DE112012002935T5

DE112012002935T5 - Auf Thermoelektrik basierendes Wärmemanagement elektrischer Vorrichtungen

Info

Publication number: DE112012002935T5
Application number: DE112012002935.6T
Authority: DE
Inventors: Dmitry Kossakovski; Robert Barnhart Todd; Alfred Piggott
Original assignee: Gentherm Inc
Current assignee: Gentherm Inc
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US9671142B2; KR20140057260A; US20130059190A1; KR20190020165A; US10337770B2; US20140331688A1; JP6203175B2; US8722222B2; WO2013009759A2; WO2013009759A3; KR101991650B1; US20170314824A1; JP2014527684A; KR101950468B1

Abstract

Die offenbarten Ausführungsformen umfassen auf Thermoelektrik basierte Wärmemanagementsysteme und Verfahren, die so ausgestaltet sind, dass sie eine elektrische Vorrichtung erwärmen und/oder kühlen. Wärmemanagementsysteme können wenigstens einen elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit einem temperatursensitiven Bereich der elektrischen Vorrichtung und wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung, die in einem Wärmeaustausch mit dem wenigstens einen elektrischen Leiter steht, einschließen. Elektrischer Strom kann mit Hilfe desselben elektrischen Leiters oder mit Hilfe einer externen Stromversorgung der thermoelektrischen Vorrichtung zugeführt werden, was die thermoelektrische Vorrichtung veranlasst, der elektrischen Vorrichtung durch den wenigstens einen elektrischen Leiter eine kontrollierte Erwärmung und/oder Kühlung zu liefern.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Vorzug der US Provisional Anmeldung Nr. 61/545,017, die am 7. Oktober 2011 eingereicht wurde, der US Provisional Anmeldung Nr. 61/506,577, die am 11. Juli 2011 eingereicht wurde, der US Provisional Anmeldung Nr. 61/559,568, die am 14. November 2011 eingereicht wurde und der US Provisional Anmeldung Nr. 61/617,002, die am 28. März 2012 eingereicht wurde. Die gesamten Inhalte jeder dieser Anmeldungen, die oben benannt sind, werden hierin durch Bezugnahme eingeschlossen und zu einem Teil dieser Beschreibung gemacht.
Hintergrund
Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf das thermoelektrische (TE) Kühlen und Erwärmen von elektrischen Vorrichtungen.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Leistungselektronik und andere elektrische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Batterien, können gegenüber dem Überhitzen, kalten Temperaturen, extremen Temperaturen und Betriebstemperaturbeschränkungen sensibel sein. Die Leistung solcher Vorrichtungen kann manchmal in starkem Ausmaß verringert werden, wenn die Vorrichtungen außerhalb der empfohlenen Temperaturbereiche betrieben werden. Bei Halbleitervorrichtungen können die integrierten Schaltkreischips überhitzen und Fehlfunktionen aufweisen. In Batterien, einschließlich zum Beispiel Batterien, die für Fahrzeuganwendungen in elektrisch versorgten Fahrzeugen eingesetzt werden, können die Zellen und deren Komponenten zerstört werden, wenn sie überhitzt oder unterkühlt werden. Solch eine Zerstörung kann sich in einer verringerten Batterie-Lagerkapazität und/oder einer geringeren Fähigkeit der Batterie, über mehrere Betriebszyklen wieder aufgeladen zu werden, manifestieren.
Zusammenfassung
Es kann vorteilhaft sein, die thermischen Bedingungen von Leistungselektronik und anderen elektrischen Vorrichtungen zu regeln. Ein Wärmemanagement kann das Auftreten einer Überhitzung, einer Unterkühlung und einer Zerstörung der elektronischen Vorrichtung reduzieren. Bestimmte Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, stellen ein Wärmemanagement von Vorrichtungen bereit, die eine signifikante elektrische Leistung tragen und/oder viel Strom und eine hohe Effizienz benötigen (zum Beispiel Verstärker, Transistoren, Transformatoren, Stromrichter, Isolierschicht-bipolare Transistoren (IGBTs), elektrische Motoren, Hochleistungslaser und lichtemittierende Dioden, Batterien und andere). Ein weiter Bereich an Lösungen kann verwendet werden, um solche Vorrichtungen bezüglich der Wärme zu managen, einschließlich einer Konvektionsluft- und Flüssigkeitskühlung, einer Kühlung durch Nutzen der Leitfähigkeit, einer Sprühkühlung mit Flüssigkeitsausstößen, einer thermoelektrischen Kühlung von Platinen und Chipgehäusen und andere Lösungen. Wenigstens einige Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, stellen wenigstens einen der folgenden Vorteile im Vergleich zu bestehenden Techniken zum Erwärmen oder Kühlen von elektrischen Vorrichtungen bereit: eine höhere Leistungseffizienz, geringere oder gar keine Instandhaltungskosten mehr, eine größere Zuverlässigkeit, ein längerer Serviceabstand, weniger Komponenten, weniger oder gar keine beweglichen Teile, die Erwärmungs- und Kühlweisen im Betrieb, andere Vorteile oder eine Kombination von Vorteilen.
In elektrischen Vorrichtungen sind typischerweise elektrisch aktive Teile und/oder temperatursensible Bereiche der Vorrichtung über elektrische Stromleitungen mit der Außenwelt verbunden, wie zum Beispiel externe Stromkreise oder Vorrichtungen. Zum Beispiel können die Elektroden einer Batteriezelle so ausgestaltet sein, dass sie eine hohe elektrische Leistung ohne signifikante Verluste (zum Beispiel Wärmeverluste, die gemäß dem Joule'schen Gesetz proportional zum Quadrat des Stroms sind) tragen. Der Kabeldurchmesser der elektrischen Leiter, die für solche Elektroden verwendet werden, ist proportional zu dem hohen Strom, der typischerweise in solchen Vorrichtungen fließt. Je größer die Batteriegröße ist, desto größer ist der Elektrodenanschluss für die Verbindung mit den äußeren Stromkreisen.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Elektroden und von vielen anderen Typen von elektrischen Leitern bedeutet auch, dass solche Leiter typischerweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die hohe thermische Leitfähigkeit kann auch eingesetzt werden, um verschiedene Probleme des Wärmemanagements zu lösen, wobei man eine gewünschte thermische Leistung (zum Beispiel Kühlung, Erwärmung usw.) direkt an den sensiblen Elementen der Vorrichtung durch Erwärmen und/oder Kühlen der Elektroden unter Umgehung der thermisch nicht sensiblen Elemente der Vorrichtung zuführen kann. Ähnlich wie die Verwendung von thermisch angepasstem Blut während Bluttransfusionen für das Zuführen von Wärme tief in den inneren Bereich von menschlichen Körpern, kann das Einpumpen von Wärme durch die Elektroden dazu verwendet werden, gewünschte thermische Bedingungen effizient tief in eine elektrische Vorrichtung einzuführen. Als ein Beispiel wurde es herausgefunden, dass das Kühlen der Elektroden von fortschrittlichen Automobilbatterien eine der vorteilhaftesten Techniken für das Batterie-Wärmemanagement darstellt. Die Elektroden können zum Beispiel durch Verwenden von Feststoff-, Flüssigkeits- oder Luftkühlungstechniken gekühlt werden. Die Elektroden wirken im Sinne von kalten Fingern in solch einer Wärmemanagementanordnung.
Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, schließen Systeme und Verfahren ein, die in der Lage sind, eine elektrische Vorrichtung durch Anlegen einer direkten oder indirekten thermoelektrischen (TE) Kühlung und/oder Erwärmung an stromtragende elektrische Leiter (zum Beispiel Elektroden) von Leistungskomponenten, elektronischen Einheiten und anderen elektrischen Vorrichtungen bezüglich der Wärme zu managen. Solche Vorrichtungen können oft von einem Wärmemanagement profitieren. Einige Ausführungsformen werden in Bezug auf bestimmte elektronische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Batterien, beschrieben werden. Wenigstens einige Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, sind jedoch in der Lage, ein Wärmemanagement für andere elektrische Vorrichtungen bereitzustellen, wie zum Beispiel Isolierschicht-bipolare Transistoren (IGBTs), andere elektrische Vorrichtungen oder eine Kombination von Vorrichtungen. Wenigstens einige dieser Vorrichtungen können eine hohe Stromträgerkapazität aufweisen und bei einem Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs Schaden erleiden. Der Betrieb einiger Ausführungsformen ist unter Bezugnahme auf einen Betrieb im Kühlungsmodus beschrieben. Jedoch können einige oder alle der Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, auch einen Erwärmungsbetriebsmodus haben. In einigen Situationen kann ein Erwärmungsbetriebsmodus verwendet werden, um die Temperatur einer elektrischen Vorrichtung oberhalb einer Schwellenwerttemperatur aufrecht zu erhalten, unterhalb derer die elektrische Vorrichtung zerstört werden kann oder einen verschlechterten Betrieb aufweist. TE-Vorrichtungen sind in einzigartiger Weise geeignet, um sowohl Wärme- als auch Kühlungsfunktionen mit einem Minimum an Komplikationen für die Systemgestaltung bereitzustellen.
Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, schließen Wärmemanagementsysteme und -verfahren auf Basis der Thermoelektronik ein. In einigen Ausführungsformen ist ein Wärmemanagementsystem so ausgestaltet, dass es eine Temperatur in einem temperatursensitiven Bereich einer elektrischen Vorrichtung reguliert. Das Wärmemanagementsystem kann eine thermoelektrische Vorrichtung einschließen, die in einer Weise ausgestaltet ist, dass sie beim Anlegen einer elektrischen Leistung an die thermoelektrische Vorrichtung thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Entsorgungsoberfläche überträgt. In einigen Ausführungsformen besteht die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung aus einer im Wesentlichen thermischen Verbindung mit einer Wärmeaustauschoberfläche eines elektrischen Leiters. Der elektrische Leiter ist so ausgestaltet, dass er eine elektrische Leistung an eine elektrische Vorrichtung abgibt oder von dieser erhält, so dass der elektrische Leiter als eine Leitung für das Übertragen von thermischer Energie zwischen einer temperatursensitiven Region der elektrischen Vorrichtung und der thermoelektrischen Vorrichtung dient.
In bestimmten Ausführungsformen schließt ein Verfahren für das Managen der Wärme einer elektrischen Vorrichtung das Verbinden einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die einen elektrisch leitfähigen Teil und einen elektrisch isolierenden Teil umfasst, an eine Vielzahl von elektrischen Leitern einer elektrischen Vorrichtung ein. Das Verfahren kann das Ausrichten eines wesentlichen thermischen Energieaustauschs zwischen einer Wärmeübertragungsvorrichtung und einer Hauptoberfläche an einer thermoelektrischen Vorrichtung einschließen.
