DE102021107347A1

DE102021107347A1 - Direkte temperaturregelung von batterien

Info

Publication number: DE102021107347A1
Application number: DE102021107347.2A
Authority: DE
Inventors: Chih-Hung Yen; David R. Clark; Matthew Swift; Taeyoung Han; Kuo-Huey CHEN; Bahram Khalighi; Goro Tamai; Chih-Cheng Hsu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2021-12-02
Also published as: US20210376411A1; CN113745729A

Abstract

Ein Temperaturregelungssystem für eine Batterie wird bereitgestellt. Das Temperaturregelungssystem umfasst eine elektrochemische Zelle, die als Batterie ausgeführt sein kann. Die elektrochemische Zelle umfasst ein Gehäuse mit einer ersten Seitenfläche, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und eine erste Temperatursteuerkammer, die ein dielektrisches Fluid enthält. Die erste Temperatursteuerkammer befindet sich entlang der ersten Seitenfläche des Gehäuses oder entlang mindestens eines der ersten oder zweiten Enden des Gehäuses. Das dielektrische Fluid ist an der ersten Seitenfläche oder am ersten Ende oder am zweiten Ende in direktem Kontakt mit dem Gehäuse.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, wie z.B. Lithiumionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, u.a. in Produkten der Automobilindustrie, wie z.B. in Start-Stopp-Systemen (z.B. 12V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen („pBAS“), Hybrid-Elektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyten. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode oder Kathode, und die andere Elektrode dient als negative Elektrode oder Anode. Lithiumionen-Batterien können auch verschiedene Anschluss- und Gehäusematerialien enthalten. Herkömmliche wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester Form, in flüssiger Form oder in Form eines Festkörper-Flüssigkeit-Hybrids vorliegen. In den Fällen von Festkörperbatterien, die einen zwischen Festkörperelektroden angeordneten Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Wenn elektrochemische Zellen, einschließlich Batterien, bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, kann es zu Kapazitätsverlust, Leistungsabfall und unter bestimmten Umständen zu thermischem Durchgehen kommen. Andererseits kann der Betrieb bei zu niedrigen Temperaturen zu erhöhtem Widerstand, erhöhter Ablagerung bzw. Plattierung und verminderter Kapazität führen. Daher maximiert die Einhaltung eines gewünschten Betriebstemperaturbereichs die Effizienz und Lebensdauer der elektrochemischen Zelle. Dementsprechend sind Systeme zur Temperaturregelung elektrochemischer Zellen wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die direkte Temperaturregelung von Batterien.
In verschiedenen Aspekten stellt die aktuelle Technologie ein Temperaturregelungssystem für eine elektrochemische Zelle, wie z.B. eine Batterie, bereit. Das Temperaturregelungssystem umfasst eine elektrochemische Zelle, wobei die elektrochemische Zelle ein Gehäuse mit einer ersten Seitenfläche umfasst, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und eine erste Temperatursteuerkammer, die ein dielektrisches Fluid enthält und entlang mindestens einer der folgenden Komponenten angeordnet ist: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, des ersten Endes des Gehäuses oder des zweiten Endes des Gehäuses, wobei das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem Gehäuse entlang mindestens einer der folgenden Komponenten steht: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, des ersten Endes des Gehäuses, oder des zweiten Endes des Gehäuses.
In einem Aspekt umfasst das Temperaturregelungssystem außerdem eine Pumpe, die so konfiguriert ist, dass sie das dielektrische Fluid durch eine Einlassöffnung der Temperatursteuerkammer in die erste Temperatursteuerkammer und durch eine Auslassöffnung der Temperatursteuerkammer aus der ersten Temperatursteuerkammer pumpt.
In einem Aspekt umfasst das Temperaturregelungssystem die erste Temperatursteuerkammer, die sich an einem ersten Ende der elektrochemischen Zelle befindet, und eine zweite Temperatursteuerkammer, die sich am zweiten Ende der elektrochemischen Zelle befindet, wobei das Temperaturregelungssystem ferner eine Leitung umfasst, die sich von der ersten Temperatursteuerkammer zur zweiten Temperatursteuerkammer erstreckt, so dass die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer in Fluidkommunikation stehen.
In einem Aspekt umfasst das mindestens eine von dem ersten Ende oder dem zweiten Ende der elektrochemischen Zelle eine Lasche, und das dielektrische Fluid steht in direktem Kontakt mit der Lasche.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle ferner eine zweite Seitenfläche, die von der ersten Seitenfläche abgewandt ist, und das Temperaturregelungssystem umfasst die erste Temperatursteuerkammer, die entlang der ersten Seitenfläche angeordnet ist, und eine zweite Temperatursteuerkammer, die entlang der zweiten Seitenfläche angeordnet ist, wobei das Temperaturregelungssystem ferner eine Leitung umfasst, die sich von der ersten Temperatursteuerkammer zu der zweiten Temperatursteuerkammer erstreckt, so dass die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer in Fluidverbindung stehen.
In einem Aspekt umfasst das Temperaturregelungssystem ferner einen ersten Abstandshalter, der entlang der ersten Seitenfläche innerhalb der ersten Temperatursteuerkammer angeordnet ist, und einen zweiten Abstandshalter, der entlang der zweiten Seitenfläche innerhalb der zweiten Temperatursteuerkammer angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Abstandshalter porös sind und ein wärmeleitendes Material umfassen.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle eine erste Platte, die sich von dem ersten Seitenrand nach außen erstreckt, und eine zweite Platte, die sich von dem zweiten Seitenrand nach außen erstreckt, wobei die erste und die zweite Platte ein wärmeleitendes Metall enthalten und die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer so angeordnet sind, dass das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit der ersten und der zweiten Platte steht.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle ferner gegenüberliegende dritte und vierte Seitenflächen, die orthogonal zu den ersten und zweiten Seitenflächen sind, und die elektrochemische Zelle ist so positioniert, dass die erste Seitenfläche und die erste Temperatursteuerkammer oberhalb der zweiten Seitenfläche und der zweiten Temperatursteuerkammer angeordnet sind, und die erste Temperatursteuerkammer umfasst eine Vielzahl von Durchbrechungen, die so konfiguriert sind, dass das dielektrische Fluid entlang der dritten und vierten Seitenflächen durch Schwerkraft nach unten strömen kann, und die zweite Temperatursteuerkammer ist so konfiguriert, dass sie das aus der ersten Temperatursteuerkammer nach unten strömende dielektrische Fluid aufnimmt und das dielektrische Fluid zu einem Kollektor leitet.
