AT523635A4

AT523635A4 - Temperiervorrichtung für zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen

Info

Publication number: AT523635A4
Application number: ATA50797/2020A
Authority: AT
Inventors: Heublein Norbert; Kastler Helmut
Original assignee: Kreisel Electric Gmbh & Co Kg
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-10-15
Also published as: WO2022056561A1; AT523635B1

Abstract

Es wird eine Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte und in einem gemeinsamen Strömungskanal (2) zur direkten Anströmung mit einem Temperierfluid angeordnete Batteriezellen (1), beschrieben. Um eine verringerte Temperaturspreizung innerhalb eines Batteriemoduls bei gleichzeitig hoher Temperaturregelungsdynamik zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass zwischen den Batteriezellen (1) im Strömungskanal (2) ein Leitelement (3) vorgesehen ist, das den Strömungskanal (2) in einen quer zu einer Längsrichtung (4) der Batteriezellen (1) verlaufenden Sammelkanal (5) und von diesem abzweigende, in Längsrichtung (4) der Batteriezellen (1) verlaufende Temperierkanäle (6) teilt, deren Länge (L) je 60 – 99% der Höhe (h) des Strömungskanals (2) und deren Anteil am Gesamtdruckverlust innerhalb des Strömungskanals (2) 60 – 99% beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte und in einem gemeinsamen Strömungskanal zur direkten

Anströmung mit einem Temperierfluid angeordnete Batteriezellen.

Aus der AT520928 ist eine Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen bekannt. Die Temperiervorrichtung weist hierzu einen Grundkörper auf, der gemeinsam mit den Batteriezellen einen Strömungskanal für ein Temperierfluid ausbildet, das die Batteriezellen quer zu einer Längsrichtung der Batteriezellen anströmt. Zwar kann durch die mantelseitige beinahe vollständige Umströmung der Batteriezellen eine effektive Temperierung der einzelnen Batteriezellen erfolgen, jedoch ergibt sich dabei der Nachteil, dass das Temperierfluid in Strömungsrichtung nach und nach erwärmt wird. Dies hat zur Folge, dass vor allem bei Modulen mit vielen Batteriezellen eine Temperaturspreizung zwischen den temperierfluideinlassseitg angeordneten und den temperierfluidauslassseitig angeordneten Batteriezellen entsteht. Solche Temperaturunterschiede führen zum einen zu einer verminderten Leistungseffizienz zum anderen zu einer beschleunigten Alterung der Batteriemodule. Dadurch, dass das Temperierfluid erst durch das sequentielle Anströmen der im Strömungskanal hintereinanderliegenden Batteriezellen seine Wärmeenergienach und nach abgibt bzw. die Wärmeenergie von den Batteriezellen aufnimmt, ergibt sich aufgrund der maximal zulässigen Temperaturdifferenz zwischen dem Temperierfluid und den temperierfluideinlassseitgen Batteriezellen eine wesentliche Einschränkung hinsichtlich der Änderungsraten bei der Temperaturregelung. Durch diese beschränkte Temperaturregelungsdynamik können die einzelnen Batteriezellen

