AT512016B1 - Elektrischer energiespeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (1) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, welcher eine Vielzahl an elektrisch miteinander verbundenen, insbesondere flachen und im wesentlichen plattenförmigen Batteriezellen aufweist, welche in zumindest einem Stapel nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse (8) angeordnet sind, wobei innerhalb des Gehäuses (8) zumindest eine Sammelleiste (15) und/oder zumindest eine vorzugsweise labyrinthartig geformte Kapillarstruktur (13) zum Sammeln von Kondensat angeordnet ist, wobei die Sammelleiste (15) und/oder die Kapillarstruktur (13) zumindest in einen Auffangbehälter (10) mündet. Um die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers (1) zu erhöhen, ist vorgesehen, dass der Auffangbehälter (10) zum vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Gehäuse (8) abgedichtet ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, welcher eine Vielzahl an elektrisch miteinander verbundenen, insbesondere flachen und im wesentlichen plattenförmigen Batteriezellen aufweist, welche in zumindest einem Stapel nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei innerhalb des Gehäuses zumindest eine Sammelleiste und/oder zumindest eine vorzugsweise labyrinthartig geformte Kapillarstruktur zum Sammeln von Kondensat angeordnet ist, wobei die Sammelleiste und/oder die Kapillarstruktur zumindest in einen Auffangbehälter mündet.

[0002] Die WO 2011/160888 AI beschreibt eine Batterie mit einem Formkörper aus einem porösen, Feuchtigkeit aufnehmenden Werkstoff zum Feuchtigkeitstransport aus dem Batteriegehäuse. Der Formkörper ist derart angebracht, dass er sich sowohl in den Gehäuseinnenraum, als auch in den Außenraum des Gehäuses erstreckt und diese feuchtigkeitsleitend miteinander verbindet. Kondensat wird somit nicht in einen Auffangbehälter innerhalb des Gehäuses, sondern über den porösen Formkörper in den Außenraum des Gehäuses abgeleitet.

[0003] Die US 2010/0003589 AI betrifft einen Batteriehalterahmen zum Halten von in einem Stapel nebeneinander angeordneten Batteriezellen. Zum Sammeln von Kondenswasser ist eine Sammelleiste vorgesehen, wobei die Sammelleiste in einen Auffangbehälter mündet. Eine Abdichtung zum Gehäuse der Batterie ist nicht vorgesehen, wodurch es zu unerwünschten Leckagen kommen kann.

[0004] Aus der DE 10 2009 035463 AI ist eine Batterie mit einer Vielzahl von flachen im Wesentlichen plattenförmigen Batterieeinzelzellen bekannt. Die Batterieeinzelzellen sind zu einem Zellenstapel gestapelt und mit einem Batteriegehäuse umgeben. Die Batterieeinzelzellen sind dabei in Rahmenflachbauweise mit metallischen Blechen und einem Rahmen aus isolierendem Material ausgebildet.

[0005] Auch aus der WO 2008/048751 A2 ist ein Batteriemodul mit einer Vielzahl an nebeneinander in einem Stapel angeordneten plattenförmigen Batteriezellen bekannt, welche in einem Gehäuse untergebracht sind.

[0006] Die WO 2010/053689 A2 beschreibt eine Batterieanordnung mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen, welche nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäuse ist zur Kühlung mit einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Fluid durchströmt.

[0007] Bereits durch geringe Temperaturschwankungen im Batteriemodul kann sich auf den Oberflächen (Metall oder Kunststoff) der Bauteile Wasserdampf bilden. Diese Kondenswasser-bildung im Inneren des Batteriemoduls wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Batterie und des Batteriemoduls aus.

[0008] Zur Vermeidung von Kondensationsproblemen ist es bekannt, Batterien in Vakuumatmosphäre zu fertigen oder zu warten. Weiters ist es bekannt, Batterien in einem evakuierbaren Behälter anzuordnen und durch Veränderung des Vakuums bzw. des Druckes im Behälter oder zwischen doppelten Behälterwänden die Wärmeleitfähigkeit zur Umgebung zu verändern (JP 10-064 597 A2, JP 07-226 230 A2, EP 0 633 420 A2).

