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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Kühlung des Batteriesystems.
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Stand der Technik
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen werden als elektrische Energiespeicher oft auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren eingesetzt. Von diesen Akkumulatoren wird eine Lebensdauer von 15 Jahren gefordert. Der störungsfreie Betrieb derartiger Batteriesysteme erfordert die sichere und zuverlässige Funktion der Zellen, Module und des ganzen Packs.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein vereinfachtes Batteriesystem mit guten Eigenschaften und einer guten zuverlässigen Funktion zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch das Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, mindestens einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, einem flüssigen Kühlmittel zur Aufnahme von Wärmeenergie der Batteriezelle und mindestens einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper an einer Seite des Gehäuses sich von einer Innenseite des Gehäuse bis an einer der Innenseite gegenüber angeordneten Außenseite des Gehäuses erstreckt, wobei die von dem flüssigen Kühlmittel aufgenommene Wärmeenergie an den Kühlkörper übertragbar ist und von dem Kühlkörper an eine Umgebung des Gehäuses weiterleitbar ist.
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Durch eine derartige Anordnung kann auf eine Verwendung von externen Komponenten, wie Luftkanäle, Schlauchleitungen und/oder Radiatoren, zur Kühlung des Batteriesystems eingespart werden. Vielmehr kann das Batteriesystem durch den Kühlkörper, welcher sowohl direkten Kontakt zum Kühlmittel im Inneren des Gehäuses als auch zur äußeren Umgebung des Gehäuses hat, die Wärmeenergie direkt von dem Inneren des Gehäuses nach außen weiterleiten. Auf diese Weise kann ein höherer Wärmetransport innerhalb des Batteriesystems ermöglicht werden, da der Wärmetransport über einen Medientransport realisiert wird. Dabei können die einzelne Module und/oder das gesamte Batteriesystem derart ausgestaltet sein, dass ein ausreichender und über das Batteriesystem gleichartiger Volumenstrom gegeben ist.
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Der Begriff Kühlmittel beschreibt hierbei ein flüssiges Kühlmittel welches die Batteriezellen im inneren des Gehäuses umströmen und durchströmen kann. Das Kühlmittel kann auf Wasser basieren, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Vorzugsweise ist das Kühlmittel ein elektrisch nichtleitendes Kühlmittel, beispielsweise Öl, so dass beim direkten Kontakt des Kühlmittels mit den Batteriezellen kein Kurzschluss entstehen kann.
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Weiterhin kann durch einen derartigen Aufbau der Aufbau des Batteriesystems vereinfacht werden. Der Kühlkörper kann direkt in das Batteriesystem integriert werden. Somit ist es nicht mehr nötig, den Kühlkörper über elektrisch isolierende feste Baugruppen an die Batteriezellen anzubinden.
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Das Prinzip des Batteriesystems kann auch auf klassische prismatische Batteriezellen, auf neue Zelltypen bei denen die Batteriezellen in zwei Gehäusehälften geteilt ist, wobei diese gleichzeitig die Zellpole darstellen, und/oder auf Rundzellen aus dem Konsumerbreich angewendet werden.
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Somit kann durch ein Batteriesystem bei dem der Kühlkörper direkt in Kontakt mit einem Kühlmittel tritt und somit die Wärmeenergie direkt von dem Kühlmittel nach außen an die Umgebung weiterleitet ein vereinfachtes Batteriesystem mit guten Eigenschaften und einer guten zuverlässigen Funktion zur Verfügung gestellt werden.
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Vorzugsweise weist der Kühlkörper an der Innenseite des Gehäuses und/oder an der Außenseite des Gehäuses Kühlrippen auf. Durch die Verwendung von Kühlrippen kann die Oberfläche des Kühlkörpers zur Wärmeaufnahme an der Innenseite des Gehäuses und zur Wärmeabgabe an der Außenseite des Gehäuses vergrößert werden. Weiterhin kann die Wärmeabgabe an der Außenseite des Gehäuses durch eine Anordnung an einer Stelle des Kraftfahrzeugs, welche gut belüftet ist, beispielsweise in der Nähe des Tanks angeordnet sein. Auf diese Weise kann durch eine Luftströmung, beispielsweise durch Fahrtwind während der Bewegung des Fahrzeugs, die Kühlrippen des Kühlkörpers durchströmen und auf diese Weise kann die Wärmeenergie von dem Kühlkörper auf die Luft in der Umgebung abgegeben werden. Weiterhin kann über Luftleitbleche oder Lüfter die Anströmung des Kühlkörpers an der Außenseite des Gehäuses verbessert werden.
