung von Stromschienen zur Verbindung von Polen von Batteriezellen bereitgestellt werden, die die Effizienz der Kühlung von Batteriezellen auf besonders kostengünstige und vor allem kompakte und bauraumeffiziente Weise steigert.
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Eine Stromschiene stellt dabei eine vorzugsweise starre Schiene aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Kupfer und/oder Aluminium oder einer Metalllegierung, dar. Durch eine solche Stromschiene lassen sich zwei oder auch mehrere Pole mehrerer Batteriezellen miteinander verbinden, um zum Beispiel eine Parallel- und/oder Serienschaltung von Batteriezellen zu realisieren. Entsprechend können solche Stromschienen auch als Zellverbinder oder Modulverbinder bezeichnet werden. Solche Stromschienen können dabei geradlinig verlaufen oder auch angewinkelt ausgeführt sein und im Prinzip jede beliebige Geometrie angepasst an die zu verbindenden Pole und deren Anordnung aufweisen.
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Unter einer mittelbaren Anordnung des Phasenwechselmaterials an der Stromschiene kann beispielsweise verstanden werden, dass das Phasenwechselmaterial in einem Gehäuse angeordnet ist, welches wiederum an der Stromschiene angeordnet ist. Vorzugsweise besteht jedoch ein direkter Kontakt zwischen dem Phasenwechselmaterial und der Stromschiene, was die Kühlungseffizienz steigert.
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Unter Phasenwechselmaterialien sind im Allgemeinen Materialien zu verstehen, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Adsorptionswärme wesentlich größer ist als die thermische Energie, die sie aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität speichern können. Durch das Phasenwechselmaterial ist also ein Latentwärmespeicher bereitgestellt. Bei Phasenwechselmaterialien findet ein Phasenübergang statt, wenn eine bestimmte Phasenwechseltemperatur erreicht beziehungsweise überschritten wird. Der Phasenübergang muss dabei nicht vollständig durch das Phasenwechselmaterial durchgeführt werden, sondern kann beispielsweise, je nach Variation der Umgebungstemperatur, auch nur partiell erfolgen. Ein Beispiel für einen Phasenübergang wäre der Wechsel von einer festen zu einer flüssigen Phase. Das Phasenwechselmaterial verflüssigt sich also bei Überschreiten einer bestimmten Phasenwechseltemperatur zunehmend und kann währenddessen Wärme aufnehmen, die für die Durchführung dieses Phasenübergangs verwendet wird. Wird dann dem Phasenwechselmaterial während des Phasenübergangs keine Wärme mehr zugeführt oder das Phasenwechselmaterial stattdessen gekühlt, bevor dieses vollständig verflüssigt ist, so erfolgt der Phasenübergang nicht vollständig und das Phasenwechselmaterial wird wieder zunehmend fest und geht letztendlich wiederum vollständig in die feste Phase über. Mit anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial so lange Wärmeenergie aufnehmen, bis der Phasenübergang vollständig erfolgt ist, das heißt das Phasenwechselmaterial vollständig von einer ersten Phase in eine zweite Phase übergegangen ist. Kühlt das Phasenwechselmaterial in der zweiten Phase wieder ab, so geht dieses wieder von der zweiten in die erste Phase über, wobei dann entsprechend wieder Wärme frei wird.
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Phasenübergänge können jedoch nicht nur zwischen verschiedenen Aggregatszuständen, wie fest, flüssig und gasförmig stattfinden, sondern auch zwischen verschiedenen festen Zuständen eines Materials, wie dies zum Beispiel bei manchen Metallen der Fall ist. Als Phasenwechselmaterialien können also im Zuge der Erfindung einerseits Materialien zum Einsatz kommen, welche bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer ersten festen Phase zu einer zweiten anderen festen Phase durchführen, sowie auch Phasenwechselmaterialien, die bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase durchführen.
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Bei Erreichen der Phasenwechseltemperatur wird dann vorteilhafterweise die Erwärmung der Stromschiene verzögert, da zusätzliche von den Batteriezellen an die Stromschiene abgegebene Wärme durch das Phasenwechselmaterial zur Durchführung des beschriebenen Phasenübergangs aufgenommen werden kann, wodurch sich die Wärme aus den Zellen und der Stromschiene abführen lässt.