In einem Aspekt ist die elektrochemische Zelle eine zylindrische Zelle.
In einem Aspekt kapselt die erste Temperatursteuerkammer die gesamte elektrochemische Zelle ein, und das dielektrische Fluid strömt durch die erste Temperatursteuerkammer in einer Richtung vom ersten Ende zum zweiten Ende der elektrochemischen Zelle, und die erste Temperatursteuerkammer enthält aktive oder passive Rührwerke zur Unterbrechung des Stroms des dielektrischen Fluids.
In einem Aspekt ist die Batterie eine Pouch-Batterie oder eine prismatische Batterie.
In einem Aspekt umfasst das Temperaturregelungssystem außerdem eine Heizung zum Erwärmen des dielektrischen Fluids, wobei das erwärmte dielektrische Fluid so konfiguriert ist, dass es die elektrochemische Zelle erwärmt.
In verschiedenen Aspekten stellt die gegenwärtige Technologie auch ein Temperaturregelungssystem für einen Batteriepack bereit, wobei das Temperaturregelungssystem eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen enthält, die in einem Stapel ausgerichtet sind und den Batteriepack bilden, wobei der Batteriepack eine erste Seitenfläche und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche, einen ersten Stapelrand und einen gegenüberliegenden Stapelrand, wobei der erste und der zweite Stapelrand orthogonal zu der ersten und der zweiten Seitenfläche sind, und ein erstes Stapelende und ein gegenüberliegendes zweites Stapelende enthält, wobei sich die erste und die zweite Seitenfläche und der erste und der zweite Stapelrand von dem ersten Stapelende zu dem zweiten Stapelende erstrecken, und eine erste und eine zweite Temperatursteuerkammer enthält, die entweder an dem ersten Stapelende bzw. dem zweiten Stapelende oder an dem ersten Stapelrand bzw. dem zweiten Stapelrand angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Temperatursteuerkammer ein dielektrisches Fluid enthalten, wobei das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem Batteriepack steht.
In einem Aspekt hat das dielektrische Fluid eine Durchschlagfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 3 MV/m.
In einem Aspekt enthält das erste Stapelende eine erste Vielzahl von Laschen, die sich vom ersten Stapelende nach außen erstrecken, und das zweite Laschenende enthält eine zweite Vielzahl von Laschen, die sich vom zweiten Stapelende nach außen erstrecken, wobei die erste und die zweite Temperatursteuerkammer am ersten Stapelende und am zweiten Stapelende so angeordnet sind, dass das dielektrische Fluid die erste und die zweite Vielzahl von Laschen berührt.
In einem Aspekt umfasst das Temperaturregelungssystem ferner eine erste Leitung, die sich von einem ersten Auslass der ersten Temperatursteuerkammer zu einem ersten Einlass der zweiten Temperatursteuerkammer erstreckt, eine zweite Leitung, die sich von einem zweiten Auslass der zweiten Temperatursteuerkammer zu einem ersten Einlass der ersten Temperatursteuerkammer erstreckt, und eine Pumpe, die entweder der ersten Leitung oder der zweiten Leitung zugeordnet ist, wobei die Pumpe für einen gerichteten Strom des dielektrischen Fluids durch die erste und zweite Temperatursteuerkammer sorgt.
In einem Aspekt führt die erste Leitung und/oder die zweite Leitung durch eine Zusatzkomponente, die von der Temperaturregelung profitiert, so dass das dielektrische Fluid die Temperatur der Zusatzkomponente regelt.
In verschiedenen Aspekten stellt die gegenwärtige Technologie weiterhin ein Verfahren zur Regelung einer Betriebstemperatur einer elektrochemischen Zelle bereit, wobei das Verfahren das direkte Kontaktieren der elektrochemischen Zelle mit einem dielektrischen Fluid einschließt.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle ein Gehäuse mit einer ersten Seitenfläche, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, wobei das dielektrische Fluid durch mindestens eine Temperatursteuerkammer strömt, wobei die mindestens eine Temperatursteuerkammer an der elektrochemischen Zelle entlang mindestens einer der folgenden Komponenten angeordnet ist: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, des ersten Endes des Gehäuses oder des zweiten Endes des Gehäuses.
In einem Aspekt ist das entlang mindestens einem von: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, dem ersten Ende des Gehäuses oder dem zweiten Ende des Gehäuses ein Batteriepack mit einer Vielzahl von Pouch-Zellen, eine prismatische Zelle oder eine zylindrische Zelle.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A ist eine zweidimensionale schematische Darstellung eines Beispiels einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie.
1 B ist eine dreidimensionale schematische Darstellung des Beispiels der elektrochemischen Zelle.
2A ist eine Darstellung eines ersten Beispiels eines Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
2B ist eine Darstellung eines zweiten Beispiels eines Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
3A ist eine Darstellung einer Pouch-Zelle.
3B ist eine Darstellung eines Batteriepacks mit einer Vielzahl von Pouch-Zellen.
4A ist eine erste Ansicht eines anderen Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
4B ist eine zweite Ansicht des in 4A gezeigten Systems.
4C ist eine dritte Ansicht des in 4A dargestellten Systems.
5A ist eine erste Ansicht eines anderen Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
5B ist eine zweite Ansicht des in 5A gezeigten Systems.
