BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere für ein Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebe- nen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul für ein Kraft- fahrzeug, umfassend mehrerer solcher Batteriezellen sowie ein Kraftfahr- zeug mit einem solchen Batteriemodul.

Batteriezellen, welche beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, können sich sowohl beim Entladen als auch beim Laden mitunter stark erhit- zen. Eine effiziente Kühlung von Batteriezellen ist im Hinblick auf die Leis- tungsaufnahme und Leistungsabgabe sowie im Hinblick auf die Lebensdauer entscheidend. Verschiedenste Prinzipien zur Kühlung von Batteriemodulen beziehungsweise Batteriezellen sind an sich schon bekannt. So zeigt bei- spielsweise Die DE 10 2013 218 527 A1 einen Akku für ein Werkzeug, der einen Zellblock aus mehreren Batteriezellen aufweist. Außenseitig an den Batteriezellen sind jeweiligen Wärmeableitelemente vorgesehen, mittels welchen in den Batteriezellen entstehende Wärme abgeleitet werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher Batteriezellen besonders effektiv gekühlt werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle, insbesondere für ein Batte- riemodul eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angege- ben. Die erfindungsgemäße Batteriezelle, insbesondere für ein Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs, umfasset ein Zellgehäuse, in welchem zumindest zwei durch einen Separator getrennte Elektroden angeordnet sind. Um eine be- sonders effektive Kühlung der Batteriezelle zu ermöglichen, ist es erfin- dungsgemäß vorgesehen, dass im Zellgehäuse wenigstens ein Wärmerohr zum Abführen von Wärme von der Batteriezelle angeordnet ist.

Die der Batteriezelle kann es sich beispielsweise um eine Batteriezelle han- deln, bei welcher die Elektroden in einen Elektrolyt eingetaucht sind. Es ist auch möglich, dass es sich um eine Festkörperbatteriezelle handelt, also um eine Zelle eines Festkörperakkumulators, auch Feststoffbatterie gekannt, bei der die Elektroden und auch der Elektrolyt aus einem festen Material beste- hen.

Bei einem Wärmerohr handelt es sich um eine Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wär- mestromdichte erlaubt. Das heißt, auf kleiner Querschnittsfläche können große Wärmemengen transportiert werden. Es wird zwischen zwei Baufor- men von Wärmerohren unterschieden, der Fleatpipe und dem Zwei-Phasen- Thermosiphon. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das wenigs- tens eine Wärmerohr eine Fleatpipe ist. Fleatpipes nutzen das Dochtprinzip, um kondensiertes Fluid zurück zu einem Verdampfer der Fleatpipe zu führen. Der Prozess ist dadurch Lageunabhängig und Fleatpipes arbeiten daher auch unter Schwerelosigkeit. Sie neigen, im Vergleich zu Thermosiphons, kaum zum Austrocknen, da der Flüssigkeitsstrom durch die Kapillare maß- geblich verbessert wird, was zu einem höheren übertragbaren Wärmestrom führt. Die Kapillarstruktur sorgt außerdem dafür, dass, anders als beim Thermosiphon, die Wärme überall und über eine beliebige Flöhe zugeführt werden kann.