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Phasenwechselmaterialien, die einen Phasenübergang von einer festen zu einer flüssigen Phase durchführen, können dabei deutlich mehr Wärmeenergie aufnehmen, als Phasenwechselmaterialien, die beispielsweise einen Phasenübergang von einer ersten festen Phase zu einer zweiten festen Phase durchführen. Daher stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Phasenwechselmaterial derart ausgebildet ist, dass bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur ein Phasenübergang von einer festen Phase des Phasenwechselmaterials zu einer flüssigen Phase des Phasenwechselmaterial stattfindet. Dadurch kann die passive Kühlung der Stromschiene besonders effizient ausgeführt werden. Denkbar sind nichtsdestoweniger auch Phasenwechselmaterialien, die einen Phasenübergang von einer ersten zu einer zweiten festen Phase ausführen, sowie auch die Verwendung mehrerer verschiedener Phasenwechselmaterialien. Die bestimmte Phasenwechseltemperatur, bei welcher der Phasenübergang von einer ersten zur einer zweiten Phase unter Aufnahme von Wärmeenergie stattfindet, ist dabei materialabhängig. Entsprechend ist es vorteilhaft, ein solches Phasenwechselmaterial zu wählen, welches den Phasenübergang, während welchem es Wärme aufnehmen und speichern kann, in einem Temperaturbereich ausführt, in welchem eine zusätzliche Erwärmung der Stromschiene verzögert werden soll.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Phasenwechselmaterial derart ausgebildet ist, dass die bestimmte Phasenwechseltemperatur zwischen 40 Grad Celsius und 60 Grad Celsius liegt. Damit lässt sich vorteilhafterweise eine zusätzliche Kühlung der Stromschiene und damit der Batteriezellen bereitstellen, wenn die Temperatur der Stromschiene, und entsprechend auch die Temperatur der Batteriezellen ihre optimale Betriebstemperatur überschreiten, die typischerweise unter 40 Grad Celsius liegt.
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Vorzugsweise umfasst das Phasenwechselmaterial ein Paraffin und/oder ein Metall. Besonders bevorzugt, umfasst das Phasenwechselmaterial ein Paraffin, da gerade Paraffine Phasenwechseltemperaturen im oben genannten Temperaturbereich aufweisen und einen Phasenwechsel von einer festen zu einer flüssigen Phase durchführen, was hinsichtlich der Wärmespeicherung besonders effizient ist, wie oben bereits beschrieben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt es dar, wenn das Phasenwechselmaterial in mindestens einem abgeschlossenen Raum innerhalb der Stromschiene angeordnet ist. Dadurch, dass das Phasenwechselmaterial in einem abgeschlossenen Raum angeordnet ist, kann es beim Übergang in die flüssige Phase nicht auslaufen und zuverlässig in diesem abgedichteten Raum gehalten werden. Ist dieser abgeschlossene Raum zusätzlich innerhalb der Stromschiene angeordnet, so kann eine besonders effiziente passive Kühlung der Stromschiene bereitgestellt werden, da das Phasenwechselmaterial somit vom Stromschienenmaterial an allen Seiten umschlossen ist und damit Wärme von allen Seiten der Stromschiene in das Phasenwechselmaterial aufgenommen werden kann. Die Kontaktfläche zwischen Phasenwechselmaterial und Stromschiene, die zur Wärmeüberführung genutzt werden kann, ist damit maximal, was die Kühlung besonders effizient gestaltet. Damit kann das Phasenwechselmaterial zum Beispiel über Kanäle mit beliebigen Geometrien in die Stromschiene integriert werden, wie beispielsweise über Extrusion. Dadurch lässt sich eine Stromschiene mit integriertem Phasenwechselmaterial auch auf besonders einfache und kostengünstige Weise bereitstellen.
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Ist das Phasenwechselmaterial dagegen so ausgebildet, dass dieses bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer ersten festen Phase zu einer zweiten festen Phase durchführt, so ist die Notwendigkeit der Abgeschlossenheit des Raums, in welchem das Phasenwechselmaterial angeordnet ist, nicht gegeben, d.h. das Phasenwechselmaterial kann entsprechend auch in einem nicht abgeschlossenen Raum, zum Beispiel zum Teil innerhalb der Stromschiene oder außerhalb an der Stromschiene, angeordnet sein. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungen, die sich ebenfalls auf einen abgeschlossenen Raum beziehen, können entsprechen ganz analog auch für einen nichtabgeschlossenen Raum unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials, welches bei Überschreiten der bestimmten Phasenwechseltemperatur einen Phasenübergang von einer ersten festen Phase zu einer zweiten festen Phase durchführt, umgesetzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Phasenwechselmaterial in mindestens einem abgeschlossenen Raum innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches eine Seitenwand aufweist, die durch einen Teil der Stromschiene gebildet ist. Mit anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial auf einer Seite der Stromschiene direkt angeordnet sein, und die übrigen Seiten des Phasenwechselmaterials, die nicht an der Stromschiene anliegen, können von einem separaten Gehäuse ummantelt sein, welches ebenfalls die Stromschiene direkt kontaktiert beziehungsweise an diese angebunden ist. Das Phasenwechselmaterial und/oder dieses Gehäuse kann dann an die Stromschiene mittels stoff- oder kraftschlüssiger Verbindung gefügt werden. Auch in diesem Fall ist das Phasenwechselmaterial von allen Seite abgedichtet, das heißt in einem abgeschlossenen Raum, und damit wartungsfrei thermisch mit der zu kühlenden Stromschiene verbunden. Dies ist wieder besonders vorteilhaft, wenn zur Energiespeicherung durch das Phasenwechselmaterial ein fest-flüssig-Phasenübergang genutzt wird. Andernfalls kann das Gehäuse auch entfallen.