In einigen Ausführungsformen schließt ein Verfahren für das Managen der Wärme einer elektronischen Vorrichtung das Erstellen eines wesentlichen thermischen Austauschs zwischen einer thermoelektronischen Vorrichtung und einer Wärmeaustauschoberfläche eines elektrischen Leiters ein, der in thermischem und elektrischem Austausch mit der elektrischen Vorrichtung steht. Das Verfahren kann das Erwärmen oder das Abkühlen der elektrischen Vorrichtung durch Einstellen des Stroms, der hin zu oder heraus aus der thermoelektrischen Vorrichtung gerichtet ist, einschließen.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Verschiedene Ausführungsformen sind in den anhängenden Abbildungen für illustrative Zwecke dargestellt und sollten in keiner Weise so interpretiert werden, dass sie den Umfang der thermoelektrischen Anordnungen oder Systeme, die hierin beschrieben sind, limitieren. Darüber hinaus können verschiedene Merkmale der verschiedenen offenbarten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen zu bilden, die auch Teil dieser Offenbarung sind. Jedes Merkmal oder jede Struktur kann entfernt, geändert oder weggelassen werden. Über die gesamten Zeichnungen hinweg können Referenzzahlen wiederverwendet werden, um eine Entsprechung zwischen den Bezugselementen anzuzeigen.
Die 1A und 1B stellen schematisch Beispiele eines Wärmemanagementsystems mit mehreren TE-Vorrichtungen dar, wobei jede der TE-Vorrichtungen in thermischer Verbindung mit einem elektrischen Leiter einer elektrischen Vorrichtung steht.
2 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einer TE-Vorrichtung in thermischer Verbindung mit zwei elektrischen Leitern einer elektrischen Vorrichtung dar.
3 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einer TE-Vorrichtung in thermischer Verbindung mit Elektroden einer Batterie über eine Wärmeübertragungsvorrichtung dar.
4 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einer elektronischen Kontrolleinheit (ECU) dar, die so ausgestaltet ist, dass sie das Wärmen und/oder Kühlen, das an die elektrische Vorrichtung angelegt wird, kontrolliert.
5 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einem externen Stromversorgungsgerät dar.
6 stellt ein beispielhaftes Verfahren zum Kontrollieren des Erwärmens und/oder des Kühlens dar, das an eine elektrische Vorrichtung durch ein Wärmemanagmentsystem angelegt wird.
7A stellt schematisch eine beispielhafte elektrische Ausgestaltung eines Wärmemanagementsystems dar.
7B stellt schematisch eine andere beispielhafte elektrische Ausgestaltung eines Wärmemanagementsystems dar.
8A stellt schematische ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem dar, das mit einer elektrischen Vorrichtung, die mit einer elektrischen Stromversorgung ausgestattet ist, verbunden ist.
8B stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem dar, das mit einer elektrischen Vorrichtung, die eine elektrische Stromversorgung an einen Abnehmer liefert, verbunden ist.
9 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines elektrischen Leiters in thermischer Verbindung mit einer TE-Vorrichtung.
10A ist eine Querschnittsansicht eines Wärmemanagementsystems mit einem Wärmekonzentrator.
10B ist eine Querschnittsansicht eines Wärmemanagementsystems mit einem Wärmeverteiler.
11 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmemanagementsystems mit einer gebogenen TE-Vorrichtung.
12 ist eine weitere Querschnittsansicht eines Wärmemanagementsystems mit einer gebogenen TE-Vorrichtung.
13 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einem thermischen Isolierstücks dar, das in-line mit externen Anschlüssen verbunden ist.
14 stellt schematisch eine beispielhafte Batteriepackung dar, die Zellen einschließt, welche elektrisch in Reihe verbunden sind.
15 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem dar, das benachbarte Zellen der Batteriepackung gemäß 14 verbindet.
16 stellt schematisch ein anderes beispielhaftes Wärmemanagementsystem dar.
17 stellt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zum Erwärmen und/oder Kühlen einer elektrischen Vorrichtung dar.
18 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem dar.
19 stellt ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem mit einer Wärmefalle dar.
20 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Wärmemanagementsystems.
21 ist eine Rückansicht des Wärmemanagementsystems aus 20.
22 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen beispielhaften Wärmemanagementsystems.
23 ist eine Rückansicht des Wärmemanagementsystems aus 22.
24 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen beispielhaften Wärmemanagementsystems.
25 ist eine Rückansicht des Wärmemanagementsystems aus 24.
26 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften Wärmemanagementsystems.
27 ist eine Nahansicht eines Teil des Wärmemanagementsystems aus 24.
28 ist eine Nahansicht eines Teils des Wärmemanagementsystems aus 26.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl bestimmte Ausführungsformen und Beispiele hierin offenbart sind, erstreckt sich der Gegenstand über die Beispiele in den speziell offenbarten Ausführungsformen hinaus auf andere alternative Ausführungsformen und/oder Verwendungen und auf Modifikationen und Äquivalente davon. Somit ist der Umfang der Ansprüche, die hieran angehängt sind, nicht auf eine der bestimmten Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, beschränkt. Zum Beispiel können in jeder Methode oder in jedem Verfahren, die/das hierin offenbart ist, die Tätigkeiten oder Vorgehensweisen der Methode oder des Verfahrens in jeder geeigneten Folge durchgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf eine bestimmte offenbarte Folge beschränkt. Verschiedene Vorgehensweisen mögen hingegen als mehrere voneinander getrennte Vorgehen beschrieben sein, in einer Weise, dass sie für das Verständnis bestimmter Ausführungsformen hilfreich sind; die Reihenfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht so verstanden werden, dass sie impliziert, dass diese Vorgehen abhängig von der Reihenfolge sind. Außerdem mögen die Strukturen, Systeme und/oder Vorrichtungen, die hierin beschrieben sind, als integrierte Komponenten oder als getrennte Komponenten ausgeführt sein. Für die Zwecke, verschiedene Ausführungsformen zu vergleichen, sind bestimmte Aspekte und Vorteile dieser Ausführungsformen beschrieben. Es werden nicht notwendigerweise alle solche Aspekte oder Vorteile durch eine bestimmte Ausführungsform erreicht. Somit können beispielsweise verschiedene Ausführungsformen in einer Weise ausgeführt werden, dass ein Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie sie hierin gelehrt werden, erreicht oder optimiert werden, ohne notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile, wie sie ebenfalls hierin gelehrt oder nahegelegt sein können, zu erreichen.
Es kann vorteilhaft sein, die thermischen Bedingungen von elektronischen und elektrischen Vorrichtungen zu managen. Solch ein Wärmemanagement kann das Auftreten einer Überhitzung, Unterkühlung und Zerstörung der elektrischen Vorrichtung verringern. Bestimmte Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, stellen ein Wärmemanagement von Vorrichtungen bereit, die eine signifikante elektrische Leistung tragen und/oder einen hohen Strom und eine hohe Effizienz erfordern (zum Beispiel Leistungsverstärker, Transistoren, Transformatoren, Stromrichter, Isolierschicht-bipolare Transistoren (IGBTs), elektrische Motoren, Hochleistungslaser und lichtemittierende Dioden, Batterien und andere). Ein weiter Bereich an Lösungen kann verwendet werden, um solche Vorrichtungen bezüglich der Wärme zu managen, einschließlich einer Konvektionsluft- und Flüssigkeitskühlung, Leitfähigkeitskühlung, Sprühkühlung mit Flüssigkeitsstößen, thermoelektrischer Kühlung von Platinen und Chipgehäusen und anderen Lösungen. Wenigstens einige Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, stellen wenigstens einen der folgenden Vorteile im Vergleich zu existierenden Techniken zum Erwärmen oder Kühlen von elektrischen Vorrichtungen bereit: eine höhere Leistungseffizienz, niedrigere oder vermiedene Instandhaltungskosten, eine größere Zuverlässigkeit, längere Servicezeiten, weniger Komponenten, weniger oder gar keine beweglichen Teile, Erwärmungs- und Kühlungsbetriebsweisen, andere Vorteile oder eine Kombination von Vorteilen.
In elektrischen Vorrichtungen sind typischerweise elektrisch aktive Teile und/oder temperatursensitive Bereich der Vorrichtung über elektrische Leiter mit der Außenwelt verbunden, wie zum Beispiel mit elektrischen Stromkreisen oder Vorrichtungen. Zum Beispiel können Elektroden einer Batteriezelle so ausgestaltet sein, dass sie eine hohe elektrische Leistung ohne signifikante Verluste tragen (zum Beispiel Wärmeverluste, die gemäß der Joule'schen Gesetz proportional zum Quadrat des Stroms sind). Der Kabeldurchmesser der elektrischen Leiter, die für solche Elektroden verwendet werden, ist proportional zu dem hohen Strom, der typischerweise in solchen Vorrichtungen fließt. Je größer die Größe der Batterie ist, desto größer sind die Elektrodenanschlüsse für die Verbindung mit den außenliegenden Stromkreisen.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Elektroden und vielen anderen Typen von elektrischen Leitern bedeutet auch, dass solche Leiter typischerweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die hohe thermische Leitfähigkeit kann verwendet werden, um verschiedene Wärmemanagementprobleme zu lösen, wobei man eine gewünschte thermische Leisatung (zum Beispiel Kühlung, Erwärmung etc.) direkt an die sensiblen Elementen der Vorrichtung durch Erwärmung und/oder Kühlung der Elektroden abgibt, wobei thermisch nicht sensitive Elemente der Vorrichtung umgangen werden. Ähnlich wie bei der Verwendung thermisch konditionierten Bluts während Bluttransfusionen zum Abgeben von Wärme tief in den inneren Bereich des menschlichen Körpers, kann das Pumpen von Wärme durch die Elektroden verwendet werden, um gewünschte thermische Bedingungen tief in eine elektrische Vorrichtung einzuführen. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass das Elektrodenkühlen fortschrittlicher Automobilbatterien eine der vorteilhaftesten Techniken für das Wärmemanagement von Batterien ist. Zum Beispiel können die Elektroden durch Verwenden von Feststoff-, Flüssigkeits- oder Luftkühlungstechniken gekühlt werden. Elektroden wirken in diesem Sinne als kalte Finger in solch einer Anordnung für das Wärmemanagement.
Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, schließen Systeme und Verfahren ein, die in der Lage sind, eine elektrische Vorrichtung bezüglich der Wärme zu managen, indem direkt oder indirekt ein thermoelektrisches (TE) Kühlen und/oder Erwärmen an stromtragende elektrische Leiter (zum Beispiel Elektroden) von Leistungskomponenten, elektronischen und anderen elektrischen Vorrichtungen angelegt wird. Solche Vorrichtungen können oft von einem Wärmemanagement profitieren. Einige Ausführungsformen werden unter Bezug auf bestimmte elektrische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Batterien, beschrieben. Wenigstens einige Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, sind jedoch in der Lage, ein Wärmemanagement für andere elektrische Vorrichtungen bereitzustellen, wie zum Beispiel Isolierschicht-bipolare Transistoren (IGBTs), andere elektrische Vorrichtungen oder eine Kombination von Vorrichtungen. Wenigstens einige dieser Vorrichtungen können eine hohe Stromträgerkapazität aufweisen und bei einem Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs Schaden nehmen. Der Betrieb einiger Ausführungsformen ist unter Bezug auf einen Kühlungsbetriebsmodus beschrieben. Jedoch können einige oder alle der Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, auch einen Erwärmungsbetriebsmodus haben. In einigen Situationen kann ein Erwärmungsbetriebsmodus angewendet werden, um die Temperatur einer elektrischen Vorrichtung oberhalb einer Schwellentemperatur zu erhalten, unterhalb derer die elektrische Vorrichtung zerstört werden kann oder eine verschlechterte Funktion aufweist. TE-Vorrichtungen sind in einzigartiger Weise geeignet, um sowohl Erwärmungs- als auch Kühlungsfunktionen mit minimalen Komplikationen für die Systemarchitektur bereitzustellen.
Es gibt eine Vielzahl von Weisen, wie TE-Vorrichtungen für Kühlungs- oder Erwärmungsanwendungen für elektrische Leiter verwendet werden können. Wie es hierin beschrieben wird, können TE-Vorrichtung ein oder mehrere TE-Elemente, TE-Anordnungen und/oder TE-Module umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein TE-System eine TE-Vorrichtung einschließen, welche eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, umfasst. In solchen Ausführungsformen kann die erste Seite und die zweite Seite eine Hauptoberfläche und eine Ableitungsoberfläche oder eine Erwärmungsoberfläche und eine Kühlungsoberfläche sein. Eine TE-Vorrichtung kann mit einem Stromversorgungsgerät operativ verbunden sein. Das Stromversorgungsgerät kann so ausgestaltet sein, dass es eine Spannung an die TE-Vorrichtung anlegt. Wenn die Spannung in eine Richtung angelegt wird, erzeugt eine Seite (zum Beispiel die erste Seite) Wärme, während die andere Seite (zum Beispiel die zweite Seite) die Wärme absorbiert. Das Umdrehen der Polarität des Kreislaufs erzeugt den gegenteiligen Effekt. In einer typischen Anordnung umfasst eine TE-Vorrichtung einen geschlossenen Kreislauf, der unterschiedliche Materialien umfasst. Wenn eine Gleichstromspannung an den geschlossenen Kreislauf angelegt wird, wird eine Temperaturdifferenz an der Verbindung der unterschiedlichen Materialien erzeugt. Abhängig von der Richtung des elektrischen Stroms wird die Wärme an einer bestimmten Verbindung entweder emittiert oder absorbiert. In anderen Ausführungsformen umfasst die TE-Vorrichtung verschiedene feste Halbleiterelemente vom P- und N-Typ, die in Serie geschaltet sind. In bestimmten Ausführungsformen sind die Verbindungen zwischen zwei elektrischen Isolierungselementen (zum Beispiel keramische Platten) sandwichartig eingeschlossen, die die kalte Seite und die warme Seite der TE-Vorrichtung bilden können. Die kalte Seite kann thermisch an ein Objekt (zum Beispiel einen elektrischen Leiter, eine elektrische Vorrichtung unter Wärmemanagement, usw.) angebunden sein, das gekühlt werden soll, und die warme Seite kann thermisch an eine Wärmefalle gekoppelt sein, welche die Wärme an die Umgebung abführt. In einigen Ausführungsformen kann die warme Seite an ein Objekt gekoppelt sein (zum Beispiel einen elektrischen Leiter, eine elektrische Vorrichtung unter Wärmemanagement, usw.), um erwärmt zu werden. Bestimmte nicht beschränkende Ausführungsformen sind unten beschrieben.
Die 1A bis 1B stellen schematische Darstellungen eines beispielhaften Wärmemanagementsystems 1 dar. In einigen Ausführungsformen kann ein Wärmemanagementsystem 1 wenigstens eine TE-Vorrichtung 6a, 6b in wesentlichem Wärmeaustausch mit einer Wärmeaustauschoberfläche wenigstens eines elektrischen Leiters 4a, 4b (zum Beispiel eines stromtragenden Anschlusses, einer Elektrode, eines Teils einer Zelle, Anschlussdrähten, Drähten zwischen Elektroden oder Teilen von Zellen, Anschlussdrähte) einer elektrischen Komponente oder einer Vorrichtung 2 (zum Beispiel Verstärker, Transistoren, Transformatoren, Stromrichter, Isolierschicht-bipolare Transistoren (IGBTs), elektrische Motoren, Hochleistungslaser und lichtemittierende Dioden, Batterien, etc.) umfassen. Der Begriff ”wesentlicher Wärmeaustausch” wird hier in seinem breitesten und einfachsten Sinne verwendet und schließt zum Beispiel einen festen Kontakt zwischen Oberflächen an der Berührungsfläche mit thermischem Austausch, einem oder mehreren Wärmeübertragungsmaterial(ien) oder Vorrichtungen zwischen Oberflächen in thermischem Austausch, eine Verbindung zwischen festen Oberflächen unter Verwendung eines thermisch leitfähigen Materialsystems, wobei solch ein System Polster, ein thermisches Schmiermittel, eine Paste, eine oder mehrere arbeitende Flüssigkeiten oder andere Strukturen mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen den Oberflächen, andere geeignete Strukturen oder eine Kombination von Strukturen einschließt, sein. Ein wesentlicher Wärmeaustausch kann zwischen Oberflächen stattfinden, die direkt verbunden sind oder indirekt über ein oder mehrere Zwischenmaterialien verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen kann wenigstens eine TE-Vorrichtung mit einer elektronischen Vorrichtung unter Wärmemanagement verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann wenigstens eine TE-Vorrichtung in einem wesentlichen Wärmeaustausch mit (zum Beispiel in Kontakt mit, angelagert an usw.) einer elektrischen Komponente, Teil, Anteil oder Vorrichtung unter Wärmemanagement stehen. In solchen Fällen können die elektrischen Leiter sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie zwischen temperatursensitiven Bereichen der elektronischen Vorrichtung und einer oder mehreren externen Vorrichtungen leiten. Wenn sie in einem Kühlmodus betrieben werden, wird die Wärme Q von den elektrischen Leitern 4a, 4b (und von der elektrischen Vorrichtung 2) herausgepumpt, wie es durch die Pfeile 8a, 8b in 1A gezeigt wird, und in die außenliegende Umgebung abgeführt, die Luft, eine Flüssigkeit oder eine andere Feststoffkomponente sein kann, oder eine Kombination von Komponenten. Wenn sie in dem Heizmodus betrieben wird, wird die thermische Energie in die umgekehrte Richtung gepumpt, wobei die Wärme in die elektrische Vorrichtung 2 durch die elektrischen Leiter 4a, 4b abgegeben wird, wie es durch die Pfeile 8a, 8b in 1B gezeigt ist.
Die 1A bis 1B zeigen getrennte TE-Vorrichtungen 6a, 6b, die die Wärme Q von unterschiedlichen elektrischen Leitern 4a, bzw. 4b einführen beziehungsweise entfernen. In einigen Ausführungsformen kann eine einzelne TE-Vorrichtung 6 verwendet werden, um zwei oder mehr elektrische Leiter 4a, 4b, wie sie in
2 dargestellt sind, zu kontrollieren (das heißt, in wesentlichem Wärmeaustausch mit diesen zu stehen). In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere elektrische Leiter ohne eine TE-Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch stehen. In einigen Ausführungsformen sind die TE-Vorrichtungen in wesentlichem Wärmeaustausch mit den elektrischen Leitern. In einigen Ausführungsformen kann dieser wesentliche Wärmeaustausch durch eine direkte Anlagerung der TE-Vorrichtung an den elektrischen Leiter oder durch Verwendung einer effizienten thermischen oder Wärmeübertragungsvorrichtung 10 oder eines thermisch leitfähigen Geräts (zum Beispiel eine Oberfläche eines Wärmeaustauschers, eines Heizrohrs, eines Nebenschlussstromkreises oder einer Wärmedecke), das zwischen der elektrischen Vorrichtung 2 unter Wärmemanagement und der Oberfläche der TE-Vorrichtung 6, angebracht ist, wie es in 3 dargestellt ist, bewerkstelligt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung für die thermische Übertragung 10 an wenigstens einen elektrischen Leiter 4a, 4b und/oder wenigstens eine TE-Vorrichtung 6 angelagert sein, diese direkt kontaktieren oder indirekt kontaktieren.
Wie es in den 1A, 1B und 2 gezeigt ist, kann in einigen Ausführungsformen ein Wärmemanagementsystem wenigstens eine TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b einschließen. Eine Oberfläche 12a, 12b der TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b kann in direktem oder in indirektem Kontakt mit einer festen Oberfläche 14a, 14b wenigstens eines elektrischen Leiters 4a, 4b stehen. Der elektrische Leiter 4a, 4b kann so ausgestaltet sein, dass er eine elektrische Leistung an eine elektrische Vorrichtung 2 abgibt, so dass der elektrische Leiter 4a, 4b auch als eine Leitung für das Leiten thermischer Energie zwischen temperatursensitiven Bereichen (zum Beispiel Wärme Q) in der elektrischen Vorrichtung 2 und der TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b dient. In einigen Ausführungsformen kann das Zwischenstück zwischen der Oberfläche 12a, 12b der TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b und der festen Oberfläche 14a, 14b ein thermisch leitfähiges Materialsystem (nicht gezeigt) umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es den wesentlichen Wärmeaustausch zwischen den Oberflächen erleichtert. Zum Beispiel kann das thermisch leitfähige Materialsystem ein Schmiermittel, eine Paste, Polster, ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, ein Material mit thermischer Leitfähigkeit, die größer oder gleich ungefähr 100 W(m × K), ein anderes geeignetes Material oder eine Kombination von Materialien umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein thermisch leitfähiges Materialsystem an einer Zwischenfläche zwischen einer oder mehreren Oberflächen einer Vorrichtung zum thermischen Transfer und Oberflächen einer TE-Vorrichtung und/oder eines elektrischen Leiters positioniert sein.
In einigen Ausführungsformen kann eine flüssige Verbindung zwischen, um und/oder durch die TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b und wenigstens einem elektrischen Leiter 4a, 4b ausgestaltet sein, die verwendet wird, um die Übertragung der elektrischen Energie hin zu oder heraus aus der elektrischen Vorrichtung 2 zu erleichtern. In einigen Ausführungsformen kann ein Arbeitsmedium verwendet werden, um die Übertragung von thermischer Energie zwischen einer elektrischen Vorrichtung 2 und einer TE-Vorrichtung 6, 6a, 6b zu erleichtern.