6A ist eine erste Ansicht eines anderen Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
6B ist eine zweite Ansicht des in 6A gezeigten Systems.
6C ist eine dritte Ansicht des in 6A dargestellten Systems.
7A ist eine Ansicht eines anderen Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie, wobei das System aktive Rührwerke umfasst.
7B ist eine Ansicht eines anderen Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle in Form einer Batterie gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie, wobei das System passive Rührwerke umfasst.
7C zeigt Darstellungen von Beispielen passiver Rührwerke, die gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie hergestellt wurden.
8A ist eine erste Ansicht eines weiteren Systems zur Regelung der Temperatur einer elektrochemischen Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie.
8B ist eine zweite Ansicht des in 8A gezeigten Systems.
8C ist eine dritte Ansicht des in 8A dargestellten Systems.
9 zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie einen Batteriepack mit Abstandshaltern aus einem thermisch leitenden Material, die zwischen Pouch-Zellen angeordnet sind.
10 zeigt eine Pouch-Zelle mit thermisch leitenden Platten, die sich von den Rändern einer Pouch-Zelle nach außen erstrecken, wobei gemäß verschiedenen Aspekten der aktuellen Technologie auf den thermisch leitenden Platten Temperatursteuerkammern angeordnet sind.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Elektrochemische Zellen können bei Temperaturen von größer oder gleich etwa - 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 60 °C betrieben werden, um die Verbesserung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer der elektrochemischen Zelle zu fördern. Dementsprechend stellt die aktuelle Technologie Systeme und Verfahren zur Regelung der Betriebstemperatur von elektrochemischen Zellen bereit. Das System ist z.B. in einem Fahrzeug einsetzbar. Nicht einschränkende Beispiele für Fahrzeuge, die von den Systemen und Verfahren profitieren können, sind Automobile, Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohnmobile, Wohnwagen, Geländewagen, Schneemobile, Flugzeuge und Panzer.
Eine beispielhafte elektrochemische Zelle 10 ist in 1A und 1B dargestellt. Die elektrochemische Zelle 10 kann eine Batterie sein, die in Form einer Pouch-Zelle, einer Vielzahl von Pouch-Zellen, die einen Batteriepack bilden, einer prismatischen Zelle oder einer zylindrischen Zelle vorliegt. In bestimmten Aspekten der aktuellen Technologie ist die elektrochemische Zelle 10 eine Batterie und keine Brennstoffzelle oder eine andere Art von elektrochemischer Vorrichtung. Die elektrochemische Zelle 10 kann Ionen, wie z.B. Lithiumionen oder Natriumionen, zyklisch bewegen bzw. zirkulieren lassen und kann einen flüssigen Elektrolyten haben oder eine Festkörperbatterie oder eine Ganzmetallbatterie sein. Die elektrochemische Zelle 10 hat ein Gehäuse 12 mit einer ersten Seitenfläche 14 und optional einer zweiten Seitenfläche 16, die sich von einem ersten Ende 18 zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 20 erstrecken. Wenn die elektrochemische Zelle 10 zum Beispiel eine zylindrische Zelle ist, hat sie nur die erste Seitenfläche 14, die zylindrisch ist. Wenn die elektrochemische Zelle 10 jedoch eine Pouch-Zelle oder eine prismatische Zelle ist, hat sie sowohl die erste Seitenfläche 14 als auch die zweite Seitenfläche 16. Das Gehäuse kapselt und schützt die Komponenten der elektrochemischen Zelle, wie z.B. eine Anode, eine Kathode, mindestens einen Stromkollektor und einen Separator und/oder einen Elektrolyten, als nicht einschränkende Beispiele.
1 B ist eine dreidimensionale Ansicht der elektrochemischen Zelle 10, wenn sie die erste und zweite Seitenfläche 14, 16 umfasst. Hier umfasst die elektrochemische Zelle 10 auch gegenüberliegende erste und zweite Ränder 22, 24, die sich vom ersten Ende 18 zum zweiten Ende 20 des Gehäuses 12 erstrecken und die orthogonal zu den ersten und zweiten Seitenflächen 14, 16 sind.
Unter Bezugnahme auf 2A sieht die aktuelle Technologie ein System 26a zur Regelung der Temperatur der elektrochemischen Zelle 10 vor. Das System umfasst die elektrochemische Zelle 10 und eine Temperatursteuerkammer 28. Die Temperatursteuerkammer 28 hat ein Kammergehäuse 30, eine Einlassöffnung 32 und eine Auslassöffnung 34. Die Ein- und Auslassöffnungen 32, 34 stehen über einen durch das Gehäuse definierten Innenraum oder einen Strömungskanal in Fluidverbindung. Die Temperatursteuerkammer 28 enthält oder führt ein dielektrisches Fluid, das in direktem Kontakt mit der elektrochemischen Zelle 10 steht, z.B. mit dem Gehäuse 12 der elektrochemischen Zelle. Das System 26a umfasst auch mindestens eine Leitung 36 und mindestens eine Pumpe 38. Die Leitung 36, als nicht einschränkende Beispiele, ist ein Rohr oder ein Schlauch. Die Pumpe 36 erzeugt und erhält den gerichteten Fluss des dielektrischen Fluids durch die Leitung 36, durch die Temperatursteuerkammer 28 und zurück zur Pumpe 36, wie durch Pfeile dargestellt. Mit dieser Konfiguration kann der Fluss des dielektrischen Fluids kontinuierlich oder diskontinuierlich aufrechterhalten werden, je nach gewünschtem Betrieb der Pumpe 38. In einigen Aspekten verläuft die Leitung 36 durch oder in der Nähe von zusätzlichen Einheiten oder Komponenten 40, die ebenfalls eine Temperaturregelung erfordern oder die das dielektrische Fluid konditionieren, wie z.B. eine Heizung, wie im Folgenden näher beschrieben.
Wie in 2A gezeigt (mit Bezug auf 1A und 1 B), ist die Temperatursteuerkammer 28 am ersten Ende 18 der elektrochemischen Zelle 10 angeordnet. Bei dieser Konfiguration steht das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem ersten Ende 18 der elektrochemischen Zelle 10. Es versteht sich jedoch, dass das System 26a weiterhin eine zweite Temperatursteuerkammer 28 umfassen kann, die am zweiten Ende 20 der elektrochemischen Zelle 10 angeordnet ist. Wenn das System 26a mehr als eine Temperatursteuerkammer 28 enthält, stehen diese über die Leitung 36 in Fluidverbindung miteinander. Die Pumpe 38 sorgt für einen gerichteten Fluss des dielektrischen Fluids durch die erste und zweite Temperatursteuerkammer 28.
2B zeigt ein weiteres System 26b. Das System 26b ähnelt dem System 26a aus 2A. Der Unterschied ist hier, dass die Temperatursteuerkammer 28 an dem ersten Rand 22 der elektrochemischen Zelle 10 angeordnet ist. Bei dieser Konfiguration steht das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem ersten Rand 22 der elektrochemischen Zelle 10. Es versteht sich jedoch, dass das System 26b weiterhin eine zweite Temperatursteuerkammer 28 umfassen kann, die an dem zweiten Rand 24 der elektrochemischen Zelle 10 angeordnet ist.
Obwohl nicht dargestellt, kann die Temperatursteuerkammer 28 auf der ersten Seitenfläche 14 und/oder der zweiten Seitenfläche 16 der elektrochemischen Zelle 10 oder an einer beliebigen Kombination von Enden 18, 20, Rändern, 22, 24 oder Seitenflächen 14, 16 angeordnet sein. Entsprechend umfassen die Systeme 26a, 26b mindestens eine Temperatursteuerkammer 28.
Das dielektrische Fluid steht innerhalb der mindestens einen Temperatursteuerkammer 28 in direktem Kontakt mit der elektrochemischen Zelle 10. Die beim Betrieb der elektrochemischen Zelle 10 entstehende Wärme wird an das dielektrische Fluid abgegeben. Dadurch wird die erwärmte elektrochemische Zelle 10 abgekühlt. Im Gegensatz dazu wird das dielektrische Fluid bei Leerlauf oder Betrieb unter kalten Umgebungsbedingungen durch eine Heizung, z.B. eine PTC-Heizung, konditioniert oder erwärmt, und der Wärmeaustausch zwischen dem dielektrischen Fluid und der elektrochemischen Zelle 10 kann zu einer Erhöhung der Temperatur der elektrochemischen Zelle führen, d.h. die elektrochemische Zelle 10 wird erwärmt. Durch die Systeme 26a, 26b wird die Betriebstemperatur der elektrochemischen Zelle 10 je nach Bedarf gekühlt oder geheizt, um eine Temperatur von größer oder gleich etwa - 20 °C bis kleiner oder gleich etwa 60 °C zu halten.
In bestimmten Aspekten kann das dielektrische Fluid beispielsweise einen Siedepunkt von größer oder gleich etwa -40 °C bis kleiner oder gleich etwa 200 °C, größer oder gleich etwa 10 °C bis kleiner oder gleich etwa 180 °C oder größer oder gleich etwa 60 °C bis kleiner oder gleich etwa 85 °C haben. Das dielektrische Fluid kann so konfiguriert sein, dass es einen Phasenwechsel zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Zustand durchläuft und kann nicht-entflammbar sein. In bestimmten Aspekten umfasst das dielektrische Fluid beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Perfluorkohlenwasserstoffe oder Kombinationen davon. In bestimmten anderen Aspekten hat das dielektrische Fluid eine Durchbruchsspannung oder Durchschlagsfestigkeit, die durch eine kritische Spannung über einen Spalt von 0,1 Zoll zwischen Elektroden quantifizierbar ist. Das dielektrische Fluid kann eine Durchschlagsfestigkeit von größer oder gleich etwa 3 MV/m haben. Nicht einschränkende Beispiele für dielektrische Flüssigkeiten sind dielektrische Flüssigkeit Novec™ 7500 von 3M, dielektrische Flüssigkeit MiVolt^® DFK von M&l Materials, dielektrische Flüssigkeit Mobil EV Therm Elite™ 701 von ExxonMobil und Kombinationen davon.
Weitere Aspekte der aktuellen Technologie werden mit Bezug auf die 3-10 beschrieben. Diese Aspekte werden im Hinblick auf eine Batterie bereitgestellt, die eine Vielzahl von Pouch-Zellen umfasst, die einen Batteriepack bilden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Systeme und Verfahren auch auf ursprüngliche Zellen und zylindrische Zellen anwendbar sind.
Eine beispielhafte Pouch-Zelle 50 ist in 3A dargestellt. Die Pouch-Zelle 50 umfasst ein Gehäuse 52 mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Zellenwänden 54, 56 und gegenüberliegenden ersten und zweiten Zellenrändern 58, 60, die orthogonal zu den Zellenwänden 54, 56 sind. Die erste und zweite Zellenwand 54, 56 und der erste und zweite Zellenrand 58, 60 erstrecken sich von einem ersten Zellenende 62 zu einem gegenüberliegenden zweiten Zellenende 64 des Gehäuses 52. Wie in 3A gezeigt, kann die Pouch-Zelle 50 auch Laschen 66 umfassen, die sich von mindestens einem der ersten oder zweiten Enden 62, 64 allgemein nach außen erstrecken. Das Gehäuse 52 kapselt zumindest teilweise mindestens eine elektrochemische Zelle ein, die mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode, die durch einen Separator getrennt sind, und einen Elektrolyten umfasst, wobei der Separator und der Elektrolyt eine einzige Komponente sein können, wie z.B. in einer Festkörperzelle oder einer Ganzmetallzelle. In bestimmten Aspekten umfasst die Pouch-Zelle 50 zwei Laschen 66, wobei eine Lasche 66 mit der mindestens einen Kathode und die andere Lasche 66 mit der mindestens einen Anode verbunden ist. Die beiden Laschen 66 können sich an gegenüberliegenden Zellenenden 62, 64 befinden, wie in 3A gezeigt, oder sie können sich beide an einem einzigen Ende befinden, wobei das einzige Ende entweder das erste Zellenende 62 oder das zweite Zellenende 64 ist.