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Das Gehäuse kann grundsätzlich aus jedem beliebigen, auch nicht-leitenden oder nicht-metallischen Material sein, ist jedoch vorzugsweise dennoch elektrisch leitfähig beziehungsweise aus einem Metall oder einer Legierung gebildet, da somit dieses Gehäuse zusätzlich zur Stromleitung genutzt werden kann, was den Leitungsquerschnitt vergrößert. Hierdurch lässt sich auch die Stromleitung effizienter gestalten und insbesondere höhere Ströme tragen. Besonders bevorzugt ist das Material des Gehäuses das gleiche wie das Material der Stromschiene, da sich dann auch der gleiche spezifische Leitungswiederstand bei der Stromführung ergibt und zu einer gleichmäßigeren Beanspruchung führt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der mindestens eine abgeschlossene Raum, in welchem das Phasenwechselmaterial angeordnet ist, mindestens über einen Großteil einer Länge und/oder Breite der Stromschiene. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Kühlung der Stromschiene ermöglicht und die Kühlung ist besonders effizient. Das Phasenwechselmaterial kann dabei auch in mehreren abgeschlossenen, voneinander separierten Räumen angeordnet sein. Beispielsweise können mehrere solche abgeschlossenen Räume bereitstellenden Kanäle innerhalb der Stromschiene vorgesehen sein, die jeweils mit einem Phasenwechselmaterial befüllt sind. Diese Kanäle können sich dann zum Beispiel in einer Längserstreckungsrichtung der Stromschiene erstrecken, insbesondere über einen Großteil der Länge der Stromschiene. Dabei kann die Länge der Stromschiene beispielsweise in diejenige Richtung verlaufend definiert sein, in welche sich die Stromschiene von einem Batteriepol zum nächsten Batteriepol erstreckt, die durch die Stromschiene miteinander kontaktiert werden.
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Die Kanäle beziehungsweise im Allgemeinen der mindestens eine abgeschlossene Raum können im Querschnitt jede beliebige Geometrie, wie zum Beispiel kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig, vieleckig, usw., aufweisen. Damit sind vorteilhafterweise zahlreichen Anpassungsmöglichkeiten und Optimierungsmöglichkeiten an unterschiedliche Anwendungen oder Anforderungen gegeben, wie zum Beispiel Anpassungsmöglichkeiten an eine möglichst einfache und kostengünstige Herstellung einer solchen Stromschienenanordnung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Dabei gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung und ihren Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie.
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Die Batterie weist vorzugsweise eine erste Batteriezelle mit zwei ersten Zellpolen und mindestens eine zweite Batteriezelle mit zwei zweiten Zellpolen auf, wobei die Stromschiene zumindest einen der ersten Zellpole mit einem der zweiten Zellpole elektrisch leitend verbindet. Die Stromschiene ist damit also direkt mit den Zellpolen der Batteriezelle gekoppelt, wodurch durch das Phasenwechselmaterial eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen bereitgestellt werden kann.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer als Stromschienenanordnung ausgebildeten Kühleinrichtung mit einer Stromschiene und einem Phasenwechselmaterial in einer Querschnitt senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung der Stromschiene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Stromschienenanordnung aus 1 in einem Querschnitt entlang der Längserstreckungsrichtung der Stromschiene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer als Stromschienenanordnung ausgebildeten Kühleinrichtung mit einer Stromschiene und einem Phasenwechselmaterial in einem Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Stromschiene gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer als Stromschienenanordnung ausgebildeten Kühleinrichtung mit einer Stromschiene und einem Phasenwechselmaterial in einem Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Stromschiene gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, deren Zellpole über Stromschienenanordnungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung miteinander verbunden sind.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Stromschienenanordnung 10 ausgebildeten Kühleinrichtung 12, wobei die Stromschienenanordnung 10 eine Stromschiene 14 und ein Phasenwechselmaterial 16 aufweist, in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung der Stromschiene 14, welche in der hier dargestellten x-Richtung des dargestellten Koordinatensystems verläuft, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Stromschiene 14 ist dabei vorzugsweise aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gebildet. Das Phasenwechselmaterial 16 stellt vorzugsweise ein Paraffin mit einer bestimmten Phasenwechseltemperatur zwischen 40 Grad Celsius und 60 Grad Celsius dar, kann im Allgemeinen aber auch ein anderes Material, wie zum Beispiel ein Metall oder eine Legierung oder einer anderen organischen oder anorganischen Substanz mit geeigneten Phasenübergangseigenschaften darstellen.