Es kann ein Kontrollmittel bereitgestellt werden, um zu kontrollieren, dass die TE-Vorrichtung entweder eine Heiz- oder eine Kühlfunktion erbringt und/oder die elektrische Energie, die an die TE-Vorrichtung abgegeben wird, eingestellt wird. Die TE-Vorrichtung kann in einer Reihe mit der Vorrichtung unter Wärmemanagement oder über eine externe Stromversorgungseinheit oder Stromquelle mit Energie versorgt werden. In einigen Ausführungsformen werden die TE-Vorrichtungen elektrisch mit Energie versorgt und kontrolliert, um deren Wärmepumpfunktion hin zu oder heraus aus einer Vorrichtung unter Wärmemanagement zu erbringen. Die Energie- und Kontrollfunktion kann durch eine getrennte elektronische Kontrolleinheit, ECU 40, erbracht werden. Die ECU 40 kann die elektrische Leistung, die an die TE-Vorrichtung 44 abgegeben wird, einstellen, einhergehend mit dem TE-Management der Vorrichtung 46. In einigen Ausführungsformen nimmt die ECU 40 Eingaben aus einem oder mehreren Temperatursensor(en) 42 auf, die die thermische Bedingung der Vorrichtung 46 direkt oder über elektrische Leiter (nicht gezeigt) erfassen, vergleicht diese mit Algorithmen und erzeugt ein Kontrollsignal für die TE-Vorrichtung 44, um entweder eine Erwärmungs- oder eine Kühlfunktion zu erbringen, wie es in der 4 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 40 so ausgestaltet sein, dass sie Eingaben, die andere als die Temperatur sind (zum Beispiel den Strom, der hinein in die und/oder hinaus zu der TE-Vorrichtung und/oder der Vorrichtung 46 gedrückt wird, usw.) von anderen Sensoren (nicht gezeigt) aufnimmt und die Kühlungs- und/oder Erwärmungsabgabe hin zu oder aus der Vorrichtung 46 einstellt. Das Kontrollmittel kann mit dem Rest der Elektronik, die die Vorrichtung unter Wärmemanagement unterstützt, integriert werden. Zum Beispiel, wenn solch eine Vorrichtung eine Batteriepackung ist, dann ist sie typischerweise mit einem Batterie-Managementsystem, oder BMS, ausgestattet, welches so konfiguriert ist, dass die Funktionsfähigkeit der Batterie überwacht wird und/oder Kontrollfunktionen in Antwort auf interne/externe Änderungen reguliert werden. Die TE-Kontrollfunktionalität kann in das BMS integriert sein und kann auf der gleichen Leiterplatine aufgebracht sein oder die gleichen Chipsets verwenden, die die BMS-Funktionen ausführen.
Die Schritte, die ein beispielhaftes Wärmemanagementsystem in einigen Ausführungsformen durchlaufen kann, um eine elektrische Vorrichtung aktiv bezüglich der Wärme zu managen, sind in 6 dargestellt. In dem ersten Schritt 60a können Sensoren so ausgestaltet werden, dass sie die thermische Bedingung und den elektrischen Strom, der hin zu oder heraus aus der Vorrichtung unter Wärmemanagement gerichtet ist, erfassen. Der zweite Schritt 60b schließt das Einstellen der elektrischen Leistung, die an die TE-Vorrichtung, die mit dem Wärmemanagement der Vorrichtung in Zusammenhang steht, ein. In einem dritten Schritt 60c werden Änderungen im elektrischen Strom und der Temperatur des elektrischen Leiters erfasst. Die Schritte 60a bis 60c können wiederholt werden.
In einigen Ausführungsformen kann es hilfreich sein, um solch eine Temperaturkontrolle zu erleichtern, die Umgebungstemperatur, die Temperatur wenigstens einer der Seiten einer TE-Vorrichtung und/oder eine Temperatur innerhalb der TE-Vorrichtung zu bestimmen. Somit können einige Ausführungsformen eines TE-Systems eine oder mehrere, eine Kombination oder keines der folgenden einschließen: einen Umgebungstemperatursensor, einen Temperatursensor für die TE-Vorrichtung (wie zum Beispiel einen Thermistor), der innerhalb, benachbart, in der Nähe von oder in anderer Weise in enger Nachbarschaft zu der TE-Vorrichtung und/oder ähnlichem lokalisiert ist.
Einige Ausführungsformen, die einen oder mehrere Temperatursensoren der TE-Vorrichtung einschließen, können jedoch weniger wünschenswert sein, beispielsweise aufgrund der Kosten des Sensors, der zusätzlichen Herstellungsschritte und der Komplexität, die damit einhergeht, dass der Sensor in dem System angebracht wird, der Möglichkeit eines Sensorfehlers, einer thermischen Verzögerung und/oder einem oder mehreren anderen Gründen oder Überlegungen. In einigen Ausführungsformen kann ein Wärmemanagementsystem eine Stromversorgung umfassen, die operativ mit einer TE-Vorrichtung verbunden ist, die eine erste und eine zweite Seite aufweist und keinen Temperatursensor einschließt, um die Temperatur einer der Seiten der TE-Vorrichtung und/oder der Vorrichtung unter Wärmemanagement zu bestimmen. Das Wärmemanagementsystem ist eher dazu ausgestaltet, die Temperatur von einer der ersten und zweiten Seite (oder ein Temperaturdifferential über die TE-Vorrichtung) über das Potential, das durch den Seebeck-Effekt induziert wird, zu bestimmen.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Quelle der Stromversorgung ausgeschaltet werden (zum Beispiel 0 Volt an die TE-Vorrichtung liefern). In solchen Fällen kann eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite ein Potential zwischen der ersten und der zweiten Seite induzieren. Die Induzierung dieses Potential ist als Seebeck-Effekt bekannt. Das Potential, das erstellt wird, ist im Allgemeinen proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite und kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: V = α(Th – Tc) = αΔT worin V das Potential zwischen der ersten und der zweiten Seite ist, α der Seebeck-Koeffizient ist und (Th – Tc) oder ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite ist. Als solcher kann der Seebeck-Koeffizient für eine vorgegebene TE-Vorrichtung als das Verhältnis des Potentials zu der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite beschrieben werden.
In einigen Fällen kann der Seebeck-Koeffizient α experimentell bestimmt werden. In einigen Ausgestaltungen kann für ein TE-System mit einem bekannten Seebeck-Koeffizienten α die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite auf Basis des Voltpotentials bestimmt werden. Solch eine Ausgestaltung kann zum Beispiel das Erfassen der Temperaturdifferenz der TE-Vorrichtung ohne die Notwendigkeit eines separaten Temperatursensors ermöglichen. Wie oben angemerkt, kann das Entfernen solch eines Temperatursensors die Herstellung erleichtern (zum Beispiel Prozessschritte reduzieren), die Herstellungszeit verringern, Kosten reduzieren, die Langlebigkeit der Vorrichtung erhöhen und/oder andere Vorteile oder Vorzüge bereitstellen. Außerdem kann das Nichtintegrieren eines solchen Sensors die Ausgestaltung der TE-Vorrichtung vereinfachen, zum Beispiel, indem Kanäle durch die TE-Vorrichtung für das Hindurchführen von Drähten für den Sensor nicht vorliegen. Darüber hinaus kann das Nichteinschließen eines solchen Sensors die Zuverlässigkeit des Systems erhöhen, indem die gesamte Anzahl der Komponenten, die versagen können, reduziert ist.
In einigen Ausführungsformen ist das Wärmemanagementsystem so ausgestaltet, dass eine absolute Temperatur wenigstens einer der Seiten der TE-Vorrichtung bestimmt wird. In einigen Ausführungsformen steht eine ECU in Verbindung mit einem Umgebungstemperatursensor und ist so ausgestaltet, dass das Potential bestimmt wird. Zum Beispiel kann eine analoge Eingabe des ECU in Verbindung mit einer Vorrichtung für einen negativen Temperaturkoeffizienten stehen, von dem ein Signal verwendet werden kann, um eine Umgebungstemperatur zu bestimmen (zum Beispiel über eine Berechnung). Solch eine Ausgestaltung kann zum Beispiel die Bestimmung einer absoluten Temperatur wenigstens einer der ersten und zweiten Seite der TE-Vorrichtung gestatten. Zum Beispiel kann die absolute Temperatur über eine Berechnung oder durch eine Korrelation des Potentials mit einer bekannten (zum Beispiel durch empirische Messungen) absoluten Temperatur für wenigstens eine der ersten und zweiten Seiten bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Temperaturdifferenz und/oder die absolute Temperatur wenigstens einer der Seiten in einem Feedback-Kontrollschema verwendet, was zum Beispiel eine schnellere Antwortzeit und/oder eine verringerte thermische Verzögerung für eine Temperatur-Rückantwort im Vergleich zu Systemen, die einen separaten Temperatursensor anwenden, bereitstellt.
In einigen Ausführungsformen wird die Temperaturdifferenz und/oder die absolute Temperatur wenigstens einer der Seiten verwendet, um Fehler aufzufinden. Zum Beispiel kann die Temperaturdifferenz und/oder die absolute Temperatur wenigstens eine der Seiten verwendet werden, um ein Überhitzen der TE-Vorrichtung zu detektieren, was die Effizienz der TE-Vorrichtung reduzieren könnte, oder die Vorrichtung und/oder andere Komponenten des Wärmemanagementsystems in anderer Weise beeinträchtigen könnte.
In einigen Ausführungsformen kann jede TE-Vorrichtung durch eine Stromversorgungsquelle mit Energie versorgt werden, die selektiv elektrische Energie an jede der Vorrichtungen liefern kann. In bestimmten Ausführungsformen teilen die TE-Vorrichtungen eine gemeinsame Energieversorgungsquelle. In anderen Anordnungen hat jede der TE-Vorrichtungen eine gesonderte Energieversorgungsquelle.
In einigen Ausführungsformen, wie es in 4 dargestellt ist, ist die elektrische Energie für eine TE-Vorrichtung 44 von der elektrischen Energie, die in die / aus der Vorrichtung 46 unter Wärmemanagement fließt, abgekoppelt. Wie es in 5 gezeigt ist, kann in einigen Ausführungsformen eine externe Stromversorgung 48, die nicht unter TE-Management steht (zum Beispiel eine externe Batterie usw.) so ausgestaltet sein, dass sie die ECU 40 und/oder die TE-Vorrichtung 44 mit Energie versorgt. In einigen Ausführungsformen kann eine TE-Vorrichtung 76 jedoch in Reihe mit den elektrischen Leitern 74a, 74b einer Vorrichtung 76 unter Wärmemanagement mit Energie versorgt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Fraktion (≤ 100%) des elektrischen Stroms, der durch die Vorrichtung 72 unter Wärmemanagement fließt, auch direkt durch die TE-Vorrichtung 76 fließen, wie es in einigen Ausführungsformen in den 7A–7B gezeigt ist. In einigen Ausführungsformen kann die TE-Vorrichtung 76 in einer elektrischen Parallel- oder Serienverbindung mit der Vorrichtung 42, bezogen auf den Rest des Stromkreises, stehen, wie es in den 7A bzw. 7B dargestellt ist.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel einer parallelen Verbindung, wie sie in 7A dargestellt ist, fließt nur ein Bruchteil des Stroms durch die TE-Vorrichtung 76 (der Wert hängt von dem Verhältnis der Widerstände der TE-Vorrichtung und der Last ab). In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel einer Reihenverbindung, wie sie in 7A dargestellt ist, fließt der ganze Strom durch die TE-Vorrichtung 76.