Wie in 3B gezeigt, kann eine Vielzahl der Pouch-Zellen 50 gestapelt werden, um einen Batteriepack 68 zu bilden. Die Vielzahl der Pouch-Zellen 50 kann als nicht einschränkende Beispiele als „Toast“-Zellenstapel oder als „Pfannkuchen“-Zellenstapel gestapelt werden. Die Vielzahl der Pouch-Zellen 50 umfasst mindestens 2 Pouch-Zellen 50. Die mit gestrichelten Linien dargestellte zentrale Pouch-Zelle 50 zeigt entweder, dass die zentrale Pouch-Zelle 50 optional ist oder aus einer beliebigen Anzahl von Pouch-Zellen 50 bestehen kann, z.B. größer oder gleich 1 bis kleiner oder gleich etwa 50 Pouch-Zellen 50.
Der Batteriepack 68 umfasst eine erste Seitenfläche 70, die durch eine erste Zellenwand 54 einer ersten Pouch-Zelle 50 der Vielzahl definiert ist, eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 72, die durch eine zweite Zellenwand 56 einer letzten Pouch-Zelle 50 der Vielzahl definiert ist, und gegenüberliegende erste und zweite Stapelränder 74, 76, die durch die ersten und zweiten Zellenränder 58, 60 jeder Pouch-Zelle 50 der Vielzahl definiert sind. Die ersten und zweiten Stapelränder 74, 76 sind orthogonal zu den ersten und zweiten Seitenflächen 70, 72. Der Batteriepack 68 umfasst auch gegenüberliegende erste und zweite Stapelenden 78, 80, die durch die ersten und zweiten Zellenenden 62, 64 jeder Pouch-Zelle 50 der Vielzahl definiert sind. Obwohl die Laschen 66 jeder Pouch-Zelle 50 in der Figur freiliegend dargestellt sind, können sie selbstverständlich verbunden werden, z.B. mit einer Stromschiene als nicht einschränkendes Beispiel.
Unter Bezugnahme auf 4A-4C stellt die aktuelle Technologie ein Temperaturregelungssystem 100 für eine elektrochemische Zelle bereit, wobei die elektrochemische Zelle in Form einer Batterie vorliegen kann, die eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst, die einen Batteriepack 102 bilden. Der Batteriepack 102 weist Merkmale auf, die denen entsprechen, die oben unter Bezugnahme auf die 3A-3B beschrieben wurden. Insbesondere umfasst der Batteriepack 102 eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 104, die in einem Stapel angeordnet sind und den Batteriepack 102 bilden. Der Batteriepack umfasst eine erste Seitenfläche 106 und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 108, einen ersten Stapelrand 110 und einen gegenüberliegenden Stapelrand 112, wobei der erste und der zweite Stapelrand 110, 112 orthogonal zu der ersten und der zweiten Seitenfläche 106, 108 sind, und ein erstes Stapelende 114 und ein gegenüberliegendes zweites Stapelende 116, wobei die erste und die zweite Seitenfläche 106, 108 und der erste und der zweite Stapelrand 110, 112 sich von dem ersten Stapelende 114 zu dem zweiten Stapelende 116 erstrecken. Eine Vielzahl von Laschen 118 erstreckt sich im Allgemeinen von jeder elektrochemischen Zelle 104 der Vielzahl an den ersten und zweiten Stapelenden 114, 116 nach außen.
Das System 100 umfasst ferner eine erste Temperatursteuerkammer 120, die am oder um das erste Stapelende 114 angeordnet ist, und eine zweite Temperatursteuerkammer 122, die am oder um das zweite Stapelende 116 angeordnet ist. Die erste und zweite Temperatursteuerkammer 120, 122 enthalten ein dielektrisches Fluid, das an den ersten und zweiten Stapelenden 114, 116 in direktem Kontakt mit dem Batteriepack 102 steht. Das dielektrische Fluid durchströmt die Temperatursteuerkammern 120, 122 in beliebiger Richtung, wie durch die Blockpfeile dargestellt. Obwohl die Pfeile zwei lineare Richtungen an jeder Temperatursteuerkammer 120, 122 zeigen, kann der Durchfluss an gegenüberliegenden oder benachbarten Enden jeder Temperatursteuerkammer 120, 122 in jede Richtung erfolgen. Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, führen Leitungen das dielektrische Fluid über eine Einlassöffnung in jede Temperatursteuerkammer 120, 122 und über eine Auslassöffnung aus jeder Temperatursteuerkammer 120, 122 heraus. Da der Durchfluss des dielektrischen Fluids durch eine Pumpe hergestellt wird, zirkuliert das dielektrische Fluid im gesamten System 100.
Wie oben beschrieben, kontaktiert das dielektrische Fluid den Batteriepack 102 an den ersten und zweiten Stapelenden 114, 116. Insbesondere berührt das dielektrische Fluid in jeder Temperatursteuerkammer 120, 122 mindestens eines von den Stapelenden 114, 116, den Laschen 118 oder eine die Laschen 118 verbindende Stromschiene. Daher kann das dielektrische Fluid eine beliebige Kombination aus den Stapelenden 114, 116, den Laschen 118 und einer Stromschiene oder nur eines der Stapelenden 114, 116, der Laschen 118 und einer Stromschiene kontaktieren. So zeigt 4B beispielhafte Fließwege des dielektrischen Fluids, die das Stapelende 116 und die Laschen 118 kontaktieren, und 4C zeigt beispielhafte Fließwege des dielektrischen Fluids, die nur die Laschen 118 (zusammen mit der Anschlusselektronik) kontaktieren.