Dadurch, dass das wenigstens eine Wärmerohr zum Abführen von Wärme von der Batteriezelle im Zellgehäuse angeordnet ist, kann im Zellgehäuse entstehende Wärme besonders gut abgeführt werden. Sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batteriezelle kann dadurch besonders effektiv entstehende Wärme von der Batteriezelle weggeführt beziehungsweise weggeleitet werden. Bei der Batteriezelle kann es sich grundsätzlich um beliebige Batteriezellen handeln. So kann es sich bei der Batteriezelle beispielsweise um eine Rund- zelle oder beispielsweise auch um eine prismatische Zelle handeln. Auch kann es sich bei der Batteriezelle um eine Pouch-Zelle handeln. Bei Pouch- Zellen werden die Elektroden und gegebenenfalls weiteren Komponenten der Batteriezelle von eine flexiblen, meist auf Aluminiumbasis bestehenden Außenfolie eingeschlossen. Unterschiedlichste Zelltechnologien können auch zur Anwendung kommen, wobei es sich bei der Batteriezelle beispiels weise um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln kann. Durch die erfindungsge- mäße Integration des wenigstens einen Wärmerohrs ins Innere des Zellge- häuses der Batteriezelle kann in der Batteriezelle entstehende Wärme also besonders gut abgeführt werden. Dies begünstigt die Leistungsabgabe und auch Leistungsaufnahme der Batteriezelle sowie deren Lebensdauer.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das wenigs- tens eine Wärmerohr unter Vermittlung eines elektrischen Isolators mit dem Zellgehäuse verbunden ist. So kann das Wärmerohr aufgenommene Wärme unter Vermittlung des elektrischen Isolators direkt ans Zellgehäuse der Batte- riezelle abgeben. Das Zellgehäuse ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt und leitet dadurch Wärme besonders gut. Der elektrische Isolator sorgt zudem dafür, dass das Zellgehäuse jederzeit zuverlässig elektrisch isoliert ist, also mittels des Wärmerohrs kein Strom auf das Zellgehäuse übertragen werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Isolator ein keramischer Werkstoff, insbesondere mit eingebette- ten Metalloxidpartikeln, ist. So kann der elektrische Isolator zum einen, wie es der Name schon sagt, für eine zuverlässige elektrische Isolierung sorgen und zum anderen auch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit bereitstellen. Beispielsweise können in den porösen keramischen Werkstoff Alumini- umoxid-Partikel integriert sein, welche die Wärmeleitfähigkeit des elektri- schen Isolators begünstigen. Unter Vermittlung des elektrischen Isolators kann so besonders gut Wärme vom Zellinneren nach außen abgeführt wer- den.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Wärmerohr eine Heatpipe ist. Dadurch ist es schwerkraftunabhängig möglich, in der Heatpipe vorhandenes kondensiertes Fluid zurück zu einem Verdampfer der Heatpipe zu führen. Die Wärmeleitung mittels der Heatpipe ist dadurch lageunabhängig, sodass das als Heatpipe ausgebildete Wärmerohr in beliebigen Lagen innerhalb der Batteriezelle angeordnet werden kann.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Elektroden mit jeweiligen Stromsammlern verbunden sind, welche in jeweiligen Polen der Batteriezellen münden, wobei an zumindest einem der Stromsammler das wenigstens eine Wärmerohr angeordnet ist. Bei den Stromsammlern handelte es sich um so genannte Terminals, welche mit den jeweiligen Elektroden, also wenigstens einer Kathode und wenigstens einer Anode, der Batteriezelle verbunden sind, um den Strom zu sammeln und an die jeweiligen Pole der Batteriezellen weiterzuleiten. Beim Laden und Entla- den der Batteriezelle kommt es insbesondere auch an den Polen der Batte- riezellen zu einer erheblichen Hitzeentwicklung. Eine direkte Kühlung an den Polen der Batteriezelle wäre thermodynamisch also besonders günstig, um die Batteriezelle zu kühlen. Problematisch hierbei ist allerdings, dass ein gewisses Potential an den Polen der Batteriezellen anliegt. Dadurch, dass die Elektroden mit jeweiligen Stromsammlern verbunden sind, welche in den jeweiligen Polen der Batteriezellen münden, wobei an zumindest einem der Stromsammler das wenigstens eine Wärmerohr angeordnet ist, kann eine indirekte Polkühlung erfolgen. An den Stromsammlern beziehungsweise Terminals ist besonders bevorzugt jeweils ein Wärmerohr, besonders bevor- zugt in Form einer Heatpipe, angeordnet. So kann in der Batteriezelle ent- stehende Wärme besonders gut abgeführt werden. Genauso ist es auch möglich, eine indirekte Polkühlung vorzunehmen, um an den Polen der Bat- teriezellen entstehende Wärme besonders gut abzuführen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass au- ßenseitig am Zellgehäuse zumindest mittelbar wenigstens ein weiteres Wärmerohr angeordnet ist, beispielsweise wiederum in Form einer Heatpipe, welches wärmeleitend mit einem elektronischen Bauteil, insbesondere eines Zellmodulcontrollers, verbindbar ist. So ist es möglich, über das weitere Wärmerohr, welches zumindest mittelbar außenseitig am Zellgehäuse ange- ordnet ist, überschüssige Wärme von elektronischen Bauteilen, beispielswei- se eines Zellmodulcontrollers, über das Zellgehäuse und das Wärmerohr besonders effizient wegzuleiten. Hotspots, beispielsweise an einem Zellmo- dulcontroller, können so ebenfalls thermodynamisch entschärft werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens ein weitere Wärmerohr unter Vermittlung eines elektrischen Isolators mit dem Zellgehäuse verbunden ist. Auch hier kann es sich bei dem elektrischen Isolator beispielsweise um einen kerami- schen Werkstoff handeln, insbesondere mit eingebetteten Metalloxidparti- kein. Durch das Vorsehen des elektrischen Isolators kann sichergestellt werden, dass eine zuverlässige elektrische Isolierung zwischen dem weite- ren Wärmerohr und dem elektronischen Bauteil, insbesondere eines Zellmo- dulcontrollers, sichergestellt werden kann. Gleichzeitig kann eine besonders gute Wärmeleitung sichergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezelle zumindest eine im Zellgehäuse angeordnete elektronische Komponente, insbesondere einen Mikrocontroller und/oder Sensoren, auf- weist. Bei der Batteriezelle kann es sich also um eine sogenannte Smart Cell handeln. So können beispielsweise Mikrocontroller, verschiedenste Senso- ren und dergleichen in den Batteriezellen integriert sein. In dem Zusammen- hang kann es vorgesehen sein, dass weitere Wärmerohre, vorzugsweise Heatpipes, in der Nähe oder an diesen im Zellinneren angeordneten elektro- nischen Komponenten angebracht sind, um an diesen Komponenten entste- hende überschüssige Wärme ebenfalls besonders effektiv wegleiten zu kön- nen.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug umfasst mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen oder vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batteriezellen. Das erfindungsgemäße Batteriemodul selbst kann beispielsweise wiederum zu einer Hochvoltbatterie für ein Hyb- ridfahrzeug oder rein elektrisch betriebenes Fahrzeug zusammengeschaltet werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Batteriemoduls sieht vor, dass die Batteriezellen mit einem Zellmodulcontroller verbunden sind, wobei außen- seitig an den Zellgehäusen der Batteriezellen jeweilige Wärmerohre ange- ordnet und mit elektronischen Bauteilen des Zellmodulcontrollers verbunden sind. Auf diese Weise kann am Zellmodulcontroller entstehende Wärme, also an den jeweiligen elektronischen Bauteilen des Zellmodulcontrollers entste- hende Wärme, besonders gut über die jeweiligen Zellgehäuse der Batterie- zellen unter Vermittlung der jeweiligen Wärmerohre, bevorzugt in Form von Heatpipes, weggeleitet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Batteriemoduls sieht vor, dass an den jeweiligen Zellgehäusen zumindest mittelbar, insbesondere unter Vermittlung einer thermischen Vergussmasse, eine Kühlplatte zum Abführen von mittels der Wärmerohre zu den Zellgehäusen geleiteten Wärme ange- ordnet ist. Beispielsweise kann die Kühlplatte unter Vermittlung einer thermi- schen Vergussmasse an jeweiligen Zellböden der Zellgehäuse angeordnet sein, wobei die innerhalb der Zellgehäuse angeordneten Wärmerohre zu- mindest mittelbar wärmeleitend innenseitig an den jeweiligen Zellböden an- geordnet sind. Dadurch kann überschüssige Wärme von den Batteriezellen besonders gut zu der Kühlplatte abgeführt werden. Die Kühlplatte selbst kann beispielsweise mehrere Kühlkanäle aufweisen, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße Batte- riemodul oder eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genann- ten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angege- benen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Allein stellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Batteriezelle für ein Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Batteriezelle, wobei ein