In einigen Ausführungsformen ist der Vorzug einer solchen In-Reihe-Anordnung der TE-Leistung die Vereinfachung (und Kostenreduktion) des Kontrollkreislaufs. Eine TE-Vorrichtung 76 wird mit Energie versorgt und pumpt die Wärme von der Vorrichtung 72 weg, oder zu dieser hin, wann immer die elektrische Energie durch die Vorrichtung 72 fließt. Daher ist es möglich, eine solche ”eingebaute” Kontrolle der thermischen Bedingung der Vorrichtung 72 unter Management zu verwenden, indem die Wärmepumpkapazität der TE-Vorrichtung 76 angepasst und in Bezug auf den Bereich der möglichen Betriebsbedingungen bezüglich angepasst wird.
Die In-Reihe-Verbindung und das Kontrollschema kann verwendet werden, wenn ein Modus des TE-Betriebs gewünscht ist (zum Beispiel die Kühlung). In solchen Anordnungen fließt der elektrische Strom in eine Richtung. Die In-Reihe-Verbindung und das Kontrollschema kann auch verwendet werden, wenn der Betriebsmodus (das Erwärmen oder das Kühlen) mit der Richtung des Stromflusses einhergeht. Dies ist häufig bei Leistungselektronik oder Vorrichtungen der Fall, kann jedoch im Fall von Batterien anders sein. Bei Batterien ist häufig sowohl ein Erwärmen als auch ein Kühlen notwendig, abhängig von den Umgebungsbedingungen, und außerdem hängt die Richtung des Stromflusses davon ab, ob die Batterie im Lademodus oder im Entlademodus arbeitet.
In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Dioden oder andere Kontrollvorrichtungen für den elektrischen Strom entlang dem Leiter zwischen einer Elektrode und einer TE-Vorrichtung positioniert sein. Solche Stromkontrollvorrichtungen können so ausgestaltet sein, dass sie verhindern, dass ein unerwünschter Betriebsmodus während dem Laden oder Entladen der Vorrichtung unter Wärmemanagement eintritt. In bestimmten solcher Ausführungsformen kann das Wärmemanagementsystem so ausgestaltet sein, dass nur ein Kühlungsbetriebsmodus oder nur ein Erwärmungsbetriebsmodus ausgeführt wird, ungeachtet der Richtung des Stromflusses (zum Beispiel dem Laden oder Entladen) an der elektrischen Vorrichtung. Solche Ausführungsformen können vorteilhaft sein, zum Beispiel, wenn Umweltbedingungen, Eigenschaften der Vorrichtung oder andere Faktoren nur einen Betriebsmodus wünschenswert machen.
Eine TE-Vorrichtung kann näher an oder weiter weg von der Vorrichtung unter Wärmemanagement angebracht sein, abhängig von ihrem Einsatz. In einigen Ausführungsformen ist es aus Sicht des Wärmemanagments vorteilhaft, die Wärmepumpe (zum Beispiel die TE-Vorrichtung) so nahe wie möglich an der Vorrichtung, die bezüglich der Wärme gemanagt wird, zu lokalisieren. Solch eine Lokalisierung führt zu dem effizientesten Einsatz des Wärmemanagments, indem unnötige thermische und elektrische Verluste vermieden werden. Zum Beispiel ist es im Falle von Leistungselektronik wünschenswert, ein Wärmemanagementsystem so nahe wie möglich an der Wärmequelle (zum Beispiel die Halbleiterverbindung) zu lokalisieren.
In einigen Fällen kann die TE-Vorrichtung jedoch zum Vorteil einer verbesserten Systemlogistik von der Vorrichtung entfernt sein. In solchen Fällen ist die TE-Vorrichtung immer noch in der Lage, die Leistungslasten zu kühlen. Ein Beispiel einer solchen Auslagerung ist eine Batterie 82, die entweder unter Ladungs- oder unter Entladungsbedingungen arbeitet, und eine TE-Vorrichtung, die in einer In-Reihe-Weise angeschlossen ist, wie es oben beschrieben ist. Die Stromrichtung ist zwischen den beiden Betriebsweisen der Batterie umgekehrt. Bei dieser Anwendung können eine oder mehrere TE-Vorrichtungen 86 auf der Ladungsseite 88a des Batterieladegeräts und auf der Lastseite 88b der Batterieanschlussstelle eingeschlossen sein. Solche Verbindungsschemata sind in den –8B dargestellt. Der Unterschied zwischen den beiden Anschlussstellen, die in den 8A–8B dargestellt sind, ist die Polarität der TE-Vorrichtung 86. Durch Umdrehen der Polarität zwischen den beiden Arbeitsweisen, kann immer sichergestellt sein, dass die Batterie 82 in beiden, dem Ladungs- und dem Entladungsmodus, gekühlt wird, unabhängig von der Richtung des Stromflusses.
Eine ähnliche Polaritätsumdrehfunktion kann erreicht werden, indem eine einzelne TE-Vorrichtung 86 und ein Relais oder ein Umschalter (nicht gezeigt) verwendet wird, das/der die Polarität des elektrischen Stromflusses durch die TE-Vorrichtung in Reaktion auf die Änderung der Richtung des Stromflusses in einer Batterie 82 ändert. In einigen Anwendungen ist jedoch eine beständige Kühlung der Batterie 82 gewünscht, zum Beispiel beim schnellen Laden. In einigen Ausführungsformen kann die TE-Vorrichtung in die Anschlüsse 84 auf der Kabelseite des Batterieladegerätes eingebaut sein. Die Polarität der TE-Vorrichtungen sollte in diesem Fall geeignet sein, um die Anschlussdrähte während des Ladens zu kühlen.
Eine TE-Vorrichtung oder ein Modul kann in verschiedenen Geometrien, Formen und Größen gestaltet sein. Eine typische TE-Vorrichtung ist ein flaches oder planes Modul mit zwei parallelen Oberflächen. Eine der üblichsten Größen solcher Module ist 40 × 40 mm mit einer Dicke, die von unterhalb eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern reicht. Die Wärme wird von einer Oberfläche abgeführt und zu der anderen hingeführt. Eine Änderung der Vorrichtungspolarität ändert die Richtung des Wärmeflusses. Eine Unzahl anderer Vorrichtungsgrößen ist auf dem Markt erhältlich. Typischerweise ist die Größe der Vorrichtung anwendungsspezifisch und an die elektrischen und thermischen Widerstände des Systems angepasst.
Solche flachen Module können entweder direkt an Elektroden, die gekühlt werden müssen, angebracht sein, vorausgesetzt, dass die Elektroden entsprechend große flache Bereiche aufweisen. 9 stellt ein Beispiel einer Ausgestaltung eines Wämemanagementsystems 90 mit einem flachen TE-Modul 92 in wesentlichem Wärmeaustausch mit einem elektrischen Leiter, zum Beispiel einer Elektrode 94 mit einer flachen Oberfläche 96 dar.
Alternativ kann wenigstens ein zwischengeschalteter Wärmeverteiler 98a oder Wärmekonzentrator 98b, hergestellt aus Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit (zum Beispiel Kupfer, Aluminium usw.) zwischen der TE-Vorrichtung 92 und der Elektrode 94 angebracht sein, um die geometrischen Größenunterschiede auszugleichen, wie es in den 10A–10B dargestellt ist.
In einigen Ausführungsformen ist eine weitere Option zum Verbinden von TE-Vorrichtungen und Elektroden oder anderen elektrischen Leitern die Form einer TE-Vorrichtung 92 von flach nach zylindrisch, im Wesentlichen konzentrisch, mit der Elektrode 94 oder diese umgebend, zu ändern, wie es in 11 dargestellt ist. In diesem Fall würde die Wärme von der Elektrode weg (oder zu ihr hin) radial geführt, was potentiell ein optimierterer Weg eines Wärmemanagements ist. Andere nicht-planare Formen, die nicht auf zylindrisch beschränkt sind, können ebenfalls verwendet werden.
Solch eine zylindrische TE-Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Weisen implementiert werden. Eine Lösung ist es, einen T-Ableitungsaufbau mit hoher Leistungsdichte, wie er in dem US-Patent Nr. 6,959,555 beschrieben ist, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist, zu implementieren. In einigen Ausführungsformen können individuelle thermoelektrische Elemente vom p- und n-Typ 120a, 120b in einer Ringanordnung um die Elektrode 124 angeordnet sein, wie es in 12 dargestellt ist. Alternativ dazu können p- und n-Halbleiter als ein vollständiger Ring hergestellt sein, im Gegensatz zu kleineren Pellets. Die inneren Ableitungen mit kleinerem Durchmesser 126 können als Wärmeaustauscher, die mit den gekühlten Elektroden 124 in Verbindung stehen, fungieren. Die äußeren Ableitungen mit größerem Durchmesser 128 können als Lamelle fungieren, die Abwärme in die Luft, die die gekühlte Elektrode umgibt, abführt.
Es kann ein Isoliermittel verwendet werden, um eine elektronische Vorrichtung unter Wärmemanagement thermisch zu isolieren und zu helfen zu verhindern, dass Wärme zu dem Rest eines Stromkreises über externe Kabelanschlüsse hindurch tritt. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmemanagement von elektrischen Vorrichtungen an einem Problem eines parasitischen Verlustes leiden, weil, wenn die elektrischen Leiter (zum Beispiel die Anschlussgeräte) gekühlt werden, dann einiges der Kühlung nicht zu der Vorrichtung unter Wärmemanagement gelangt, sondern vielmehr durch die Kabel oder Anschlüsse hin zu dem Rest des Stromkreises leckt. Mit anderen Worten fungieren die externen Anschlüsse als thermische Leiter, die als eine thermische Last parallel zu der Vorrichtung unter Wärmemanagement in Bezug auf die TE-Vorrichtung fungieren.
Um den parasitischen Effekt solcher Lecks zu minimieren, kann ein thermisches Isolierstück 130, das zwischen der TE-Vorrichtung 132 und dem Rest des Kreislaufs eingesetzt wird, eingebaut werden, wie es in 13 gezeigt ist. Solch ein thermisches Isolierstück 130 (oder eine Vielzahl von Isolierstücken, zum Beispiel eines oder mehrere pro Anschluss) kann elektrisch in Reihe mit den externen Anschlüssen 134 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der elektrische Strom frei oder mit minimaler Einbuße durch solch ein Isolierstück 130 fließen. Thermisch hat das Isolierstück jedoch eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit, so dass die Wärme nicht wirksam durch es hindurchtreten kann. ”Q” ist die Menge an Wärme, die zu der Vorrichtung unter Wärmemanagement und/oder den externen Anschlüssen hin oder von dieser/diesen weg fließt. Ein hoher Q-Wert bezeichnet einen hohen Wärmefluss und/oder eine hohe Kühlleistung.