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Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial 16 zur Ausführung eines Phasenwechsels von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase ausgebildet, wenn die bestimmte Phasenwechseltemperatur überschritten wird. Wird die Phasenwechseltemperatur dagegen wieder unterschritten, so geht das Phasenwechselmaterial 16 wiederum von der flüssigen Phase in die feste Phase über. Dabei kann sich die Phasenwechseltemperatur, bei deren Erreichen oder Überschreiten der Phasenübergang von der ersten Phase zur zweiten Phase erfolgt, auch von der Phasenwechseltemperatur, bei deren Erreichen oder Unterschreiten der Phasenübergang von der zweiten Phase zur ersten Phase erfolgt, unterscheiden, d.h. es kann auch ein Phasenwechselmaterial mit hysteretischem Phasenübergangsverhalten verwendet werden.
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Beim Übergang von der festen Phase in die flüssige Phase, oder im Allgemeinen von einer ersten zu einer zweiten Phase, ist das Phasenwechselmaterial 16 zur Aufnahme von Wärmeenergie ausgelegt. Dadurch kann vorteilhafterweise die Stromschiene 14 passiv gekühlt werden. Die Stromschiene 14 verbindet darüber hinaus zwei oder mehr als zwei Zellpole von Batteriezellen einer Batterie miteinander, wie dies später näher erläutert wird. Erwärmen sich die einzelnen Batteriezellen und damit auch ihre Zellpole, so erwärmt sich infolgedessen auch die Stromschiene 14. Wird durch diese Erwärmung die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials 16 erreicht, so wird damit vorteilhafterweise eine weitere Erwärmung der Stromschiene verzögert, zumindest so lange, bis der Phasenübergang von der festen zur flüssigen Phase vollständig vollzogen ist. Dadurch kann die Wärme aus den Zellen und der Stromschiene 14 vorteilhafterweise abgeführt werden und der Temperaturgradient in den einzelnen Batteriezellen kann begrenzt und die Lebensdauer dieser Batteriezellen erhöht werden. Gerade temporäre Temperaturspitzen, wie zum Beispiel beim Schnellladen der Batteriezellen, können so besonders gut abgefangen und gepuffert werden. Kühlt das Phasenwechselmaterial 16 nach einer solchen Belastungsphase der Batteriezellen wieder ab, so geht es automatisch wieder in die erste Phase, hier die feste Phase, über und steht zur erneuten Wärmezwischenspeicherung für die nächste Belastungsphase bereit.
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Das Phasenwechselmaterial 16 ist in dem in 1 dargestellten Beispiel direkt in die Stromschiene 14 integriert. Insbesondere befindet sich dabei das Phasenwechselmaterial 16 in mehreren voneinander separierten abgeschlossenen Räumen 18, die sich jeweils als Kanäle über einen Großteil einer Länge L (vergleiche 2) der Stromschiene 14 erstrecken. 2 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Länge L der Stromschiene 14 aus 1. Die jeweiligen Kanäle beziehungsweise abgeschlossenen Räume 18, in welchen das Phasenwechselmaterial 16 angeordnet ist, haben im Querschnitt senkrecht zur Länge L einen kreisförmigen Querschnitt und im Querschnitt entlang der Länge L der Stromschiene 14 betrachtet einen quaderförmigen Querschnitt, wie in 2 dargestellt. Grundsätzlich ist jedoch den geometrischen Ausbildungen solcher Kanäle oder abgeschlossener Räume 18 keine Grenze gesetzt. Die Stromschiene 14 kann dabei Abmessungen senkrecht zu ihrer Länge L, d.h. eine Breite und/oder eine Höhe, aufweisen, die im einstelligen Millimeterbereich bis hin zum niedrigen einstelligen Zentimeterbereich aufweisen, zum Beispiel 1cm x 1 cm. Dies stellt vorteilhafterweise viel Platz bereit, um ein Phasenwechselmaterial 16 einfach in die Stromschiene 14 zu integrieren.
