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DE102017211922A1 - Arrangement for controlling the temperature of a cell module, battery with such an arrangement and vehicle - Google Patents

Arrangement for controlling the temperature of a cell module, battery with such an arrangement and vehicle Download PDF

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DE102017211922A1
DE102017211922A1 DE102017211922.5A DE102017211922A DE102017211922A1 DE 102017211922 A1 DE102017211922 A1 DE 102017211922A1 DE 102017211922 A DE102017211922 A DE 102017211922A DE 102017211922 A1 DE102017211922 A1 DE 102017211922A1
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fluid
cell
arrangement
arrangement according
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DE102017211922.5A
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Klaus Dietzel
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Vorgeschlagen wird u.a. eine Anordnung zur Temperierung zumindest eines in einem fluiddichten Batteriegehäuse (4) angeordneten Zellmoduls (5), welches wenigstens eine in einem fluiddichten Modulgehäuse (6) angeordnete elektrochemische Zelle aufweist, wobei das Batteriegehäuse (4) einen Fluidvorlauf (7) und einen Fluidrücklauf (8) für ein Temperierungsfluid (9) aufweist, und wobei das Modulgehäuse (6) des wenigstens einen Zellmoduls (5) zumindest teilweise in unmittelbarem Kontakt mit besagtem Temperierungsfluid (9) steht und von diesem umströmt ist/wird.

Figure DE102017211922A1_0000
Among other things, an arrangement is proposed for controlling the temperature of at least one cell module (5) arranged in a fluid-tight battery housing (4) which has at least one electrochemical cell arranged in a fluid-tight module housing (6), wherein the battery housing (4) has a fluid flow (7) and a Fluid return (8) for a Temperierungsfluid (9), and wherein the module housing (6) of the at least one cell module (5) is at least partially in direct contact with said Temperierungsfluid (9) and flows around this / is.
Figure DE102017211922A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperierung zumindest eines in einem fluiddichten Batteriegehäuse angeordneten Zellmoduls gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 8 der Erfindung betrifft dieselbe des Weiteren eine Batterie mit einer derartigen Anordnung zur Temperierung. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft dieselbe ferner ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit zumindest einer solchen Batterie.The invention relates to an arrangement for controlling the temperature of at least one cell module arranged in a fluid-tight battery housing according to the combination of features of patent claim 1 of the invention. According to claim 8 of the invention further relates to a battery with such a temperature control arrangement. According to claim 10 of the invention further relates to a vehicle, in particular motor vehicle, with at least one such battery.

Die US 2016/0149276 A1 beschreibt ein Zellmodul für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Stapel elektrochemischer Zellen, wobei sich sozusagen mäandernd zwischen den Zellen ein gemeinsamer Wärmetauscher windet, welcher von einem Temperierungsfluid durchflossen ist und einen Vor- und einen Rücklauf für dasselbe aufweist. Die DE 10 2015 214 662 A1 beschreibt eine Traktionsbatterie mit einem Batteriegehäuse, aufweisend wenigstens zwei Batteriezellmodule, wobei jeweils zwischen zwei Batteriezellmodulen eine Kühlplatte aufweisende Kühlvorrichtung mit Kühlmittelanschlüssen angeordnet ist.The US 2016/0149276 A1 describes a cell module for an electric or hybrid vehicle with a stack of electrochemical cells, so to speak meandering between the cells, a common heat exchanger winds, which is traversed by a Temperierungsfluid and has a flow and a return for the same. The DE 10 2015 214 662 A1 describes a traction battery with a battery case, comprising at least two battery cell modules, wherein each cooling cell having a cooling plate having coolant connections is arranged between two battery cell modules.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Temperierung eines Zellmoduls zu schaffen, welche im Hinblick auf den Stand der Technik bzgl. ihres Wirkungsgrades weiter verbessert ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit einer derartigen Anordnung sowie ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit zumindest einer solchen Batterie zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is to provide an arrangement for controlling the temperature of a cell module, which with respect to the prior art with respect to their efficiency is further improved. Moreover, it is an object of the invention to provide a battery with such an arrangement as well as a vehicle, in particular a motor vehicle, with at least one such battery.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe demnach zunächst durch eine Anordnung zur Temperierung zumindest eines in einem fluiddichten Batteriegehäuse angeordneten Zellmoduls, welches wenigstens eine in einem fluiddichten Modulgehäuse angeordnete elektrochemische Zelle aufweist, wobei das Batteriegehäuse einen Fluidvorlauf und einen Fluidrücklauf für ein Temperierungsfluid aufweist, und wobei das Modulgehäuse des wenigstens einen Zellmoduls zumindest teilweise in unmittelbarem Kontakt mit besagtem Temperierungsfluid steht und von diesem umströmt ist.The object is therefore initially achieved by an arrangement for controlling the temperature of at least one arranged in a fluid-tight battery housing cell module having at least one arranged in a fluid-tight module housing electrochemical cell, wherein the battery housing has a fluid flow and a fluid return for a Temperierungsfluid, and wherein the module housing the at least one cell module is at least partially in direct contact with said temperature control fluid and flows around it.

Aufgrund der unmittelbaren Kontaktierung des Modulgehäuses durch das Temperierungsfluid ist der Wirkungsgrad der Temperierung vorteilhaft erhöht. Ferner werden hierdurch eine optimale Lebensdauer der wenigstens einen elektrochemischen Zelle sowie ein von der Umgebungstemperatur unabhängiges Verhalten der Batterie erreicht.Due to the direct contacting of the module housing by the Temperierungsfluid the efficiency of the temperature control is advantageously increased. Furthermore, this achieves an optimum service life of the at least one electrochemical cell and independent of the ambient temperature behavior of the battery.

Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims describe preferred developments or refinements of the invention.

Bei der wenigstens einen elektrochemischen Zelle handelt es sich bevorzugt um eine an sich bekannte prismatische Zelle mit einem prismatischen Außengehäuse. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf besagte prismatische Zelle, sondern erfasst alternativ auch eine sogenannte Pouch-Zelle oder Rund-Zelle. Unter einer Pouch-Zelle wird im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle verstanden, welche gestapelte oder aktive Schichten aufweist, die von einer flexiblen Außenfolie eingeschlossen sind. Es fehlt hier an einem Außengehäuse. Bei der besagten Rundzelle handelt es sich demgegenüber um eine elektrochemische Zelle mit einem zylindrischen Außengehäuse, in welchem eine um eine innere Elektrode gewickelte aktive Schicht angeordnet ist. Vorteilhaft besteht das Modulgehäuse aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, oder aus einem Kunststoff, welcher bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Weiter vorteilhaft sind der Fluidvorlauf und der Fluidrücklauf in einem Fluidkreislauf mit zumindest einem Wärmetauscher angeordnet. Darüber hinaus sind bevorzugt dem Fluidvorlauf eine Pumpe und ein Expansionstank vorgeordnet, um weiter bevorzugt in Abhängigkeit einer sensorisch in oder an der elektrochemischen Zelle, im oder am Zellmodul und/oder im oder am Batteriegehäuse ermittelten Temperatur die Strömungsgeschwindigkeit des Temperierungsfluids und damit den Grad der Temperierung, sei es Kühlung oder Erwärmung, zu regeln. Vorteilhaft ist das Temperierungsfluid zumindest elektrisch nicht leitend ausgebildet, um bei einem etwaigen Defekt der Batterie nachteilige Auswirkungen durch besagtes Temperierungsfluid wirkungsvoll zu verhindern.The at least one electrochemical cell is preferably a prismatic cell known per se with a prismatic outer casing. However, the invention is not limited to said prismatic cell, but alternatively also includes a so-called pouch cell or round cell. A pouch cell is generally understood to mean an electrochemical cell having stacked or active layers enclosed by a flexible outer foil. It lacks here on an outer housing. In contrast, said round cell is an electrochemical cell having a cylindrical outer housing in which an active layer wound around an inner electrode is arranged. Advantageously, the module housing consists of a metal, such as aluminum, or of a plastic, which preferably has a high thermal conductivity. Further advantageously, the fluid flow and the fluid return are arranged in a fluid circuit with at least one heat exchanger. In addition, a pump and an expansion tank are preferably arranged upstream of the fluid flow, in order to further preferably determine the flow velocity of the tempering fluid and thus the degree of temperature control as a function of a temperature sensed in or on the electrochemical cell, in or on the cell module and / or in or on the battery housing whether it be cooling or heating, to regulate. Advantageously, the tempering fluid is at least electrically non-conductive to effectively prevent adverse effects of said Temperierungsfluid at a possible defect of the battery.

Die Erfindung betrifft auch eine Batterie mit einer Anordnung der vorbeschriebenen Art. Bevorzugt handelt es sich bei der besagten Batterie um eine Traktions-Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs.The invention also relates to a battery having an arrangement of the type described above. The said battery is preferably a traction battery of a vehicle, in particular of an electric or hybrid vehicle.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit zumindest einer solchen Batterie.Furthermore, the invention relates to a vehicle, in particular motor vehicle, with at least one such battery.

Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:

  • 1 äußerst schematisch ein Fahrzeug mit einer Batterie, welche die erfindungsgemäße Temperierungsanordnung aufweist, und
  • 2 die Temperierungsanordnung in einer äußerst schematischen Detailansicht.
The invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown schematically in the drawing. However, it is not limited to this, but covers all embodiments defined by the claims. Show it:
  • 1 very schematically a vehicle with a battery having the Temperierungsanordnung invention, and
  • 2 the Temperierungsanordnung in a very schematic detail view.

1 zeigt zunächst ein Fahrzeug 1, vorliegend einen Personenkraftwagen, mit einem Elektromotor 2 als Antriebsmotor und einer Batterie 3. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel handelt sich somit um ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1 mit einer Traktions- bzw. Hochvolt-Batterie 3. Durch die Erfindung mit erfasst ist insbesondere auch ein sogenanntes Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeug, welches neben einem oder mehreren Elektromoren 2 auch einen Verbrennungsmotor aufweist (nicht zeichnerisch dargestellt). 1 shows first a vehicle 1 , in this case a passenger car, with a electric motor 2 as a drive motor and a battery 3 , According to this embodiment is thus a purely electrically powered vehicle 1 with a traction or high-voltage battery 3 , Also included by the invention is a so-called hybrid or plug-in hybrid vehicle, which in addition to one or more electric motors 2 also has an internal combustion engine (not shown in the drawing).

Die Batterie 3 weist zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr in einem fluiddichten Batteriegehäuse 4 angeordnete und untereinander elektrisch verschaltete Zellmodule 5 (vgl. 2) auf, welche bevorzugt jeweils eine Mehrzahl nicht zeichnerisch dargestellter elektrochemischer Zellen umfassen, die parallel und/oder in Reihe untereinander elektrisch verschaltet sind. Die elektrochemischen Zellen können beispielsweise durch prismatische Zellen, Pouch-Zellen oder Rund-Zellen gebildet sein.The battery 3 has at least one, preferably two or more in a fluid-tight battery housing 4 arranged and electrically interconnected cell modules 5 (see. 2 ), which preferably each comprise a plurality of non-illustrated electrochemical cells which are electrically connected in parallel and / or in series with each other. The electrochemical cells may be formed, for example, by prismatic cells, pouch cells or round cells.

Von der Mehrzahl Zellmodule 5 sind der Einfachheit halber lediglich drei Zellmodule 5 zeichnerisch dargestellt. Die Zellmodule 5 weisen jeweils ein fluiddichtes Modulgehäuse 6 auf, welches aus einem Metall, insbesondere Aluminium, oder aus einem Kunststoff besteht. Ferner sind die Zellmodule 5 mit Abstand zueinander im Batteriegehäuse 4 angeordnet.Of the majority of cell modules 5 For the sake of simplicity, only three cell modules are used 5 illustrated by drawings. The cell modules 5 each have a fluid-tight module housing 6 on, which consists of a metal, in particular aluminum, or of a plastic. Further, the cell modules 5 at a distance from each other in the battery case 4 arranged.