[0009] Ferner ist aus der FR 2 869 722 AI eine Lithium-Polymer-Batterie mit einem Gehäuse bekannt, welches Gehäuse durch eine Vakuumpumpe evakuierbar ist.

[0010] Die KR 2008-0053717 A offenbart eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur und der Feuchtigkeit in einem Hybridfahrzeug. Dabei wird in das Gehäuse der Batterie konditionierte Spülluft eingeleitet. Die Klimatisierung der Spülluft erfolgt in Abhängigkeit von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren im Gehäuse und im Spülluftzuführkanal, wobei der Betrieb einer Klimaanlage, einer Heizeinrichtung und eines elektrischen Gebläses durch eine elektronische Steuereinheit geregelt wird. Nachteilig ist, dass zur Entfeuchtung ein hoher sensorischer und messtechnischer Aufwand erforderlich ist.

[0011] Welters ist aus der DE 1 921 618 A ein Verfahren zum Trocknen der Elektroden in Be-häitern bei der Batteriehersteiiung bekannt, wobei durch den die Elektroden aufweisenden Behäiter ein Trockenmittel hindurchströmt.

[0012] Ferner beschreibt die DE 30 44 741 CI eine Kühleinrichtung für einen flüssigkeitsge-kühiten eiektrischen Akkumuiator mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden, durch den Deckel des Akkumulatorgehäuses herausragenden Wärmeabführrohr. Das Wärmerohr ist im Inneren teilweise mit einer Kapiiiarstruktur zum Rücktransport des kondensierten Wärmeübertragungsmediums von der wärmeabgebenden Stelle zur wärmeaufnehmenden Stelle versehen.

[0013] Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise Probleme mit Kondenswas-serbiidung innerhaib des Gehäuses der Batterie zu vermeiden.

[0014] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass innerhalb des Gehäuses zumindest eine Sammeiieiste und/oder zumindest eine vorzugsweise labyrinthartig geformte Kapillarstruktur zum Sammeln von Kondensat angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Sammelleiste und/oder die Kapiiiarstruktur in einen Auffangbehälter mündet.

[0015] Bei Kondensationsbiidung durch Temperatur- und/oder Druckunterschiede wird über die Sammeiieiste und/oder die Kapiiiarstruktur das Kondensat gezielt im Auffangbehälter gesammelt, welcher bei Bedarf entieert werden kann. Dadurch kann es zu keinen Schäden der Batterie seibst und der Umweit durch Stromschiäge oder dergleichen kommen.

[0016] Der Auffangbehäiter kann beispieisweise innerhalb des Gehäuses in dessen Bodenbereich angeordnet sein.

[0017] Durch die Sammeiieiste und/oder die beispieisweise durch eine Poren aufweisende Stäbchen-, Röhrchen- oder eine Schwammstruktur gebiidete Kapillarstruktur erfolgt eine gezielte Entfeuchtung insbesondere der reievanten Steiien im Batteriemodul und des gesamten Batteriepaketes durch die Kapiiiarwirkung. Je nach Temperatur und Druckbedingungen können dabei unterschiediiche Materiaiien eingesetzt werden. Durch die Form des aus einem ein- oder mehrteiiigen Kunststoffteii bestehenden Gehäuses werden Zonen mit erhöhter Kondens-wasserbiidung, wie zum Beispiei Kühiung der Batteriekontaktsteiien, vorrangig mit einer Kapiiiarstruktur ausgebiidet. Das Kondenswasser wird durch Schwerkraft in den in den Behälter integrierten Auffangbehäiter abgeieitet.

[0018] Zumindest eine Kapiiiarstruktur und/oder zumindest eine Sammeiieiste geht vorteiihaf-terweise von einer Busbar-Kühieinrichtung aus, wobei vorzugsweise die Kapiiiarstruktur die Busbar-Kühieinrichtung kontaktiert.