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3 zeigt zum Beispiel eine Stromschiene 14, in welche wiederum ein Phasenwechselmaterial 16 innerhalb abgeschlossener Räume 18 eingebettet ist, welche nunmehr einen ovalen Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Stromschiene 14 aufweisen. Weiterhin kann die Anzahl der Kanäle beziehungsweise abgeschlossenen Räume 18, in welchen das Phasenwechselmaterial 16 angeordnet ist, ebenfalls variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Beispielsweise kann auch lediglich ein einziger Raum vorgesehen sein, wie zum Beispiel in 4 dargestellt.
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4 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer wiederum als Stromschienenanordnung 10 ausgebildeten Kühleinrichtung 12 mit einer Stromschiene 14 und einem Phasenwechselmaterial 16. Das Phasenwechselmaterial 16 ist dabei nicht direkt in die Stromschiene 14 integriert, sondern an einer Seitenwand 14a der Stromschiene 14 angeordnet. Weiterhin ist das Phasenwechselmaterial an den übrigen Seiten, welche nicht direkt an der Seitenwand 14a der Stromschiene 14 anliegen, von einem abgeschlossenen Gehäuse 20 ummantelt. Grundsätzlich kann dieses Gehäuse 20 aus jedem beliebigen Material gebildet sein, ist jedoch ebenfalls vorzugsweise elektrisch leitfähig, und vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung gebildet, da somit dieses Gehäuse 20 ebenfalls zusätzlich zur Stromführung genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Gehäuse 20 aus dem gleichen Material besteht, wie auch die Stromschiene 14.
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Ist das Phasenwechselmaterial 16 direkt in die Stromschiene 14 integriert, wie zum Beispiel zu 1 bis 3 beschrieben, so kann zum Beispiel das Phasenwechselmaterial über Kanäle mit beliebigen Geometrien in die Stromschiene mittels Extrusion integriert werden. Andernfalls, wie in 4 dargestellt, kann das Phasenwechselmaterial 16 sowie das Gehäuse 20 an die Stromschiene 14 mittels stoff- oder kraftschlüssiger Verbindungsmöglichkeiten gefügt werden. Dabei sind ebenfalls beliebige Geometrien möglich. In allen Fällen jedoch ist das Phasenwechselmaterial 16 vorzugsweise von allen Seiten abgedichtet und somit wartungsfrei thermisch mit der zu kühlenden Stromschiene 14 verbunden. Zusätzlich kann bei der gefügten Variante die Wandung, das heißt das Gehäuse 20, zur Stromleitung genutzt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 22, welche mehrere Batterieeinzelzellen 24 aufweist, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Eine jeweilige Batteriezelle 24 weist dabei einen Pluspol 24a sowie einen Minuspol 24b auf. Die Pole 24a, 24b sind nun vorteilhafterweise über Stromschienenanordnungen 10 gemäß Ausführungsbespielen der Erfindung miteinander gekoppelt. In diesem Beispiel weist die Batterie 22 beziehungsweise das dargestellte Batteriemodul sechs Stromschienenanordnungen 10 auf, die zum Beispiel wie zu 1 bis 4 beschrieben ausgebildet sein können. Weiterhin sind hier exemplarisch je zwei Batteriezellen 24 in einer Parallelschaltung angeordnet und die jeweiligen Parallelschaltungen zueinander seriell geschaltet. Grundsätzlich lassen sich durch solche Stromschienen 14 beziehungsweise Stromschienenanordnungen 10 beliebige Verschaltungen aus Parallel- und Serienschaltungen der Batteriezellen 24 realisieren, sowie beispielsweise auch reine Parallelschaltungen der Batteriezellen 24 und reine serielle Schaltungen der Batteriezellen 24.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Stromschiene mit Phasenwechselmaterial zur passiven Kühlung der Stromschiene und von dieser kontaktierter Batteriezellen bereitgestellt werden kann, die durch die Applikation des Phasenwechselmaterials in oder an der Stromschiene eine besonders effiziente, kostengünstige und bauraumsparende Kühlung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000952 A1 [0003]
- DE 102010055600 A1 [0004]
- DE 102008034857 A1 [0005]
- DE 102015222713 A1 [0007]