Unter Bezugnahme auf die 5A-5B stellt die aktuelle Technologie ein weiteres Temperaturregelungssystem 130 für den Batteriepack 102 bereit. Hier ist eine Temperatursteuerkammer 132 an oder um den ersten Stapelrand 110 des Batteriepacks 102 angeordnet, so dass das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem ersten Rand 110 steht. In 5A strömt bzw. fließt das dielektrische Fluid in einer Richtung von der ersten Seitenwand 106 zur zweiten Seitenwand 108, und in 5B fließt das dielektrische Fluid in einer Richtung vom zweiten Stapelende 116 zum ersten Stapelende 114. Es versteht sich jedoch, dass das dielektrische Fluid über Leitungen, die an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung mit der Temperatursteuerkammer 132 verbunden sind, in beliebiger Richtung in die und aus der Temperatursteuerkammer 132 befördert werden kann, solange der Systemfluss des dielektrischen Fluids aufrechterhalten wird. Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kann das System 130 auch eine zweite Temperatursteuerkammer umfassen, die an dem zweiten Stapelrand 112 des Batteriepacks 102 angeordnet ist.
6A-6C zeigen ein weiteres beispielhaftes System 140. Hier sind die unter Bezugnahme auf die in 4A-4C beschriebenen Temperatursteuerkammern 120, 122 am oder um das erste und zweite Stapelende 114, 116 des Batteriepacks 102 angeordnet. Zusätzlich ist die zweite Temperatursteuerkammer 132, die unter Bezugnahme auf die 5A-5B beschrieben wird, am ersten Stapelrand 110 des Batteriepacks 102 angeordnet. Wie durch die Pfeile gezeigt, fließt das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem Batteriepack 102 von der Temperatursteuerkammer 120 am ersten Stapelende 114 durch die zweite Temperatursteuerkammer 132 am ersten Stapelrand 110 und durch die Temperatursteuerkammer 122 am zweiten Stapelende 116.
6B zeigt die Strömungsrichtung des dielektrischen Fluids im Detail. Es ist hier gezeigt, dass das dielektrische Fluid am ersten Stapelende 114 über eine Einlassöffnung 134 in die Temperatursteuerkammer 120 eintritt. Die Temperatursteuerkammer 120 am ersten Stapelende 114 steht entweder direkt oder über eine Leitung in Fluidverbindung mit der zweiten Temperatursteuerkammer 132. In ähnlicher Weise steht die zweite Temperatursteuerkammer 132 entweder direkt oder über eine Leitung in Fluidverbindung mit der Temperatursteuerkammer 122 am zweiten Stapelende 116. So verlässt das di-elektrische Fluid die Temperatursteuerkammer 122 am zweiten Stapelende 114 über eine Auslassöffnung 136.
Wie in 6C gezeigt, kann das System 140 die Regelung der Temperatur weiterer Komponenten beinhalten. Hier wird das dielektrische Fluid, wenn es den Auslass verlässt, z.B. zu Leistungselektronik (PE)-Schächten 142, einem Wärmetauscher 144, der optional mit einem Kühlkreislauf verbunden ist (dargestellt durch den Pfeil bei 144), und anderen verschiedenen Komponenten 146 transportiert. Daher regelt das dielektrische Fluid die Temperatur der PE-Schächte 142 und anderer diverser Komponenten 146, bevor es in die Temperatursteuerkammer 120 am ersten Stapelende 114 zurückkehrt. Dementsprechend kann mindestens eine Zusatzkomponente, die eine Temperaturregelung erfordert, mit jedem der hier beschriebenen Systeme verbunden werden.
7A-7B zeigen ein System 150, das eine Temperatursteuerkammer 152 umfasst, die die gesamte Batteriepackung 102 umschließt. Die Temperatursteuerkammer 152 umfasst gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände 154, 156, gegenüberliegende obere und untere Wände 158, 160, die orthogonal zu den ersten und zweiten Seitenwänden 154, 156 sind, sowie eine erste Stirnwand 162 und eine gegenüberliegende zweite Stirnwand 164. Die Seitenwände 154, 156 und die obere und untere Wand 158, 160 erstrecken sich von der ersten Stirnwand 162 bis zur zweiten Stirnwand 164, um einen Innenraum 165 zu definieren, der den Batteriepack 102 und das dielektrische Fluid enthält. Hier tritt das dielektrische Fluid an einem Einlass 166 stromaufwärts des ersten Stapelendes 114 in die Temperatursteuerkammer 152 ein und verlässt die Temperatursteuerkammer 152 an einem Auslass 168 stromabwärts des zweiten Stapelendes 116. Das dielektrische Fluid ist in direktem Kontakt mit dem Batteriepack 102, wenn es durch die Temperatursteuerkammer 152 fließt.
Um die Wärmeübertragung zwischen dem dielektrischen Fluid und dem Batteriepack 102 zu erhöhen, können in der Temperatursteuerkammer 152 aktive oder passive Rührwerke eingebaut sein. Die aktiven oder passiven Rührwerke bewirken also, dass die Strömung des dielektrischen Fluids weniger laminar und mehr turbulent ist.
In 7A enthält die Temperatursteuerkammer 152 beispielsweise mindestens einen aktiven Rührer 170 als aktives Rührwerk. Der mindestens eine aktive Rührer 170 umfasst eine Rührkomponente 172, wie z.B. ein Paddel, eine Flosse oder einen Disruptor, der sich entweder durch elektrische Energie oder durch nicht-elektrische Energie dreht, die durch den Fluss des dielektrischen Fluids erzeugt wird. Der mindestens eine Rührer 170 befindet sich an beliebiger Stelle innerhalb der Temperatursteuerkammer 152. In der Figur sind ein erster und ein zweiter Rührer 170 in der Nähe des ersten Stapelendes 114 bzw. in der Nähe des zweiten Stapelendes 116 dargestellt. Die aktiven Rührer 170 bewirken, dass die Strömung des dielektrischen Fluids beim Durchströmen der Temperatursteuerkammer 152 weniger laminar und mehr turbulent ist.