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Es ist bevorzugt, dass mindestens zwei Batteriezellen in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Batteriezellen durch Abstandshalter beabstandet zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise können bei prismatischen Batteriezellen bei dem das Gehäuse nicht mit den Batteriezellen verbunden ist oder an einem Zellpol angebundenes Batteriezellengehäuse und/oder bei Rundzellen das Material für die Abstandshalter nicht elektrisch leitend sein. Bei neuen Zelltypen bei denen die Batteriezelle in zwei Gehäusehälften geteilt ist, die gleichzeitig die Zellpole darstellen, kann das Material für die Abstandshalter elektrisch leitend sein, um darüber eine Reihenschaltung der Batteriezellen zu erlangen. Mit Hilfe der Abstandshalter kann das flüssige Kühlmittel zwischen den Batteriezellen passieren beziehungsweise zwischen den Seitenflächen der Batteriezellen zirkulieren, um auf diese Weise durch den Kontakt mit den Batteriezellen Wärmeenergie der Batteriezellen aufnehmen zu können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlmittel über ein Schlauchsystem auf die mindestens eine Batteriezelle leitbar und/oder das gesamte Batteriesystem ist mit Kühlmittel gefüllt. Mit Hilfe eines Schlauchsystems kann das Kühlmittel durch die einzelnen Batteriezellenmodule und/oder Komponenten der Batteriezellen geleitet werden, so dass die Batteriezellenmodule oder die Komponenten die Wärmeenergie direkt an das Kühlmittel übertragen können bevor das Kühlmittel über das Schlauchsystem an den Kühlkörper weitergeleitet wird. Ein Batteriesystem bei dem das gesamte Gehäuse mit Kühlmittel gefüllt ist, kann beispielsweise Strukturen, beispielsweise Umlenkbleche oder Führungen, aufweisen, die das Kühlmittel im Gehäuse durch die Batteriezelle zu dem Kühlkörper führen können. Weiterhin kann ein Batteriesystem eine Kombination des Schlauchsystems mit dem vollständig gefüllten Gehäuse aufweisen, um eine Wärmeenergietransport von der Batteriezelle zum Kühlkörper zu ermöglichen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Batteriezelle die Wärmeenergie durch den Kontakt mit dem Kühlmittel direkt an das Kühlmittel abgeben kann.
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Vorzugsweise ist zur Aufrechterhaltung eines Volumenstroms eine aktive Komponente zum Umströmen der Batteriezelle mit Kühlmittel einsetzbar. Mit Hilfe der aktiven Komponenten kann sichergestellt werden, dass das Kühlmittel im Gehäuse zirkulieren kann, so dass Kühlmittel durch die Batteriezellen zu den Kühlkörpern transportiert werden kann. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom aufrechterhalten werden zur im Betrieb bedarfsgerechten Umströmung der Batteriezellen.
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Es ist bevorzugt, dass die aktive Komponente mindestens ein Axial- und/oder mindestens eine Radialpumpe ist. Weiterhin kann auch eine Mehrzahl von Pumpen gegebenenfalls mit einem zentralen Antrieb verwendet werden. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom aufrechterhalten werden zur im Betrieb bedarfsgerechten Umströmung der Batteriezellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Heizelement im Gehäuse angeordnet. Mit Hilfe eines Heizelements kann bei kalten Außentemperaturen das Batteriesystem schnell auf eine Betriebstemperatur gebracht werden beziehungsweise auf einer Betriebstemperatur gehalten werden. Vorzugsweise kann das Heizelement eine Betriebstemperatur von größer oder gleich 20°C bis kleiner oder gleich 50°C, vorzugsweise eine Betriebstemperatur von größer oder gleich 25°C bis kleiner oder gleich 40°C, insbesondere eine Betriebstemperatur von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich 35°C ermöglichen. Auf diese Weise kann ein störungsfreier Betrieb des Batteriesystems und eine zuverlässige Funktion der Batteriezellen ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist im Gehäuse mindestens eine Umschaltung angeordnet zur Hinderung des Kontakts des Kühlkörpers mit dem Kühlmittel. Die Umschaltung kann eine Umlenkung in Form einer Klappe sein. Durch die Umschaltung kann das Kühlmittel bedarfsgerecht an der Umströmung des Kühlkörpers gehindert werden. Dies kann beispielsweise bei Verwendung des Heizelements zum Aufwärmen der Batteriezellen oder bei kalten Außentemperaturen nötig sein, um zu verhindern, dass Wärmeenergie aus dem inneren des Gehäuses nach außen über die Kühlkörper abgegeben wird. Bei einem Batteriesystem ohne ein Heizelement kann mit Hilfe der Umschaltung ein Volumenstrom aufrechterhalten werden um eine gleichmäßige Temperatur für die Batteriezellen zu ermöglichen. Durch die Umschaltung kann somit die Temperatur im inneren des Gehäuses bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Bevorzugt ist das Batteriesystem mit einem Wärmetauscher oder Verdampfer verbunden, wobei der Wärmetauscher oder Verdampfer über eine Schnittstelle zu einem Kältemittelsystem, insbesondere einer Klimaanlage verbunden ist. Auf diese Weise kann auf einfache Weise die Wärmeenergie von dem Kühlkörper an ein Kältemittelsystem übertragen werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Kühlkörper an der Außenseite des Gehäuses über ein Benetzungssystem kühlbar ist. Insbesondere wenn das Batteriesystem nicht an einem Kältemittelsystem angebunden ist kann mit Hilfe des Benetzungssystems der Kühlkörper die Wärmeenergie schneller abgeben. Dabei kann das Benetzungssystem durch Aufsprühen beziehungsweise Benetzen oder Beträufeln der Kühlkörperaußenseite mit Wasser und die darauf folgende Verdunstung des Wassers eine zusätzliche Wärmeabfuhr aus dem Kühlkörper ermöglichen, wodurch eine bessere Batteriekühlung ermöglicht werden kann. Das Benetzungssystem kann einen Vorratsbehälter für Wasser, eine elektrisch durch Batteriemanagementsystem anzusteuernde Pumpe und/oder Ventil umfassen. Der Begriff Batteriemanagementsystem beschreibt eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung und Regelung einer nachladbaren Batterie-, also eines Akkumulatorsystems dient. Die Notwendigkeit eines Batteriemanagementsystems ergibt sich bei der Zusammenschaltung mehrerer Akkuzellen zu einer Batterie. Das Batteriemanagementsystem soll dabei die unvermeidbaren fertigungsbedingten Streuungen verschiedener Parameter der Akkuzellen, etwa Kapazität und Leckströme, erkennen, überwachen und ausregeln. Wenn der Vorratsbehälter des Benetzungssystems weit genug oberhalb des Kühlkörpers angeordnet ist, kann auf eine Pumpe verzichtet werden. Weiterhin kann der Kühlkörper Kanäle aufweisen, in die das Wasser hineinfließt, so dass der Kühlkörper nicht nur an der Oberfläche sondern auch im Inneren durch das Wasser gekühlt werden kann. Desweiteren können die Kanäle innerhalb des Kühlkörpers zur Verteilung des zu verdunstenden Wassers im Kühlkörper verwendet werden. Mit Hilfe eines Benetzungssystems kann der Kühlkörper die Wärmeenergie schneller abgeben.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems, insbesondere eines oben beschriebenen Batteriesystems, umfassend mindestens folgende Schritte:
- – Abführen von Wärmeenergie mindestens einer Batteriezelle innerhalb eines Gehäuses des Batteriesystems durch ein flüssiges Kühlmittel,
- – Leiten des mit Wärmeenergie erwärmten Kühlmittels an einen Kühlkörper,
- – Abführen von Wärmeenergie des erwärmten Kühlmittels an den Kühlkörper, und
- – Abführen von Wärmeenergie von dem erwärmten Kühlkörpers an die Umgebung.
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Mit Hilfe des Verfahrens bei dem der Kühlkörper direkt in Kontakt mit einem Kühlmittel tritt und dadurch die Wärmeenergie direkt von dem Kühlmittel nach außen an die Umgebung weiterleitet kann ein vereinfachtes Batteriesystem mit guten Eigenschaften und einer guten zuverlässigen Funktion zur Verfügung gestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt einer Seitenschnittansicht eines Batteriesystems,
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2 einen Ausschnitt einer weiteren Seitenschnittansicht des Batteriesystems aus 1,
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3 einen Ausschnitt einer Seitenschnittansicht von einer weiteren Ausführungsform eines Batteriesystems,
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4 eine isometrische Schnittansicht des Batteriesystems der 3, und
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5 eine schematische Darstellung eines Benetzungssystems für einen Kühlkörper.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenschnittansicht eines Batteriesystems 10. Das Batteriesystem 10 umfasst mehrere Batteriezellen 12, wobei in der Schnittansicht zwei Batteriezellen 12 sichtbar sind, und ein Gehäuse 14. An der Seite des Gehäuses 14 ist ein Kühlkörper 16 angeordnet. Der Kühlkörper ist derart angeordnet, dass der Kühlkörper sich von einer Innenseite des Gehäuses 14 bis zu einer der Innenseite gegenüber angeordneten Außenseite des Gehäuses 14 erstreckt. Weiterhin weist der Kühlkörper 16 an der Außenseite Kühlrippen 18 auf. Das Gehäuse 14 ist mit einem Kühlmittel gefüllt. In diesem Ausführungsbeispiels ist das Kühlmittel ein flüssiges nicht elektrisch leitendes Öl. Das Kühlmittel zirkuliert in dem Gehäuse 14 derart, dass es die Batteriezellen 12 umströmt, um die Wärmeenergie aufzunehmen und dann die aufgenommene Wärmeenergie an dem Kühlkörper 16 abgibt, damit der Kühlkörper die Wärmeenergie von der Innenseite des Gehäuses 14 an die Außenseite des Gehäuses 14 weiterleitet. Die Zirkulation des Kühlmittels ist mit dem Pfeil 20 dargestellt. Weiterhin sind am Boden des Gehäuses 14 Strukturen 22 zum Leiten und Verteilen des Kühlmittels angeordnet. Das Gehäuse umfasst weiterhin ein Heizelement 24 und eine Umschaltung 26 mit einer Klappe 28.