Teil des Zellgehäuses ausgespart ist und so der Blick auf das Innenleben der Batteriezelle freigegeben wird; und in

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Batteriemoduls in einer Explosi- onsdarstellung, wobei das Batteriemodul mehrere der Batterie- zellen aufweist.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Eine Batteriezelle 10 für ein Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs ist in einer Perspektivansicht in Fig. 1 gezeigt. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Zellge- häuse 12, welches im vorliegenden Fall eine prismatische Form aufweist. Außenseitig am Zellgehäuse 12 sind jeweilige Pole 14, 16 der Batteriezelle 10 vorgesehen. Im Zellgehäuse 12 sind ein Elektrolyt und zumindest zwei durch einen Separator getrennte Elektroden, in Form einer Kathode und einer Anode, angeordnet. Eine wesentliche Herausforderung bei solchen Batteriezellen besteht darin, überschüssige Wärme, welche beim Laden und Entladen solcher Batteriezellen 10 entsteht, effektiv abführen zu können. Dadurch kann gewährleistet werden, dass solche Batteriezellen 10 dauerhaft eine gute Leistungsabgabe und Leistungsaufnahme aufweisen.

In Fig. 2 ist die Batteriezelle 10 in einer schematischen Seitenansicht ge- zeigt, wobei ein Teil des Zellgehäuses 12 ausgespart ist, sodass der Blick auf das Innenleben der Batteriezelle 10 freigegeben wird. Im hier nicht näher bezeichneten Zellgehäuse 12 ist ein Zellwickel 18 angeordnet, welcher die besagten Elektroden in Form von Anoden und Kathoden aufweist, die durch einen Separator voneinander getrennt sind und in ein hier nicht näher darge- stelltes Elektrolyt eintauchen. Die hier nicht näher bezeichneten Elektroden des Zellwickels 18 sind jeweils mit einem Stromsammler 20, auch Terminals genannt, elektrisch leitend verbunden. Die Stromsammler 20 münden in den jeweiligen Polen 14, 16 der Batteriezelle 10. An jedem der Stromsammler 20 ist jeweils ein Wärmerohr 22 in Form einer Heatpipe angeordnet. Unter Nut- zung von Verdampfungswärme eines Mediums kann eine besonders hohe Wärmestromdichte bei den Wärmerohren 22 erzielt werden, um überschüs- sige Wärme aus der Batteriezelle 10 abzuführen.