Das Batteriegehäuse 4 weist einen Fluidvorlauf 7 und einen Fluidrücklauf 8 zum Fluten des Batteriegehäuses 4 mit einem Temperierungsfluid 9 auf, so dass im gefluteten Zustand des Batteriegehäuses 4 die darin angeordneten Zellmodule 5 mit ihrem Modulgehäuse 6 zumindest teilweise im unmittelbaren Kontakt mit besagtem Temperierungsfluid 9 stehen. Unter einem Temperierungsfluid 9 wird nicht nur eine Kühlfluid, wie eine Kühlflüssigkeit, verstanden, sondern auch ein Temperierungsfluid 9, welches sowohl zur Kühlung der Zellmodule 5 als auch zur Erwärmung derselben geeignet ist.The battery case 4 has a fluid flow 7 and a fluid return 8th for flooding the battery case 4 with a tempering fluid 9 on, so in the flooded state of the battery case 4 the cell modules arranged therein 5 with its module housing 6 at least partially in direct contact with said tempering fluid 9 stand. Under a Temperierungsfluid 9 is understood not only a cooling fluid, such as a cooling liquid, but also a Temperierungsfluid 9 which is used both for cooling the cell modules 5 as well as for heating the same is suitable.

Der Fluidvorlauf 7 und der Fluidrücklauf 8 sind in einem Fluidkreislauf 10 mit einem Wärmetauscher 11 angeordnet. Darüber hinaus sind innerhalb des besagten Fluidkreislaufes 10 dem Fluidvorlauf 7 eine Pumpe 12 zur Realisierung eines Fluidstroms innerhalb des Fluidkreislaufes 10 sowie ein Expansionstank 13 des sich infolge Erwärmung ausdehnenden Temperierungsfluids 9 vorgeordnet, so dass die Zellmodule 5 respektive deren Modulgehäuse 6 bei Bedarf von Temperierungsfluid 9 umströmt sind und so Wärmeenergie von den Zellmodulen 5 abgeführt oder denselben zugeführt werden kann. Wie der 2 noch zu entnehmen ist, ist der Wärmetauscher 11 in einen im Detail nicht näher dargestellten, an sich bekannten Fluidkreislauf 14 (gestrichelte Linienführung) beispielsweise einer Klimaanlage des Fahrzeugs 1 eingebunden, wodurch neben der Kühlung des Temperierungsfluids 9 bei Bedarf auch eine einfache Erwärmung desselben ermöglicht ist.The fluid flow 7 and the fluid return 8th are in a fluid circuit 10 with a heat exchanger 11 arranged. In addition, within the said fluid circuit 10 the fluid flow 7 a pump 12 for realizing a fluid flow within the fluid circuit 10 as well as an expansion tank 13 of the expanding as a result of heating Temperierungsfluids 9 upstream so that the cell modules 5 respectively their module housing 6 if required by Temperierungsfluid 9 flows around and so heat energy from the cell modules 5 can be removed or fed to the same. Again 2 can still be seen, is the heat exchanger 11 in a detail not shown in detail, known per se fluid circuit 14 (dashed lines), for example, an air conditioning system of the vehicle 1 integrated, which in addition to the cooling of Temperierungsfluids 9 If necessary, a simple heating of the same is possible.

Bevorzugt wird dazu in Abhängigkeit einer sensorisch in oder an der elektrochemischen Zelle, im oder am Zellmodul 5 und/oder im oder am Batteriegehäuse 4 ermittelten Temperatur die Strömungsgeschwindigkeit des Temperierungsfluids 9 und damit der Grad der Temperierung geregelt. Um den Fluidstrom innerhalb des Batteriegehäuses 4 im Sinne einer optimalen Temperierung der Zellmodule 5 zu beeinflussen und zu lenken, sind im Batteriegehäuse 4 vorteilhaft nicht zeichnerisch dargestellte Umlenkmittel, wie Umlenkbleche und/oder Prallbleche angeordnet, die den die Zellmodule 5 umströmenden Fluidstrom vom Fluidvorlauf 7 zum Fluidrücklauf 8 führen.It is preferred depending on a sensor in or on the electrochemical cell, in or on the cell module 5 and / or in or on the battery case 4 determined temperature, the flow velocity of Temperierungsfluids 9 and thus the degree of tempering regulated. To the fluid flow inside the battery case 4 in the sense of optimal temperature control of the cell modules 5 to influence and steer are in the battery case 4 advantageously not diagrammatically shown deflection means, such as baffles and / or baffles arranged, which the cell modules 5 flowing around fluid flow from the fluid flow 7 to the fluid return 8th to lead.

Was das Temperierungsfluid 9 anbelangt, handelt es sich hierbei bevorzugt um eine Flüssigkeit, welche insbesondere nicht elektrisch leitend, nicht brennbar und nicht entflammbar ist. Eine derartige Flüssigkeit wird beispielsweise durch die Firma 3M Deutschland GmbH unter der Bezeichnung „3M™ Novec™ 7300 High-Tech Flüssigkeit“ am Markt angeboten.What the tempering fluid 9 As far as this is concerned, this is preferably a liquid which is in particular non-electrically conductive, non-combustible and non-flammable. Such a liquid is for example by the company 3M Germany GmbH under the designation "3M ™ Novec ™ 7300 high-tech liquid" on the market.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fahrzeugvehicle
22
Elektromotorelectric motor
33
Batteriebattery
44
Batteriegehäusebattery case
55
Zellmodulcell module
66
Modulgehäusemodule housing
77
Fluidvorlauffluid flow
88th
FluidrücklaufFluid return
99
Temperierungsfluidtemperature control fluid
1010
FluidkreislaufFluid circuit
1111
Wärmetauscherheat exchangers
1212
Pumpepump
1313
Expansionstankexpansion tank
1414
FluidkreislaufFluid circuit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2016/0149276 A1 [0002]US 2016/0149276 A1 [0002]
  • DE 102015214662 A1 [0002]DE 102015214662 A1 [0002]

Claims (10)

Anordnung zur Temperierung zumindest eines in einem fluiddichten Batteriegehäuse (4) angeordneten Zellmoduls (5), welches wenigstens eine in einem fluiddichten Modulgehäuse (6) angeordnete elektrochemische Zelle aufweist, wobei das Batteriegehäuse (4) einen Fluidvorlauf (7) und einen Fluidrücklauf (8) für ein Temperierungsfluid (9) aufweist, und wobei das Modulgehäuse (6) des wenigstens einen Zellmoduls (5) zumindest teilweise in unmittelbarem Kontakt mit besagtem Temperierungsfluid (9) steht und von diesem umströmt ist/wird.Arrangement for controlling the temperature of at least one cell module (5) arranged in a fluid-tight battery housing (4), which has at least one electrochemical cell arranged in a fluid-tight module housing (6), wherein the battery housing (4) has a fluid flow (7) and a fluid return (8) for a Temperierungsfluid (9), and wherein the module housing (6) of the at least one cell module (5) is at least partially in direct contact with said Temperierungsfluid (9) and flows around this / is. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrochemische Zelle eine prismatische Zelle, eine Pouch-Zelle oder eine Rund-Zelle ist.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the at least one electrochemical cell is a prismatic cell, a pouch cell or a round cell. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (6) aus einem Metall oder einem Kunststoff besteht.Arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the module housing (6) consists of a metal or a plastic. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidvorlauf (7) und der Fluidrücklauf (8) in einem Fluidkreislauf (10) mit zumindest einem Wärmetauscher (11) angeordnet sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the fluid flow (7) and the fluid return (8) are arranged in a fluid circuit (10) with at least one heat exchanger (11). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fluidvorlauf (7) eine Pumpe (12) und ein Expansionstank (13) vorgeordnet sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the fluid flow (7), a pump (12) and an expansion tank (13) are arranged upstream. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer sensorisch in oder an der elektrochemischen Zelle, im oder am Zellmodul (5) und/oder im oder am Batteriegehäuse (4) ermittelten Temperatur die Strömungsgeschwindigkeit des Temperierungsfluids (9) und damit der Grad der Temperierung geregelt ist/wird.Arrangement according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the flow rate of the tempering fluid (9) and thus the degree of temperature control is regulated as a function of a sensory in or on the electrochemical cell, in or on the cell module (5) and / or in or on the battery housing (4) /becomes. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungsfluid (9) zumindest elektrisch nicht leitend ausgebildet ist.Arrangement according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the Temperierungsfluid (9) is at least electrically non-conductive. Batterie (3) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Battery (3) with an arrangement according to one of Claims 1 to 7 , Batterie (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe eine Traktions-Batterie (3) eines Fahrzeugs (1) ist.Battery (3) after Claim 8 , characterized in that it is a traction battery (3) of a vehicle (1). Fahrzeug (1), insbesondere Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Batterie (3) nach Anspruch 8 oder 9.Vehicle (1), in particular a motor vehicle, with at least one battery (3) Claim 8 or 9 ,
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