insgesamt erst verzögert auf ihre Solltemperatur gebracht werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zwischen den Batteriezellen im Strömungskanal ein Leitelement vorgesehen ist, das den Strömungskanal in einen quer zu einer Längsrichtung der Batteriezellen verlaufenden Sammelkanal und von diesem abzweigende, in Längsrichtung der Batteriezellen verlaufende Temperierkanäle teilt, in denen vorzugsweise der Batteriezellenmantel direkt vom Temperierfluid angeströmt wird und deren Länge je 60 — 99% der Höhe des Strömungskanals und deren Anteil am Gesamtdruckverlust innerhalb des Strömungskanals 60 — 99% beträgt. Zufolge dieser Maßnahmen erfolgt im Sammelkanal nur ein äußerst geringer Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem vorzugsweise flüssigen Temperierfluid, sodass die Temperatur des Temperierfluids im gesamten Sammelkanal und damit an den jeweiligen Eingängen der Temperierkanäle über das gesamte Modul nahezu konstant ist. Der eigentliche Wärmeaustausch zwischen Temperierfluid und Batteriezellen erfolgt erst im in Längsrichtung der Batteriezellen verlaufenden Temperierkanal, in dem das Temperierfluid den Großteil des Batteriezellenmantels umströmt. Auf diese Weise strömt das Temperierfluid alle Batteriezellen unabhängig von ihrer Lage im Modul mit der nahezu gleichen Temperatur an. Um einer Temperaturspreizung der Batteriezellen im Modul weiter entgegen zu wirken, müssen allerdings neben gleichen Temperaturbedingungen auch gleiche Strömungsbedingungen an den Batteriezellen herrschen. Um daher den Gesamtvolumenstrom des Temperierfluids homogen auf alle Batteriezellen zu verteilen und somit gleiche Umströmungsbedingungen für jede Batteriezelle zu erzeugen, beträgt der Anteil des durch den Temperierkanal erzeugten Druckverlustes am Gesamtdruckverlust innerhalb des Strömungskanals 60 — 99%. Dieser Anteil kann beispielsweise durch die Querschnittsverhältnisse zwischen dem Sammelkanal und den Temperierkanälen und/oder durch das Verhältnis der Kanallängen des Sammelkanals und der Temperierkanäle in für den Fachmann

strömungsverbunden ist.

Eine konstruktiv einfache Möglichkeit den Anteil des Temperierkanals am Gesamtdruckverlust einzustellen und dabei gleichzeitig weiter der Temperaturspreizung innerhalb des Moduls entgegenzuwirken, ergibt sich, wenn je Batteriezelle wenigstens ein Temperierkanal vorgesehen ist. Hierzu kann das Leitelement ein einstückiger Körper sein, der Durchbruchsöffnungen für die Batteriezellen aufweist. Die Durchbruchsöffnungen können im Fall von Rundzellen beispielsweise einen größeren Durchmesser als die Batteriezellen aufweisen, sodass sich ein Ringspalt als Temperierkanal ergibt. Die Durchbruchsöffnungen können die Batteriezelle auch abschnittsweise umfangseitig berühren, also den

gleichen Durchmesser wie die Batteriezellen aufweisen, wodurch sich mehrere über

diverse Einbauten umfassen.

Um die gravimetrische Energiedichte des Moduls zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Masse des Leitelements geringer als die Masse des durch das Leitelement verdrängten Temperierfluids ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Dichte des Leitelements geringer als die Dichte des Temperierfluids ist, oder wenn das Leitelement hohl ausgebildet und evakuiert ist. Im Falle eines flüssigen Temperierfluides können die Hohlräume auch gasgefüllt sein.

Damit die Temperiervorrichtung auch bei mehreren zu einem Modul-Stack zusammengesetzten Modulen Anwendung finden kann, kann der Strömungskanal von einem Durchbrüche für die Endabschnitte der Batteriezellen aufweisenden Grundkörper begrenzt sein. Die durch die Durchbrüche geführten Endabschnitte sind demnach nicht im Strömungskanal angeordnet und können dadurch auf einfache Weise mit Batteriezellen eines anderen Moduls elektrisch kontaktiert sein. Auch eine parallele Kontaktierung der Batteriezellen eines Moduls kann an diesen Endabschnitten erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die parallele Kontaktierung des Batteriezellen über einen elektrischen Leiter des Leitelements, der wenigstens gruppenweise mit den einen elektrischen Zellpol ausbildenden vom Temperierfluid angeströmten Mantelflächen der Batteriezellen verbunden ist. Dieser elektrische Leiter kann beispielsweise die Temperierkanäle quer zur Längsrichtung durchsetzende Kontaktzungen aufweisen. Diese Kontaktzungen können dabei so ausgebildet sein, dass sie einen Strömungswiderstand zur Einstellung des Druckverlustes ausbilden. Es ist auch denkbar, dass der Grundkörper in Längsrichtung der Batteriezellen paarweise gegenüberliegende Durchbrüche aufweist. In diesem Fall liegen demnach beide

Endabschnitte jeder Batteriezelle außerhalb des Strömungskanals.