Es gibt eine Vielzahl von möglichen physikalischen Implementierungen eines thermischen Isolierstücks. In einigen Ausführungsformen hat ein thermisch isolierendes Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige thermische Leitfähigkeit. Ein guter Materialtyp, der diese Anforderungen erfüllt, ist ein thermoelektrisches Material. Zum Beispiel können thermoelektrische Materialien als thermische Isolatoren in einer Anwendung der elektrischen Hindurchführung für superleitende Magnete verwendet werden, wie sei von Yu. Ivanov et al., Proceedings of International Conference on Thermoelectrics, Shanghai, 2010, beschrieben wurde. Das Isolierstück muss jedoch nicht aus TE-Material hergestellt sein, weil bei dieser Anwendung die Seebeck-Leistung des Isolatormaterials nicht notwendigerweise wichtig ist. Andere Beispiele könnten elektrisch leitfähige Keramiken, leitfähige Schäume oder andere Materialien sein.
Durch ein Wärmemanagmentsystem kann das Kühlen oder das Erwärmen von mehreren elektronischen Vorrichtungen oder Komponenten, die miteinander in elektrischer Verbindung stehen, bereitgestellt werden. Eine Anzahl einzelner elektronischer Komponenten, die ein Wärmemanagement erfordern, können elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Zum Beispiel kann eine Batteriepackung aufgebaut werden, indem eine Vielzahl von individuellen Zellen in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden werden. Das Beispiel, das unten beschrieben wird, zeigt eine Batteriepackung als ein Beispiel eines Systems unter Wärmemanagement. Die Eigenschaften, die beschrieben sind, sind jedoch nicht auf das Wärmemanagement von Batterien beschränkt und sind auf das Wärmemanagement anderer elektronischer Komponenten oder elektrischer Vorrichtungen anwendbar.
In einigen Ausführungsformen kann ein Wärmemanagement eine Batteriepackung umfassen, die N Zellen 140a bis 140c, die in Reihe geschaltet sind, wie es in 14 gezeigt ist, einschließen. Die individuellen Zellen können unterschiedliche Formen und einen unterschiedlichen inneren Aufbau aufweisen, wie zum Beispiel zylindrisch, prismatisch, die Form eines Beutels oder eines anderen Zellverpackungstyps.
Das Wärmemanagement der individuellen Zellen 140a bis 140c durch wenigstens eine TE-Vorrichtung 146a, 146b, kann besonders effektiv sein, wenn es auf elektrische Lasten oder interne Drähte 148, die benachbarte Zellen verbinden, angewendet wird, im Gegensatz zu einem Wärmemanagement durch Anschlussdrähte, die den elektrischen Strom in die Batteriepackung oder aus dieser heraus bringen. Die 15 stellt eine Ausführungsform von TE-Vorrichtungen 146a, 146b dar, die direkt mit solchen internen Drähten 148, die die individuellen Zellen 140a bis 140c verbinden, verbunden sind oder mit diesen in Kontakt stehen.
In dieser Ausgestaltung wird in einigen Ausführungsformen, wenn die TE-Vorrichtungen 146a, 146b mit internen Drähten 148, die benachbarte Zellen 140a bis 140c verbinden, thermisch verbunden sind, im Wesentlichen die gesamte thermische Energie innerhalb der Zellen abgegeben und/oder aus diesen herausgezogen. Dies ist deutlich anders als eine Anordnung, bei der eine TE-Vorrichtung 186 thermisch an ein Anschlussgerät oder ein externes Kabel 180, das die Batterie 182 mit anderen Elementen verbindet, angeschlossen ist. Im letzteren Fall kann ein Teil der thermischen Energie 184 durch das Kabel 180 aus der Batterie 182 heraus entkommen und die Effizienz des Wärmemanagements im Gesamtsystemniveau kann verringert werden. Solch ein ungünstiger Effekt ist in 18 dargestellt.
In einigen Ausführungsformen ist ein Wärmemanagementsystem so ausgestaltet, dass es nur die Verbindungen, die innerhalb der Batteriepackung oder einer anderen elektrischen Vorrichtung vorliegen, bezüglich der Wärme managt. Zum Beispiel können Ausführungsformen für eine Batteriepackung, die hierin offenbart sind, die Zellen haben, die in Reihe verbunden sind, eine solche Ausgestaltung aufweisen. Ein solcher Ansatz eines Wärmemanagements kann auf jede Anordnung individueller Elemente in der Packung angewendet werden, unter der Voraussetzung, dass nur interne Drähte bezüglich der Wärme gemanagt werden. Das Wärmemanagement kann im Wesentlichen nur auf elektrische Verbindungen angewendet werden, die innerhalb der Packung beginnen und enden und nicht auf die Verbindungen, die die Packung mit dem Rest des Systems verbinden.
Die individuellen Elemente können in Reihe oder parallel geschaltet werden, oder sie können sogar zu unabhängigen elektrischen Kreisläufen gehören. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne TE-Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit einem einzelnen Kabel, das benachbarte Zellen verbindet, oder einer Vielzahl solcher Kabel stehen, wodurch das Wärmemanagement über verschiedene Zellen verteilt wird.
In einigen Ausführungsformen können die elektrischen Leiter mit wenigstens einer TE-Vorrichtung verbunden sein. In einigen Ausführungsformen ist wenigstens ein elektrischer Leiter oder eine elektrische Komponente nicht mit einer TE-Vorrichtung verbunden. Zum Beispiel, wie in 15 dargestellt, hat die Zelle 140a nur einen internen Draht 148, der mit einer TE-Vorrichtung 146a verbunden ist. Der andere interne Draht ist nicht mit einer TE-Vorrichtung verbunden. In einigen Ausführungsformen sind die internen Drähte einer Zelle oder elektrischen Komponente nicht mit einer TE-Vorrichtung verbunden oder mit einer solchen in einem Wärmeaustausch. In einigen Ausführungsformen sind eine oder mehrere ganze Zellen, internen Drähte oder elektrischen Leiter nicht mit irgendeiner TE-Vorrichtung verbunden. Zum Beispiel sind Zellen, die mehr im Zentrum der Batterie liegen, mit wenigstens einer TE-Vorrichtung verbunden, während äußere Zellen der Batterie nicht mit wenigstens einer TE-Vorrichtung verbunden sind. Individuelle elektrische Leiter können unabhängig voneinander thermische Verbindungen mit TE-Vorrichtungen haben.
In einigen Ausführungsformen kann ein Wärmemanagementsystem individuelle Zellen einer Gruppe von Zellen kontrollieren oder bezüglich der Wärme managen.
Solche Ausführungsformen können es einer Wärmemanagement-Kontrolleinheit gestatten, die Temperatur von elektrischen Leitern oder Komponenten unabhängig von anderen Leitern oder Komponenten der elektronischen Vorrichtung zu kontrollieren. In solch bestimmten Ausführungsformen kann die thermische Kontrolle auf dem Zellniveau angelegt sein. In einigen solchen Ausführungsformen ist das Wärmemanagementsystem so ausgestaltet, dass die Variation von Zelle zu Zelle minimiert oder reduziert ist, um eine Zerstörung der Zelle zu vermeiden oder zu reduzieren und/oder eine unabhängige Wärmemanagement-Feineinstellung zu erlauben.
Wie es in 16 dargestellt ist, kann ein Wärmemanagementsystem eine Kontrolleinheit 142 umfassen. Die Kontrolleinheit kann mit den TE-Vorrichtungen 146a bis 146c verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann jede der TE-Vorrichtungen 146a bis 146c mit wenigstens einem elektrischen Leiter 148a bis 148c der Zellen 140a bis 140c verbunden sein. Jede der Zellen 140a bis 140c kann über das System unabhängig von jeweils einer anderen bezüglich der Wärme kontrolliert werden. Die elektrische Leistung, die hin zu jeder TE-Vorrichtung 146a bis 146c oder aus dieser heraus geführt wird, welche ein Erwärmen und/oder Kühlen für die Zellen 140a bis 140c bereitstellt, kann für jede TE-Vorrichtung und/oder Zelle unabhängig von einer jeweils anderen TE-Vorrichtung und/oder Zelle variiert, geändert oder eingestellt werden.
17 stellt ein beispielhaftes Verfahren für ein unabhängiges Kontrollieren der Temperatur von mehreren temperatursensitiven Bereichen (zum Beispiel Batteriezellen) einer elektrischen Vorrichtung dar. Das Verfahren kann das Bestimmen des Wärmemanagementregimes für zwei oder mehr unabhängige stromtragende elektrische Leiter (170a) einschließen. Ein unabhängiges Wärmemanagement kann an jede Zelle unter Verwendung eines Wärmemanagementsystems (170b) angelegt werden. Die elektrische Energie, mit der wenigstens eines der Wärmemanagementsysteme versorgt wird, kann unabhängig von der elektrischen Energie, mit der die anderen Managementsysteme (170c) versorgt werden, eingestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein Heizrohr als ein Transportmechanismus für Abwärme bereitgestellt werden. Abwärme aus einer TE-Vorrichtung kann in eine Wärmefalle abgeführt werden. Beispiele von Wärmefallen schließen Wärmeaustauscher, Abströme, andere Strukturen zum Führen von Wärme und Kombinationen von Strukturen ein. Eine Wärmefalle kann an die Abfuhrseite oder die Oberfläche der TE-Vorrichtung angebracht sein. Die Wärmefalle kann durch Luft, Flüssigkeit gekühlt werden oder, alternativ kann es ein Feststoff sein, der die TE-Vorrichtung mit einer größeren festen Wärmefalle, wie zum Beispiel einem Batteriegehäuse, einem Autorahmen oder einem anderen strukturellen Element, das die Wärme effektiv abführt, verbindet. In praktischen Anwendungen, wie zum Beispiel einem Batterie-Wärmemanagementsystem, können jedoch Beschränkungen bezüglich des Verpackens vorliegen, die die Möglichkeit, die Kühlmedien nahe an die Abfuhrseite der TE-Vorrichtung heranzubringen, einschränken. Alternativ kann eine Wärme- oder thermische Transportvorrichtung verwendet werden, um die Wärme von der Abfuhrseite der TE-Vorrichtung hin zu einem anderen Ort, an dem die Wärmeableitung effektiv umgesetzt werden kann, zu überführen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmetransfervorrichtung 198 verwendet werden, um die Abfuhrseite oder die Oberfläche der TE-Vorrichtung 196 mit einer Wärmefalle 194 zu verbinden, wobei die Wärme letztlich durch zum Beispiel Luft, Flüssigkeit oder einen Feststoff abgeladen wird, wie es in 19 dargestellt ist. Solch eine Wärmefalle kann zum Beispiel der flüssige Kühlkreislauf eines Autos, ein Autokühler oder eine luftgekühlte Wärmefalle, die Umgebungsluft, eine Arbeitsflüssigkeit, ein Flüssigkeitsreservoir oder ein fester Körper (zum Beispiel ein Batteriegehäuse oder ein Autorahmen) sein.