Die an den Stromsammlern 20 angeordneten Wärmerohre 22 sind jeweils unter Vermittlung eines elektrischen Isolators 24 mit dem Zellgehäuse 12, genauer mit einem Zellboden 26 des Zellgehäuses 12 verbunden. Bei den elektrischen Isolatoren 24 kann es sich beispielsweise um keramische Werk- stoffe handeln, in welche zur verbesserten Wärmeleitfähigkeit Metalloxidpar- tikel eingebettet sind. Außenseitig an dem Zellboden 26 ist unter Vermittlung einer thermischen Vergussmasse 28 eine Kühlplatte 30 angeordnet. Die Kühlplatte 30 kann beispielsweise einen oder mehrere Kühlkanäle aufwei- sen, in welchem ein Kühlmedium zirkulieren kann. Überschüssige Wärme von der Batteriezelle 10 kann also über die Wärmerohre 22 über den Zellbo- den 26 unter Vermittlung der thermischen Vergussmasse 28 auf die Kühlplat- te 30 übertragen werden. Beim Entladen und Beladen der Batteriezelle 10 kann insbesondere an den Polen 14, 16 der Batteriezelle 10 eine starke Wärmeentwicklung stattfinden. Da die Stromsammler 20 in den Polen 14, 16 münden, kann über die als Heatpipes ausgebildeten Wärmerohre 22 eine indirekte Polkühlung realisiert werden. Überschüssige Hitze, die beim Entladen oder Laden an den Polen 14,16 entsteht, kann also über die Wärmerohre 22 an die Kühlplatte 30 weg- geleitet werden.

Außenseitig am Zellgehäuse 12, gemäß der vorliegenden Darstellung an einem Zelldeckel 32, sind weitere Wärmerohre 22, vorzugsweise wiederum in Form von Heatpipes, unter Vermittlung jeweiliger elektrischer Isolatoren 24 außenseitig am Zellgehäuse 12 angeordnet. Die Wärmerohre 22 tauchen durch einen Zellmodulcontroller 34 hindurch, welcher verschiedenste elekt- ronische Bauteile 36 aufweist. Wie schematische angedeutet, sind die weite- ren Wärmerohre 22 an der Oberseite der Batteriezelle 10 thermisch leitend je mit einigen der elektronischen Bauteile 36 des Zellmodulcontrollers 34 ver- bunden. Dadurch kann in diesen elektronischen Bauteilen 36 auftretende beziehungsweise entstehende Wärme unter Vermittlung der Wärmerohre 22 über das Zellgehäuse 12 der Batteriezelle 10 zur die Kühlplatte 30 abgeleitet werden. So können am Zellmodulcontroller 34 entstehende Hotspots, insbe- sondere an den elektronischen Bauteilen 36 des Zellmodulcontrollers 34, entschärft werden.

In Fig. 3 ist ein Batteriemodul 38 für ein Kraftfahrzeug in einer Explosions- darstellung gezeigt. Das Batteriemodul 38 umfasst mehrere der Batteriezel- len 10, welche beispielsweise in Reihe geschaltet sein können. Mehrere Gehäuseteile 40 des Batteriemoduls 38 schließen dabei die Batteriezellen 10 ein. In der vorliegenden Darstellung ist nochmals gut der Zellmodulcontroller 34 zu erkennen, welcher oberseitig an die einzelnen Batteriezellen 10 ange- schlossen wird. Mittels der in den Zellgehäusen 12 der Batteriezellen 10 vorgesehenen Wärmerohre 22 sowie mittels der außenseitig an den Zellge- häusen 12 vorgesehenen Wärmerohre 22 ist es möglich, überschüssige Wärme aus dem Zellinneren und vom Zellmodulcontroller 34 besonders effektiv abzuführen. Für das gesamte Batteriemodul 38 kann unterseitig die in Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnte Kühlplatte 30 vorgesehen sein, auf welcher alle Batteriezellen 10 mit ihren jeweiligen Zellböden 26 angeordnet sein können.

Bei den Batteriezellen 10 kann es sich auch um so genannte Smart Cells handeln, welche verschiedenste, insbesondere elektronische Komponenten im Zellinneren aufweisen können. So können beispielsweise Mikrocontroller, verschiedenste Sensoren und dergleichen in den Batteriezellen 10 integriert sein. In dem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass weitere Wär- merohre, vorzugsweise Fleatpipes, in der Nähe oder an diesen im Zellinne- ren angeordneten elektronischen Komponenten angebracht sind, um an diesen Komponenten entstehende überschüssige Wärme ebenfalls beson- ders effektiv wegleiten zu können.