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2 zeigt eine weitere Darstellung des Batteriesystems 10 der 1. Alle Bauteile des Batteriesystems 10 weisen die gleichen Bezugszeichen auf, wie in dem Batteriesystem 10 der 1. Das Batteriesystem 10 zeigt einen Betriebszustand, bei dem das Heizelement 24 das Kühlmittel im Inneren des Gehäuses 14 aufheizt um die Batteriezellen 12 auf eine bestimmte Betriebstemperatur, beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von 35°C, zu erwärmen. Damit die zugeführte Wärme des Heizelements 24 nicht über das Kühlmittel an den Kühlkörper 16 abgegeben wird, blockiert die Umschaltung 26 mit Hilfe der Klappe 28 den Zugang des Kühlmittels zum Kühlkörper 16. Die Zirkulation des Kühlmittels ist mit den Pfeilen 30 dargestellt. Es ist in 2 erkennbar, dass das Kühlmittel während des Heizvorgangs nicht mit dem Kühlkörper 16 in Kontakt kommt.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Detailansicht einer Batteriezelle 12, welche von dem Kühlmittel umströmt wird. Die Pfeile 32 zeigen dabei auf, wie das Kühlmittel das Batteriemodul umströmt. In dem Gehäuse 14 sind Strukturen 22 angeordnet, um das Kühlmittel zu führen. Es ist erkennbar, wie das Kühlmittel entlang der Batteriezelle 12 zum Gehäuse 16 strömt und dort in Kontakt mit dem Kühlkörper 16 kommt. Weiterhin ist eine aktive Komponente 34 in Form einer Radialpumpe 36 angeordnet, um aktiv das Kühlmittel im Inneren des Gehäuses zirkulieren zu lassen.
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4 zeigt eine isometrische Ansicht des Ausschnitts der 3. Zur besseren Darstellung wird vom Gehäuse 14 nur der Boden dargestellt. Weiterhin ist erkennbar, dass mehrere Batteriezellen 12 in dem Gehäuse 14 angeordnet werden können, obwohl in der isometrischen Ansicht nur drei Batteriezellen 12 dargestellt sind. Die weiteren Batteriezellen 12 wurden für die bessere Darstellung der Pfeile 32 zur Darstellung der Zirkulation des Kühlmittels weg gelassen.
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5 zeigt einen schematischen Aufbau eines Benetzungssystems 38 des Kühlkörper 16. Zur besseren Übersicht wird das Gehäuse 14 nicht dargestellt. Das Benetzungssystem 38 umfasst einen Vorratsbehälter 40 für Wasser, eine elektrische durch ein Batteriemanagementsystem anzusteuernde Pumpe 42 und ein Ventil 44. Zur Verbesserung der Kühlung des Kühlkörpers 16 kann bei Bedarf Wasser aus dem Vorratsbehälter 40 mit Hilfe der Pumpe 42 und dem Ventil 44 an den Kühlkörper 16 geleitet werden. Der Kühlkörper 16 weist Kanäle auf, in die das Wasser hinein fließt. Das Wasser fließt durch den Kühlkörper 16 und tritt zwischen den äußeren Kühlrippen 18 aus und benetzt diese. Durch den Kontakt des Wassers mit dem Kühlkörper 16 wird das Wasser von der Wärmeenergie verdunstet und kühlt auf diese Weise den Kühlkörper 16 stärker als ein Luftstrom allein.
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Ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems, insbesondere eines oben beschriebenen Batteriesystems erfolgt folgendermaßen: die Wärmeenergie mindestens einer Batteriezelle 12 innerhalb des Gehäuses 14 des Batteriesystems 10 wird durch ein flüssiges Kühlmittel abgeführt. Das erwärmte Kühlmittel wird an mindestens einen Kühlkörper 16 geleitet. Am Kühlkörper 16 führt das Kühlmittel die aufgenommene Wärmeenergie an den Kühlkörper 16 ab. Der Kühlkörper 16 führt die Wärmeenergie nach außen an die Umgebung des Batteriesystems 10 ab.