[0019] Die Sammeiieiste ist bevorzugt durch zumindest eine in das Gehäuse eingeformte Nut oder Rinne gebiidet, wobei die Sammeiieiste unmitteibar an die Kapiiiarstruktur grenzt, wobei vorzugsweise die Sammeiieiste zwischen Kapiiiarstruktur und Gehäuse angeordnet sein kann. Dies ermögiicht eine besonders effektive Abieitung von Kondenswasser.

[0020] Das Entieeren des Auffangbehäiters kann bevorzugt im Rahmen eines routinemäßigen Fahrzeugservice erfoigen, wobei der Auffangbehäiter gewechseit oder das Kondenswasser über eine verschiießbare Entieeröffnung ausgeiassen werden kann. Dabei ist es vorteiihaft, wenn der Auffangbehäiter einen mit der eiektronischen Steuereinheit kommunizierenden Füii-standssensor aufweist, um den Füiistand im Auffangbehäiter festzusteiien und gegebenenfaiis dem Fahrer entsprechende Warnhinweise zu geben. Wenn der Auffangbehäiter einen definierte Füiistand erreicht, muss dieser durch einen Fachmann etwa im Rahmen eines Fahrzeugservices geieert werden.

[0021] U m eine einfache Reinigung zu ermögiichen, ist es besonders vorteiihaft, wenn die Sammeiieiste und/oder die Kapiiiarstruktur mit einer Luftspüieinrichtung strömungsverbindbar ist. Die Spüiung der Sammeiieiste und/oder der Kapiiiarstruktur kann im Rahmen des Fahrzeugservice erfoigen.

[0022] Der Auffangbehäiter ist zum Gehäuse hin abgedichtet, sodass Leckagen von Kondenswasser zuveriässig vermieden werden.

[0023] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0024] Es zeigen [0025] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Energiespeicher in einer Schrägansicht von oben, [0026] Fig. 2 den Energiespeicher in einer Schrägansicht von unten, [0027] Fig. 3 den Energiespeicher in einer Seitenansicht, [0028] Fig. 4 den Energiespeicher in einem teilweisen Schnitt gemäß der Linien IV-IV in

Fig. 3, [0029] Fig. 5 das Detail V-V aus Fig. 4, [0030] Fig. 6 den Energiespeicher in einerweiteren Schrägansicht von oben, [0031] Fig. 7 das Detail VII aus Fig. 6, [0032] Fig. 8 den Energiespeicher In einerweiteren Schrägansicht von unten, [0033] Fig. 9 das Detail IX aus Fig. 8, [0034] Fig. 10 den Energiespeicher mit entferntem Gehäusedeckel in einer Schrägansicht von oben, [0035] Fig. 11 das Detail XI aus Fig. 10, [0036] Fig. 12 den Energiespeicher mit entferntem Gehäuseboden in einer Schrägansicht von unten, [0037] Fig. 13 das Detail XIII aus Fig. 12, [0038] Fig. 14 eine Innenansicht des Gehäusebodens, [0039] Fig. 15 das Detail XV aus Fig. 14, [0040] Fig. 16 eine Innenansicht des Gehäusedeckels und [0041] Fig. 17 ein Batteriepaket des Energiespeichers in einer Schrägansicht.

[0042] Der durch eine wiederaufladbare Batterie gebildete Energiespeicher 1 weist ein Batteriepaket 2 mit mehreren nebeneinander angeordneten Batteriemodulen 2a auf. Jedes Batteriemodul 2a weist Im Inneren einen nicht weiter ersichtlichen Stapel von nebeneinandergereihten plattenförmigen Batteriezellen (Pouchzellen) auf, welche durch Druckplatten 3 aneinander gepresst sind. Die Druckplatten 3 sind über Schrauben 4a mit Seitenplatten 4 verbunden. Im Ausführungsbeispiel weist das Batteriepaket 2 vier Batteriemodule 2a auf, wie aus Fig. 17 hervorgeht.