Oftmals werden Batteriemodule zu großen Modul-Stacks zusammengesetzt, was die Fehlersuche bei etwaigen defekten Batteriezellen erschweren kann. Um daher eine Identifikation von schadhaften Batteriezellen bzw. Modulen zu erleichtern, ohne dabei die Energiedichte des Modul-Stacks zu verschlechtern, kann das Leitelement Messleitungsaufnahmen umfassen. Dadurch wird kein zusätzlicher Platzbedarf für die Messleitungen benötigt. Die Messleitungen können beispielsweise im Hohlraum oder an der Oberfläche der Leitelemente geführt sein.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung und

Fig. 2 eine teilweise entlang der Linie Il-II geschnittene Draufsicht der Fig. 1 im

gleichen Maßstab.

Konstruktiv günstige Bedingungen ergeben sich, wenn der Strömungskanal 2 von einem Durchbrüche 9 für die Endabschnitte der Batteriezellen 1 aufweisenden Grundkörper 10 begrenzt ist. Die Endabschnitte befinden sich demnach außerhalb des Strömungskanales und können dadurch auf einfache Weise mit anderen Batteriezellen 1 elektrisch kontaktiert werden. Wie in der Fig. 1 offenbart ist, kann der Grundkörper 10 in Längsrichtung 4 der Batteriezellen 1 paarweise gegenüberliegende Durchbrüche 9 aufweisen. In diesem Fall können demnach beide Endabschnitte jeder Batteriezelle 1 außerhalb des Strömungskanals 2 liegen.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann je Batteriezelle 1 wenigstens ein Temperierkanal 6 vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel ist das Leitelement 3 hierzu einstückig ausgebildet und weist runde Durchbruchsöffnungen 11 für die Batteriezellen 1 auf, wobei der Durchmesser der Durchbruchsöffnungen 11 größer als der Durchmesser der runden Batteriezellen 2 ist. Die Temperierkanäle 6 können demnach Ringspalte sein. Über die Breite des Ringspaltes kann der Anteil des vom Temperierkanal 6 verursachten Druckverlustes am Gesamtdruckverlust im Strömungskanal 2 eingestellt werden. Beträgt die Länge L der Temperierkanäle 6 60 —- 99% der Höhe h des Strömungskanals 2, kann die Ringspaltbreite 0,01-2mm

betragen, um den gewünschten Anteil am Gesamtdruckverlust zu erzielen.

Die Masse des Leitelements 3 kann geringer als die Masse des durch das Leitelement 3 verdrängten Temperierfluids sein. Darüber hinaus kann das

Leitelement 3 Messleitungsaufnahmen umfassen.

Wie in der Fig. 1 gezeigt wird, kann zur Erniedrigung des Wärmeübergangskoeffizienten des im Sammelkanal 5 verlaufenden Abschnitts der Batteriezelle 2, dieser mit einer Isolierung 12 versehen sein. Die Isolierung 12 kann

Claims

(43558) IV Patentansprüche

1. Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte und in einem gemeinsamen Strömungskanal (2) zur direkten Anströmung mit einem Temperierfluid angeordnete Batteriezellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Batteriezellen (1) im Strömungskanal (2) ein Leitelement (3) vorgesehen ist, das den Strömungskanal (2) in einen quer zu einer Längsrichtung (4) der Batteriezellen (1) verlaufenden Sammelkanal (5) und von diesem abzweigende, in Längsrichtung (4) der Batteriezellen (1) verlaufende Temperierkanäle (6) teilt, deren Länge (L) je 60 — 99% der Höhe (h) des Strömungskanals (2) und deren Anteil am Gesamtdruckverlust innerhalb des Strömungskanals (2) 60 —- 99% beträgt.

2. Temperiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je Batteriezelle (1) wenigstens ein Temperierkanäle (6) vorgesehen ist.

3. Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Leitelements (3) geringer als die Masse des durch das Leitelement verdrängten Temperierfluids ist.

4. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) von einem Durchbrüche (9) für die Endabschnitte der Batteriezellen (1) aufweisenden Grundkörper (10) begrenzt ist.

5. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Temperierfluid und den Batteriezellen (1) im Bereich des Sammelkanals (5) geringer als im Bereich der Temperierkanäle (6) ist.