Die 20 bis 28 stellen andere Ausführungsformen von Ausgestaltungen eines Wärmemanagementsystems zum Kühlen und/oder Erwärmen von elektronischen, elektrischen und Stromgeräten und/oder Komponenten, wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Batteriepackung, dar. Diese Ausführungsformen können mit einem oder mehreren anderen der Merkmale und Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, kombiniert werden oder diese umfassen. Wie oben diskutiert, kann eine Batteriepackung eine oder mehrere Zellen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, einschließen. Das Wärmemanagementsystem kann verwendet werden, um die elektrischen Leiter der Batterie direkt zu kühlen und/oder zu erwärmen.
Die 20 bis 21 stellen eine Ausführungsform eines Wärmemanagementsystems dar, das eine Batteriepackung 200 mit mehreren Zellen 204, die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine einzelne funktionelle Batteriepackung 200 bereitzustellen, umfasst. In einigen Ausführungsformen können einzelne Zellen der Batterie 202 über elektrisch leitfähige Stangen oder andere Verbindungsstücke in Reihe miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmemanagementsystem eine oder mehrere thermoelektrische Vorrichtungen 206 einschließen, die in eine oder mehrere Anschlussstellen 212 einer oder mehrerer Zellen 204 der Batterie 202 integriert sind, oder mit diesen verbunden sind (zum Beispiel in wesentlichem Wärmeaustausch mit diesen). Wie es in 20 dargestellt ist, können in einer Ausführungsform die Zellen 204, die in Reihe geschaltet sind, zwei parallele Reihen von Anschlussstellen 212 haben, die sich entlang einer oberen Oberfläche der Batterie 202 erstrecken. In einigen Ausführungsformen schließen die Anschlussstellen 212 positive und negative Anschlussstellen (zum Beispiel Anoden und Kathoden) ein. In solchen bestimmten Ausführungsformen sind die positiven und negativen Anschlussstellen räumlich in einer alternierenden Anordnung platziert. Die thermoelektrische Vorrichtung 206 kann ein Kupfersubstrat 208 aufweisen, das auf einem keramischen Substrat 210 aufgezogen ist, oder jede andere geeignete Ausgestaltung aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann ein Ende oder ein Teil jeder thermoelektrischen Vorrichtung 206 mit wenigstens einer Anschlussstelle 212 zweier benachbarter Zellen 204, die in Reihe geschaltet sind, verbunden sein oder in diese integriert sein. In einigen Ausführungsformen ist wenigstens eine Anschlussstelle 212 nicht in wesentlichem Wärmeaustausch mit wenigstens einer TE-Vorrichtung 206, oder mit einer solchen verbunden. Ein anderes Ende oder ein Teil jeder thermoelektrischen Vorrichtung 206 kann mit einer Wärmetransfervorrichtung 214 verbunden sein, an diese angeschlossen, geklebt, verbunden, angeflanscht oder in einer anderen Weise angebracht sein. Die Wärmetransfervorrichtung 214 kann zum Beispiel ein Flüssigkeitsröhrenwärmeaustauscher sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmetransfervorrichtung 214 an jede thermoelektrische Vorrichtung 206 oder an alle TE-Vorrichtungen gleichzeitig angebracht sein. In anderen Ausführungsformen können mehrere Wärmetransfervorrichtungen 214 mit jeder thermoelektrischen Vorrichtung 206 verbunden sein oder in wesentlichem Wärmeaustausch mit diesen stehen.
Wie es in den 20 bis 21 dargestellt ist, kann sich die Wärmetransfervorrichtung 214 entlang wenigstens eines Teils der oberen Oberfläche der Batterie 202 zwischen den beiden parallelen Reihen der Anschlussstellen 212 erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen sind die Anschlussstellen nicht in parallelen Reihen. Die 21 stellt dar, dass in einigen Ausführungsformen die Wärmetransfervorrichtung so platziert sein kann, dass sie nicht direkt eine Oberfläche der Batterie 202 kontaktiert oder berührt. In bestimmten Ausführungsformen kann die Wärmetransfervorrichtung 214 in direktem Kontakt mit der Batterie oder mit Oberflächen der Batterie 202 stehen. In einigen Ausführungsformen steht das keramische Substrat 210 mit der Wärmetransfervorrichtung 212 in berührendem Kontakt und stellt Unterstützung oder Robustheit bereit. Das Kupfersubstrat 208 kann den Stromzug der Batterie 202 tragen. In einigen Ausführungsformen kann die Wärmetransfervorrichtung 214 sowohl elektrisch leitfähige Teile wie auch elektrisch isolierende Teile einschließen. In einigen Ausführungsformen können sich die elektrisch leitfähigen Teile aufeinander zu erstrecken.
Die 22 bis 23 stellen eine andere Ausgestaltung eines Wärmemanagementsystems für das Kühlen und/oder Erwärmen einer elektrischen Vorrichtung, wie zum Beispiel einer Batterie, dar. In einer Ausführungsform kann das Wärmemanagementsystem zwei Wärmetransfervorrichtungen 234a, 234b haben, wobei sich jede von diesen entlang einer oberen Seite der thermoelektrischen Vorrichtung (nicht gezeigt) erstreckt, welche mit den zwei im Wesentlichen parallelen Reihen der Anschlussstellen 232a, 232b verbunden sind. Die Wärmetransfervorrichtung 234a und 234b können sich entlang einer Reihe von Anschlussstellen 232a, 232b erstrecken. In einigen Ausführungsformen können die Wärmetransfervorrichtungen 234a und 234b oder andere Wärmetransfervorrichtungen zwischen den Anschlussstellen 232a, 232b und den TE-Vorrichtungen platziert sein.
Die 24 bis 28 stellen eine andere Ausgestaltung eines Wärmemanagementsystems zum Kühlen und/oder Erwärmen einer Stromvorrichtung, wie zum Beispiel einer Batterie, dar. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Wärmetransfervorrichtungen, bezogen auf die Geometrie der elektrischen Leiter, der Wärmetransfervorrichtungen und/oder der Vorrichtung unter Wärmemanagement so weit wie möglich voneinander entfernt platziert oder voneinander beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen kann wenigstens eine Wärmetransfervorrichtung auf einer Oberfläche einer elektrischen Vorrichtung platziert sein, die eine andere ist als die Oberfläche, aus der die elektrischen Leiter hervortreten. In einigen Ausführungsformen ist wenigstens eine Wärmetransfervorrichtung nicht auf derselben Ebene wie die elektrischen Leiter einer elektrischen Vorrichtung platziert. Ein Wärmetransfer kann an einer Oberfläche auftreten, die senkrecht zu, normal, nicht eben und/oder nicht parallel zu der Oberfläche ist, aus der die elektrischen Leiter hervortreten. In einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Wärmetransfervorrichtungen 254a und 254b an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Batterie 242 angebracht. Die Wärmetransfervorrichtungen 254a und 254b können sich entlang der nahezu gesamten Länge oder Seite der Batterie 242 erstrecken. Ein Ende der thermoelektrischen Vorrichtungen 246 kann in wesentlichem Wärmeaustausch mit wenigstens einer Anschlussstelle 252 zweier benachbarter Zellen 244, die in Reihe geschaltet sind, stehen.
In einigen Ausführungsformen können die Enden der thermoelektrischen Vorrichtungen 246 mit den oberen Enden der Anschlussstellen 252 verbunden sein, oder an diese angebracht sein, wie es in den 24 bis 25 und 27 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen können Teile der thermoelektrischen Vorrichtungen eine äußere Umfassung eines elektrischen Leiters umgeben, oder an die Seiten angebracht sein, wie es in den 26 und 28 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen können Teile der thermoelektrischen Vorrichtungen eine obere Oberfläche einer Elektrode in einer im Wesentlichen ebenen Weise kontaktieren. In einigen Ausführungsformen kann eine Gesamthöhe oder Schaltfläche eines Batteriemoduls oder einer anderen elektrischen Vorrichtung aufrecht erhalten werden oder im Wesentlichen gleich gehalten werden, indem Strukturen eines Wärmemanagementsystems in einer im Wesentlichen ebenen Weise mit der bestehenden Oberfläche oder den Oberflächen von elektrischen Leitern oder elektrischen Vorrichtungen verbunden werden oder an diesen orientiert werden.
In einigen Ausführungsformen kann das andere Ende jeder thermoelektrischen Vorrichtung 246 mit einer Wärmetransfervorrichtung 254a oder 254b verbunden werden, an diese angeschlossen und/oder angeflanscht werden. In einigen Ausführungsformen kann eine solche Ausgestaltung eines Wärmemanagementsystems Wärme hin zu den Anschlussstellen 252 und/oder den Seiten der Batterie 242 oder aus diesen heraus überführen werden.
In einigen Ausführungsformen können wenigstens einige Wärmemanagementsysteme, die hierin beschrieben sind, eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

1. Ein direktes Wärmemanagement von Leistungselektronik oder elektrischen Vorrichtungen durch Wärmemanagen der Anschlüsse der Vorrichtungen über eine TE-Vorrichtung.
2. Indirekte Kühlung der Anschlussdrähte mit einer Wärmetransfervorrichtung, die an eine TE-Vorrichtung angeschlossen ist.
3. Wenigstens ein gekühlter Energieanschluss pro TE-Vorrichtung.
4. Mehrere gekühlte Anschlüsse über eine einzelne TE-Vorrichtung.
5. Eine TE-Vorrichtung, die parallel oder in Reihe mit der bezüglich der Wärme gemanagten Vorrichtung mit Energie versorgt wird.
6. Ein TE-Spannungs-Strom-Design, das für das direkte Verbinden an die Batterie optimiert ist, um die Notwendigkeit für zusätzliche Elektronik zu minimieren und einen gewünschten Kühlungsumfang für die Batterie bereitstellt.
7. Eine TE-Vorrichtung auf der Batterieseite des Trennschalters.
8. Eine TE-Vorrichtung auf der Ladekabelseite des Trennschalters.
9. TE-Vorrichtungen mit unterschiedlicher Polarität je nach Verwendung auf der Ladungskabelseite und auf der Batterieseite, so dass die Batterie jeweils gekühlt wird, ob sie geladen oder entladen wird.
10. Ein thermisches Isoliermittel, das einen parasitischen Fluss von Wärme/Kälte in Richtung auf die Teile des elektrischen Stromkreises außerhalb der Vorrichtung, die bezüglich der Wärme gemanagt wird, verhindert.
11. Eine Vorrichtung unter Wärmemanagement, die wenigstens zwei Einheiten umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Eine TE-Vorrichtung kann thermisch an den elektrischen Leiter, der die zwei Einheiten in Reihe verbindet, angeschlossen sein.
12. Eine Vielzahl von Elementen, die untereinander elektrisch verbunden sind.
Wenigstens eine TE-Vorrichtung kann thermisch an eine Vielzahl von elektrischen Leitern, die die Elemente verbinden, angeschlossen sein.
13. Ein Batteriepack-Wärmemanagement, das eine oder mehrere der Techniken, die oben beschrieben sind, verwendet.
14. Ein IGBT-Wärmemanagement, das eine oder mehrere der Techniken, die oben beschrieben sind, verwendet.
15. Ein Wärmemanagement für Verstärker, das eine oder mehrere der Techniken, die oben beschrieben sind, verwendet.

Eine Diskussion der verschiedenen Ausführungsformen folgte hierin im Allgemeinen den Ausführungsformen, die in den Abbildungen schematisch dargestellt sind. Es soll jedoch so verstanden werden, dass die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Charakteristika jeder der Ausführungsformen, die hierin diskutiert wurden, in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren separaten Ausführungsformen kombiniert werden können, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. In vielen Fällen können Strukturen, die hierin als einheitlich oder zusammenhängend beschrieben wurden, getrennt werden, wobei sie immer noch die Funktion(en) der einheitlichen Struktur erbringen. In vielen Fällen können Strukturen, die als getrennt beschrieben oder dargestellt sind, zusammengefasst oder kombiniert werden, wobei sie immer noch die Funktion(en) der getrennten Strukturen ausüben.
Verschiedene Ausführungsformen wurden oben beschrieben. Obwohl die Erfindungen unter Bezugnahme auf diese spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurden, sollen die Beschreibungen als illustrativ verstanden werden und nicht so, dass sie beschränkend wirken. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können bei den Fachleuten auf dem Gebiet auftreten, ohne aus dem Sinngehalt und Umfang der Erfindungen, die hierin beschrieben sind, herauszuführen.

Claims

Ein Wärmemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass die Temperatur in einem temperatursensitiven Bereich einer elektrischen Vorrichtung gemanagt wird, wobei das System umfasst: eine thermoelektrische Vorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie eine thermische Energie zwischen einer Hauptoberfläche und einer Abfuhroberfläche bei Anlegen einer elektrischen Energie an die thermoelektrische Vorrichtung überträgt, wobei die Hauptoberfläche der thermoelektrischen Vorrichtung in einem wesentlichen Wärmeaustausch mit einem elektrischen Leiter steht und wobei der elektrische Leiter so ausgestaltet ist, dass er eine elektrische Energie hin zu einer elektrischen Vorrichtung oder von dieser weg führt, so dass der elektrische Leiter als eine Leitung für das Leiten thermischer Energie zwischen einem temperatursensitiven Bereich der elektrischen Vorrichtung und der thermoelektrischen Vorrichtung dient.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1, außerdem umfassend eine Kontrolleinheit, die so ausgestaltet ist, dass sie eine Polarität eines elektrischen Stroms, der an die thermoelektrische Vorrichtung geliefert wird, kontrolliert, wobei eine erste Polarität eines elektrischen Stroms in einem Kühlungssystem-Betriebsmodus bereitgestellt wird und worin eine zweite Polarität im Gegensatz zu der ersten Polarität des elektrischen Stroms in einem Erwärmungssystem-Betriebsmodus bereitgestellt wird.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 2, wobei die Kontrolleinheit in einem Batteriemanagementsystem integriert ist, das so ausgestaltet ist, dass es Kontrollfunktionen an einer Batteriepackung wahrnimmt.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 2, außerdem umfassend einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit der elektrischen Vorrichtung und in elektrischer Verbindung mit der Kontrolleinheit.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 4, wobei die Kontrolleinheit so ausgestaltet ist, dass sie Eingaben von dem Temperatursensor und dem elektrischen Strom, der hin zu oder heraus aus der elektrischen Vorrichtung unter Wärmemanagement geführt wird, erfasst und die elektrische Energie, die an die thermoelektrische Vorrichtung geliefert wird, einstellt.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1, wobei die elektrische Vorrichtung außerdem umfasst: eine Vielzahl elektrischer Komponenten; einen ersten elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit einer ersten elektrischen Komponente und einen zweiten elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit einer zweiten elektrischen Komponente; eine erste thermoelektrische Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit dem ersten elektrischen Leiter und eine zweite thermoelektrische Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit dem zweiten elektrischen Leiter; und ein erstes Wärmemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es ein Wärmemanagement an die erste elektrische Komponente anlegt und ein zweites Wärmemanagementsystem, das so ausgestaltet ist, dass es ein Wärmemanagement an die zweite elektrische Komponente anlegt, wobei das erste und das zweite Wärmemanagementsystem so ausgestaltet sind, dass sie ein Wärmemanagement unabhängig voneinander anlegen, wobei die elektrische Energie, mit der das erste Wärmemanagementsystem versorgt wird, unabhängig von der elektrischen Energie eingestellt wird, mit der das zweite Wärmemanagementsystem versorgt wird.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1, wobei die elektrische Vorrichtung außerdem umfasst: eine Vielzahl von elektrischen Komponenten; einen ersten elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit einer ersten elektrischen Komponente und einer zweiten elektrischen Komponente der Vielzahl von elektrischen Komponenten, so dass die erste elektrische Komponente und die zweite elektrische Komponente in elektrischem Austausch stehen; und eine erste thermoelektrische Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit dem ersten elektrischen Leiter.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 7, außerdem umfassend einen zweiten elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit der zweiten elektrischen Komponente und einer dritten elektrischen Komponente aus der Vielzahl elektrischer Komponenten; und eine zweite thermoelektrische Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit dem zweiten elektrischen Leiter.
Das Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 7, außerdem umfassend einen zweiten elektrischen Leiter in elektrischem und thermischem Austausch mit der zweiten elektrischen Komponente und einer dritten elektrischen Komponente der Vielzahl elektrischer Komponenten, wobei die erste thermoelektrische Vorrichtung in Wärmeaustausch mit dem zweiten elektrischen Leiter steht.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die thermoelektrische Vorrichtung in direktem thermischen Kontakt mit dem elektrischen Leiter steht.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, außerdem umfassend eine Wärmetransfervorrichtung in Wärmeaustausch mit der thermoelektrischen Vorrichtung und dem elektrischen Leiter, so dass Wärme zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und dem elektrischen Leiter durch die Wärmetransfervorrichtung fließt.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die thermoelektrische Vorrichtung in wesentlichem Wärmeaustausch mit Wärmeaustauschoberflächen von zwei elektrischen Leitern steht.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die thermoelektrische Vorrichtung in elektrischer Verbindung mit dem elektrischen Leiter steht.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein externes Stromversorgungsgerät, das nicht unter Wärmemanagement steht, an die thermoelektrische Vorrichtung Strom liefert.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der elektrische Leiter eine Elektrode ist.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung ein Batterieladegerät umfasst, das so ausgestaltet ist, dass es eine Elektrode in elektrischem und thermischem Austausch mit einer Elektrode einer Batterie hat.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung einen elektrischen Stromkreis umfasst, der so ausgestaltet ist, dass eine Elektrode in elektrischem und thermischem Austausch mit einer Elektrode einer Batterie steht.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, außerdem umfassend ein thermisches Isoliermittel in elektrischer Verbindung mit dem elektrischen Leiter, das so ausgestaltet ist, dass es die thermoelektrische Vorrichtung von einer zweiten elektrischen Vorrichtung, welche in elektrischer Verbindung mit dem elektrischen Leiter steht, im Wesentlichen thermisch isoliert.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung eine Batteriepackung umfasst.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung eine Batteriezelle umfasst.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung einen Isolierschicht-bipolaren Transistor umfasst.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung einen Leistungsverstärker umfasst.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung eine Vielzahl von elektrischen Komponenten umfasst und wobei wenigstens einige der Vielzahl von elektrischen Komponenten Batteriezellen umfassen.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung eine Vielzahl von elektrischen Komponenten umfasst und wobei wenigstens einige der Vielzahl der elektrischen Komponenten elektrische Komponenten eines Leistungsverstärkers umfassen.
Das Wärmemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Vorrichtung eine Vielzahl elektrischer Komponenten umfasst und wobei wenigstens einige der Vielzahl der elektrischen Komponenten Isolierschicht-bipolare Transistoren umfassen.
Ein Verfahren zum Managen einer elektrischen Vorrichtung bezüglich der Wärme, wobei das Verfahren umfasst: Verbinden einer Wärmetransfervorrichtung, die einen elektrisch leitfähigen Teil und einen elektrisch isolierenden Teil umfasst mit einer Vielzahl elektrischer Leiter einer elektrischen Vorrichtung; und Herstellen eines wesentlichen thermischen Austauschs zwischen der Wärmetransfervorrichtung und einer Hauptoberfläche einer thermoelektrischen Vorrichtung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 26, außerdem umfassend: Herstellen eines wesentlichen Wärmeaustauschs zwischen einer ersten thermoelektrischen Vorrichtung und einem ersten elektrischen Leiter in thermischem und elektrischem Austausch mit einer ersten elektrischen Komponente der elektrischen Vorrichtung; und Herstellen eines wesentlichen Wärmeaustauschs zwischen einer zweiten thermoelektrischen Vorrichtung und einem zweiten elektrischen Leiter in thermischem und elektrischem Austausch mit einer zweiten elektrischen Komponente der elektrischen Vorrichtung.
Ein Verfahren zum Managen einer elektrischen Vorrichtung bezüglich der Wärme, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines wesentlichen Wärmeaustauschs zwischen einer thermoelektrischen Vorrichtung und einem elektrischen Leiter, der in thermischem und elektrischem Austausch mit der elektrischen Vorrichtung steht; und Erwärmen oder Kühlen der elektrischen Vorrichtung durch Einstellen einer Polarität eines elektrischen Stroms, der an die thermoelektrische Vorrichtung geliefert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28, außerdem umfassend: das Erfassen von Eingaben aus einem Temperatursensor und einem elektrischen Strom, der hin zu oder heraus aus der elektrischen Vorrichtung geführt wird und Einstellen des Stroms, der hin zu oder heraus aus der thermoelektrischen Vorrichtung geführt wird, in Reaktion auf die Eingaben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28, außerdem umfassend: Herstellen eines wesentlichen Wärmeaustauschs zwischen einer ersten thermoelektrischen Vorrichtung und einem ersten elektrischen Leiter in thermischem und elektrischem Austausch mit einer ersten elektrischen Komponente der elektrischen Vorrichtung; Herstellen eines wesentlichen Wärmeaustauschs zwischen einer zweiten thermoelektrischen Vorrichtung und einem zweiten elektrischen Leiter in thermischem und elektrischem Austausch mit einer zweiten elektrischen Komponente der elektrischen Vorrichtung; und Anlegen eines Wärmemanagements an die erste elektrische Komponente unabhängig von einem Wärmemanagement, das an die zweite elektrische Komponente angelegt ist.