[0043] I m Deckenbereich 5a des Energiespeichers 1 sind die Batteriezellen verbindendende Sammelschienen (nicht ersichtlich) angeordnet, wobei zu deren Kühlung eine Busbar-Kühleinrichtung 6 vorgesehen ist, welche über Kühlkanäle 7 mit Kühlmittelsammler bzw. -Verteiler 7a, 7b in Verbindung steht. Die Kühlung erfolgt bevorzugt durch ein flüssiges Kühlmedium.

[0044] Das Batteriepaket 2 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet, welches einen Gehäusedeckelteil 8a und einen Gehäusebodenteil 8b aufweist. Im Bodenbereich 5b des Energiespeichers 1, insbesondere im Gehäusebodenteil 8b ist zumindest eine durch einen Verschlussteil 9a verschließbare Entleeröffnung 9 mit einem integrierten, im Gehäusebodenteil 8b abgedichteten Auffangbehälter 10 angeordnet, wobei der Gehäusebodenteil 8b zur Entleeröffnung 9 hin abfallend geformt ist (Fig. 8, 9).

[0045] Im Gehäusedeckelteil 8 sind über Verschlussdeckel 11 verschließbare Öffnungen 12 für Luftspülvorrichtungen angeordnet (Fig. 4).

[0046] In Zonen mit erhöhter Kondenswasserbildung, wie Batteriekontaktstellen, ist jeweils eine Kapillarstruktur 13 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel verlaufen die Kapillarstrukturen 13 an oder in der Innenwand des Gehäuses 8 zwischen dem Bereich der Busbar-Kühleinrichtung 6 im Gehäusedeckelteil 8a und dem Gehäusebodenteil 8b. Die Kapillarstruktur 13 steht mit dem oberen Bereich der Busbar-Kühleinrichtung 6 in Kontakt. Falls erforderlich, kann sie auch mit dem unteren Bereich der Busbar-Kühleinrichtung 6 in Kontakt stehen. An den anderen Stellen besteht kein direkter Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und den Bauteiloberflächen. Der Kontaktbereich zwischen der Busbar-Kühleinrichtung 6 und der Kapillarstruktur 13 ist mit Bezugszeichen 14 bezeichnet. Durch die Verdunstung des Kondensates werden die anderen Stellen sekundär entfeuchtet oder von der Kapillarstruktur 13 entlang des gesamten Batteriepaketes 2 aufgesaugt.

[0047] Die Kapillarstrukturen 13 können nach Form und Lage (quer oder längs zur Kühleinrichtung 6) je nach Variation des Batteriepaketes 2 und/oder der Batteriemodule 2a unterschiedlich ausgeführt sein.

[0048] Die Labyrinthkanäle aufweisenden Kapillarstrukturen 13 können durch kapillare Materialien wie Stäbchen, Röhrchen, Schwämme, oder dergleichen mit feinster Porenstruktur gebildet sein. Die Kapillarstrukturen 13 werden an der Innenseite des Gehäuses 8 angebracht. Dadurch erfolgt eine gezielte Entfeuchtung des gesamten Batteriepaketes 2 durch die Kapillarwirkung. Je nach Druck und Temperaturbedingungen können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Durch die Formgebung des Gehäuses 8, der als ein-, zwei oder mehrlagiger Kunststoffbauteil ausgebildet sein kann, können Zonen mit erhöhter Kondenswasserbildung, wie Batteriekontaktstellen, vorrangig mit Kapillarstrukturen 13 ausgebildet sein.

[0049] Das Gehäuse 8 ist mit beispielsweise durch Spaltrinnen gebildete Sammelleisten 15 im Gehäusedeckelteil 8a und Gehäusebodenteil 8b ausgeführt. Die Sammelleisten 15 können durch Spalte bzw. Spaltrinnen zwischen den Kapillarstrukturen 13 und dem Gehäuse 8 gebildet sein.