Als weiteres Beispiel umfasst in 7B mindestens eine Innenfläche der ersten Seitenwand 154, der zweiten Seitenwand 156, der oberen Wand 158 und der unteren Wand 160 ein passives Rührwerk 174. In der Figur ist die erste Seitenwand 154 von der Temperatursteuerkammer 152 entfernt, um deren Innenraum zur Visualisierung freizulegen. Das passive Rührwerk kann eine beliebige geometrische Form haben, ist aber in 7C als eine Vielzahl von Grübchen 174a, eine Vielzahl von W-förmigen oder zick-zack-förmigen Disruptoren 174b oder eine Vielzahl von im Wesentlichen geraden Rippenturbulatoren 174c zu dargestellt. Außerdem kann eine einzelne Innenfläche eine beliebige Kombination von passiven Rührwerken 174a, 174b, 174c enthalten. Die passiven Rührwerke 174a, 174b, 174c können in den Innenraum 165 hineinragen oder sich dort erstrecken, oder sie können in mindestens eine Innenfläche der ersten Seitenwand 154, der zweiten Seitenwand 156, der oberen Wand 158 und der unteren Wand 160 geätzt sein. Die passiven Rührwerke 174 bewirken, dass die Strömung des dielektrischen Fluids beim Durchströmen der Temperatursteuerkammer 152 weniger laminar und mehr turbulent ist.
8A-8C zeigen die Ansicht eines weiteren Systems 200 zur Kühlung des Batteriepacks 102. Das System 200 umfasst eine Temperierplatte 202 als Temperatursteuerkammer, die am zweiten Stapelrand 112 angeordnet ist, und eine Fluidauffangplatte 204, die am ersten Stapelrand 110 angeordnet ist. Im System 200 ist der Batteriepack 102 so positioniert, dass der zweite Stapelrand 112 eine obere Fläche und der erste Stapelrand 110 eine untere Fläche definiert. Die Temperierplatte 202 umfasst eine Vielzahl von Durchbrechungen 206, die so konfiguriert sind, dass di-elektrisches Fluid nach unten gesprüht wird, z.B. wie ein Duschkopf oder Düsen. Wenn also das dielektrische Fluid durch die Temperierplatte 202 fließt, fällt es aufgrund der Schwerkraft durch die Durchbrechungen 206 und fällt in die Fluidauffangplatte 206. Wenn das dielektrische Fluid von der Temperierplatte 202 zur Fluidauffangplatte 206 fällt, steht sie in direktem Kontakt mit dem Batteriepack 102. Die Fluidauffangplatte 206 umfasst einen Boden, der in einer Richtung von stromaufwärts nach stromabwärts der Strömung des dielektrischen Fluids abfällt. Wie in 5A-5C dargestellt, fällt der Boden vom ersten Stapelrand 114 zum zweiten Stapelrand 116 hin ab. Obwohl nicht dargestellt, kann das System 200 durch ein Gehäuse gekapselt sein, so dass Flüssigkeit innerhalb des Systems gehalten wird. Wie ebenfalls nicht dargestellt ist, kann das System 200 eine Auffangplatte zum Sammeln des dielektrischen Fluids aus der Fluidauffangplatte sowie von dort enthalten, wo das dielektrische Fluid über Leitungen durch das System 200 zirkuliert.
9 zeigt einen Aspekt der aktuellen Technologie, der auf jedes der hier beschriebenen Systeme angewendet werden kann. Hier ist ein Fluidtransfermaterial 220 (oder Abstandshalter) an Außenrändern der ersten und letzten Pouch-Zellen 50 und/oder zwischen den Pouch-Zellen 50 angeordnet. Das Fluidtransfermaterial 220 kann jedoch auf jeder beliebigen Oberfläche des Batteriepacks 102 und/oder zwischen einzelnen Pouch-Zellen 50 angeordnet sein. Das Fluidtransfermaterial ist porös, mit einer Porosität von größer oder gleich etwa 10 % bis kleiner oder gleich etwa 95 %, oder größer oder gleich etwa 20 % bis kleiner oder gleich etwa 90 %, wobei „Porosität“ ein Bruchteil des Gesamtvolumens der Poren gegenüber dem Gesamtvolumen des Fluidtransfermaterials 220 ist. Das Fluidtransfermaterial 220 ist ebenfalls wärmeleitend und so konfiguriert, dass es das dielektrische Fluid zum Batteriepack 102 leitet und Wärme vom Batteriepack 102 weg an das zirkulierende dielektrische Fluid überträgt. Das Fluidtransfermaterial 220 ist auch verformbar und in der Lage, sich zusammenzuziehen und auszudehnen, wenn sich die Pouch-Zellen 50 während ihres Betriebs zusammenziehen und ausdehnen. Das Fluidtransfermaterial 220 umfasst einen wärmeleitenden Kunststoff, wie z.B. ein Polycarbonat, ein nicht einschränkendes Beispiel dafür ist das Polycarbonatharz TPN1125 von Mitsubishi.
10 zeigt einen weiteren Aspekt der aktuellen Technologie, der auf jedes der hier beschriebenen Systeme angewendet werden kann. Hier umfasst der Batteriepack 102 mindestens eine erste wärmeleitende Folie oder Platte 230, die sich vom ersten Stapelrand 110 im Allgemeinen nach außen erstreckt, oder eine zweite wärmeleitende Folie oder Platte 230, die sich vom zweiten Stapelrand 112 im Allgemeinen nach außen erstreckt. Auf mindestens einer der wärmeleitenden Folien oder Platten 230 ist mindestens eine Temperatursteuerkammer 232 angeordnet. Das di-elektrische Fluid in der mindestens einen Temperatursteuerkammer 232 steht nur mit der mindestens einen wärmeleitenden Folie oder Platte 230 in direktem Kontakt. Die Wärmeübertragung auf das dielektrische Fluid erfolgt hier über die mindestens eine wärmeleitende Folie oder Platte 230. Als nicht einschränkende Beispiele umfasst die mindestens eine wärmeleitende Folie oder Platte 230 Graphen oder Graphit.
Die aktuelle Technologie stellt auch ein Verfahren zur Regelung der Betriebstemperatur einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren umfasst den Einsatz eines der hier beschriebenen Systeme. Dementsprechend umfasst das Verfahren das direkte Inkontaktbringen der elektrochemischen Zelle mit einem dielektrischen Fluid, wie hier beschrieben. In bestimmten Aspekten umfasst die elektrochemische Zelle ein Gehäuse mit einer ersten Seitenfläche, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und das dielektrische Fluid fließt durch mindestens eine Temperatursteuerkammer, wobei die mindestens eine Temperatursteuerkammer an der elektrochemischen Zelle entweder an der ersten Seitenfläche oder an einem von dem ersten Ende oder dem zweiten Ende angeordnet ist. In anderen Aspekten ist die elektrochemische Zelle ein Batteriepack, der eine Vielzahl von Pouch-Zellen, eine prismatische Zelle oder eine zylindrische Zelle umfasst.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Temperaturregelungssystem für eine elektrochemische Zelle, umfassend: die elektrochemische Zelle, die ein Gehäuse mit einer ersten Seitenfläche umfasst, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt; und eine erste Temperatursteuerkammer, die entlang mindestens einer der folgenden Komponenten angeordnet ist: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, dem ersten Ende des Gehäuses oder dem zweiten Ende des Gehäuses, und die ein dielektrisches Fluid enthält, wobei das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit dem Gehäuse entlang mindestens einer der folgenden Komponenten steht: der ersten Seitenfläche des Gehäuses, dem ersten Ende des Gehäuses oder dem zweiten Ende des Gehäuses.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Pumpe, die so konfiguriert ist, dass sie das dielektrische Fluid durch eine Temperatursteuerkammer-Einlassöffnung in die erste Temperatursteuerkammer und durch eine Temperatursteuerkammer-Auslassöffnung aus der ersten Temperatursteuerkammer pumpt.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 1, umfassend die erste Temperatursteuerkammer, die sich an einem ersten Ende der elektrochemischen Zelle befindet, und eine zweite Temperatursteuerkammer, die sich am zweiten Ende der elektrochemischen Zelle befindet, wobei das Temperaturregelungssystem ferner eine Leitung umfasst, die sich von der ersten Temperatursteuerkammer zu der zweiten Temperatursteuerkammer erstreckt, so dass die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer in Fluidverbindung stehen.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine von dem ersten Ende oder dem zweiten Ende der elektrochemischen Zelle eine Lasche umfasst und das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit der Lasche steht.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle ferner eine zweite Seitenfläche aufweist, die von der ersten Seitenfläche abgewandt ist, und das Temperaturregelungssystem die erste Temperatursteuerkammer, die entlang der ersten Seitenfläche angeordnet ist, und eine zweite Temperatursteuerkammer, die entlang der zweiten Seitenfläche angeordnet ist, umfasst, wobei das Temperaturregelungssystem ferner eine Leitung umfasst, die sich von der ersten Temperatursteuerkammer zu der zweiten Temperatursteuerkammer erstreckt, so dass die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer in Fluidverbindung stehen.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 5, ferner umfassend einen ersten Abstandshalter, der entlang der ersten Seitenfläche innerhalb der ersten Temperatursteuerkammer angeordnet ist, und einen zweiten Abstandshalter, der entlang der zweiten Seitenfläche innerhalb der zweiten Temperatursteuerkammer angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Abstandshalter porös sind und ein wärmeleitendes Material umfassen.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 5, wobei die elektrochemische Zelle eine erste Platte, die sich von einem ersten Seitenrand nach außen erstreckt, und eine zweite Platte, die sich von einem zweiten Seitenrand nach außen erstreckt, umfasst, wobei die erste und zweite Platte ein wärmeleitendes Metall umfassen, und wobei die erste Temperatursteuerkammer und die zweite Temperatursteuerkammer so angeordnet sind, dass das dielektrische Fluid in direktem Kontakt mit der ersten und zweiten Platte steht.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 5, wobei die elektrochemische Zelle ferner gegenüberliegende dritte und vierte Seitenflächen aufweist, die orthogonal zu den ersten und zweiten Seitenflächen sind, und die elektrochemische Zelle so positioniert ist, dass die erste Seitenfläche und die erste Temperatursteuerkammer über der zweiten Seitenfläche und der zweiten Temperatursteuerkammer angeordnet sind, und: die erste Temperatursteuerkammer eine Vielzahl von Durchbrechungen umfasst, die so konfiguriert sind, dass das dielektrische Fluid durch Schwerkraft entlang der dritten und vierten Seitenfläche nach unten strömen kann, und die zweite Temperatursteuerkammer so konfiguriert ist, dass sie das aus der ersten Temperatursteuerkammer herabströmende dielektrische Fluid aufnimmt und das dielektrische Fluid zu einem Kollektor leitet.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle eine Pouch-Zelle, ein Batteriepack, eine zylindrische Zelle oder eine prismatische Zelle ist.
Temperaturregelungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatursteuerkammer die gesamte elektrochemische Zelle einkapselt und das dielektrische Fluid durch die erste Temperatursteuerkammer in einer Richtung vom ersten Ende zum zweiten Ende der elektrochemischen Zelle strömt, und wobei die erste Temperatursteuerkammer aktive oder passive Rührwerke zur Störung der Strömung des dielektrischen Fluids umfasst.