[0050] Das Kondenswasser wird durch die Kapillarstrukturen 13 aufgenommen und in die Sammelleisten 15 geleitet, welche es durch Schwerkraft zum Bodenbereich 5b und in den Auffangbehälter 10 ableiten.

[0051] Bei einem Service werden die Kapillarstrukturen 13 und die Sammelleisten 15 über die Öffnungen 12 mit Frischluft gespült. Der Auffangbehälter 10 kann je nach Bedarf ebenfalls im Rahmen eines Services gewechselt oder entleert werden. Insbesondere kann der Auffangbehälter 10 einen Füllstandssensor 16 aufweisen, welcher mit der elektronischen Steuereinheit des Fahrzeuges kommuniziert und entsprechende Informationen an den Lenker oder Servicepersonal weiterleitet.

[0052] Durch die gezielte Ableitung des Kondenswassers in einen Auffangbehälter 10 können kondenswasserbedingte Schäden am Energiespeicher 1 oder eine Gefährdung von Personen durch Stromschläge oder dergleichen zuverlässig vermieden werden.

[0053] Die Erfindung ist an Hand eines Batteriepaketes 2 mit Pouchzellen in einer 1p-Schaltung beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung auch auf andere Batterien mit einer anderen Art von Batteriezellen, anderer Schaltung der Zellen und/oder anderer Kühlung anwendbar ist.

Claims (11)

1. Patentansprüche

   1. Elektrischer Energiespeicher (1) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, welcher eine Vielzahl an elektrisch miteinander verbundenen, insbesondere flachen und im wesentlichen plattenförmigen Batteriezellen aufweist, welche in zumindest einem Stapel nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse (8) angeordnet sind, wobei innerhalb des Gehäuses (8) zumindest eine Sammelleiste (15) und/oder zumindest eine vorzugsweise labyrinthartig geformte Kapillarstruktur (13) zum Sammeln von Kondensat angeordnet ist, wobei die Sammelleiste (15) und/oder die Kapillarstruktur (13) zumindest in einen Auffangbehälter (10) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) zum vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Gehäuse (8) abgedichtet ist.
2. 2. Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) im Bodenbereich (5b) des Energiespeichers (1), vorzugsweise im Gehäusebodenteil (8b) angeordnet ist, wobei besonders vorzugsweise der Gehäusebodenteil (8b) zum Auffangbehälter (10) hin abfallend ausgebildet ist.
3. 3. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) in einen Verschlussteil (9a) einer Entleeröffnung (9) integriert ist.
4. 4. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) einen Füllstandssensor (16) aufweist.
5. 5. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) eine vorzugsweise verschließbare Entleeröffnung aufweist.
6. 6. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (10) austauschbar im Gehäuse (8) angeordnet ist.
7. 7. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleiste (15) und/oder die Kapillarstruktur (13) mit einer Luftspüleinrichtung strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise das Gehäuse (8) zumindest eine verschließbare Öffnung (12) zum Anschluss einer Luftspüleinrichtung aufweist.
8. 8. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur (13) durch eine Poren aufweisende Stäbchenstruktur, Röhrchenstruktur oder eine Schwammstruktur gebildet ist.
9. 9. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kapillarstruktur (13) und/oder zumindest eine Sammelleiste (15) von einer Busbar-Kühleinrichtung (6) ausgeht, wobei vorzugsweise die Kapillarstruktur (13) die Busbar-Kühleinrichtung (6) kontaktiert.
10. 10. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleiste (15) durch zumindest eine Nut oder Rinne gebildet ist, wobei vorzugsweise die Sammelleiste (15) in das Gehäuse (8) eingeformt ist.
11. 11. Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleiste (15) unmittelbar an die Kapillarstruktur (13) grenzt, wobei vorzugsweise die Sammelleiste (15) zwischen Kapillarstruktur (13) und Gehäuse (8) angeordnet Ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen