AT523635B1 - Temperiervorrichtung für zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen - Google Patents

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

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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 temperierfluideinlassseitig 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 Wärmeenergie nach und nach abgibt bzw. die Wärmeenergie von den Batteriezellen aufnimmt, ergibt sich aufgrund der maximal zulässigen Temperaturdifferenz zwischen dem Temperierfluid und den temperierfluideinlassseitigen Batteriezellen eine wesentliche Einschränkung hinsichtlich der Anderungsraten bei der Temperaturregelung. Durch diese beschränkte Temperaturregelungsdynamik können die einzelnen Batteriezellen insgesamt erst verzögert auf ihre Solltemperatur gebracht werden.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Temperiervorrichtung der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, die eine verringerte Temperaturspreizung innerhalb eines Batteriemoduls bei gleichzeitig hoher Temperaturregelungsdynamik ermöglicht.

[0004] 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 bekannter Form eingestellt werden. Zufolge der genannten Maßnahmen kann sich das Temperierfluid zuerst im druckverlustarmen Sammelkanal verteilen, bevor es in jeden Temperierkanal mit nahezu gleichem Volumenstrom eintritt und somit an jeder Batteriezelle die nahezu gleiche Temperaturdifferenz zwischen Batteriezelle und Temperierfluid erzielt wird. Daraus ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Zum einen kann jede Batteriezelle repräsentativ für die

anderen Batteriezellen innerhalb eines Moduls wirken, wodurch Spannungs-, Temperaturmessungen oder dergleichen nur an einer Batteriezelle getätigt werden müssen und dadurch auf die anderen Batteriezellen geschlossen werden kann. Zum anderen kann das Temperierfluid selbst mit steileren Temperaturrampen beaufschlagt werden, da erfindungsgemäß alle Batteriezellen zu jedem Zeitpunkt von einem Temperaturfluid mit gleicher Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt werden und somit keine zeitlich bedingte Temperaturspreizung zwischen unterschiedlich im Strömungskanal positionierten Batteriezellen erfolgt. Darüber hinaus wird durch den Einbau des Leitelements in den Strömungskanal die benötigte Temperierfluidmenge verringert, wodurch die Trägheit des Temperiervorgangs verringert werden kann. Die Temperiervorrichtung kann selbstverständlich sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen der Batteriezellen eingesetzt werden. Außerdem ist es denkbar, dass die Temperierkanäle in einen gemeinsamen Sammelkanal münden, der ebenfalls quer zur Längsrichtung der Batteriezellen verläuft und mit einem Temperierfluidauslass strömungsverbunden ist.

[0005] 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 den Umfang verteilte Temperierkanäle ergeben. Grundsätzlich kann der Temperierkanal auch einen von der Form des Batteriezellenquerschnitts abweichenden Querschnitt aufweisen. Um den Druckverlust im Temperierkanal weiter anzupassen, kann dieser mit einem porösen Material aufgefüllt sein, oder diverse Einbauten umfassen.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] Um eine Temperaturspreizung auch bei Modulen mit einer besonders großen Anzahl an einzelnen Batteriezellen zu verhindern, empfiehlt es sich in einer besonders effektiven Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, dass der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Temperierfluid und den Batteriezellen im Bereich des Sammelkanals geringer als im Bereich der Temperierkanäle ist. Dem Fachmann sind hierzu mehrere Möglichkeiten bekannt. Der im Sammelkanal verlaufende Abschnitt kann beispielsweise mit einer Isolierung versehen sein, die beispielsweise elektrochemisch aufgebracht und/oder aus Polymeren bestehen kann.

Die Isolierung zwischen den Oberflächen der Batteriezellen und dem umströmenden Temperierfluid kann vorteilhafterweise eine Abdichtung zwischen den Batteriezellen und den im Grundkörper angeordneten Durchbrüchen bilden. Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des Wärmeübergangskoeffizienten liegt in der Aufrauhung des im Temperierkanal verlaufenden Batteriezellenabschnittes oder in einer turbulenzfördernden Strukturierung der battieriezellenzugewandten Oberfläche des Leitelements, wodurch Wärmeübergang verbessert wird.

[0009] 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 ModulStacks 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.

[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0011] Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung und

[0012] Fig. 2 eine teilweise entlang der Linie Il-I! geschnittene Draufsicht der Fig. 1 im gleichen Maßstab.

[0013] Eine Temperiervorrichtung für einzelne, zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen 1 weist, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, einen Strömungskanal 2 auf, in welchem die Batteriezellen 1 angeordnet sind. Durch den Strömungskanal 2 verläuft ein vorzugsweise flüssiges Temperierfluid, das die Batteriezellen 1 direkt umströmt. Um eine Temperaturspreizung zwischen den Batteriezellen 1 zu verhindern, ist im Strömungskanal 2 zwischen den Batteriezellen 1 ein Leitelement 3 vorgesehen, das den Strömungskanal 2 in einen quer zur Längsrichtung 4 der Batteriezellen 1 verlaufenden Sammelkanal 5 und von diesem abzweigende, in Längsrichtung 4 verlaufende Temperierkanäle 6 teilt. Die Temperierkanäle 6 können auch in einen gemeinsamen Sammelkanal 5 münden. Erfindungsgemäß beträgt die Länge L der Temperierkanäle 6 60 - 99% der Höhe h des Strömungskanals 2. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge L der Temperierkanäle 6 80 - 99% der Höhe h des Strömungskanals 2. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge L der Temperierkanäle 6 90 - 99% der Höhe h des Strömungskanals 2. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verhältnisses zwischen der Länge L der Temperierkanäle 6 und der Höhe h des Strömungskanals 2 erfolgt im Sammelkanal 5 nur ein geringer Wärmeaustausch zwischen Temperierfluid und Batteriezellen 1, da dort nur eine geringe Fläche des Mantels der Batteriezellen 1 umströmt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Temperierfluid vor Eintritt in die Temperierkanäle 6 im gesamten Sammelkanal 5 eine nahezu gleiche Temperatur aufweist, wodurch jede Batteriezelle 1 unabhängig von deren Lage im Modul mit einer gleichen Temperaturdifferenz beaufschlagt wird. Der Wärmeaustausch erfolgt demnach überwiegend in den Temperierkanälen 6, in denen das Temperierfluid den Batteriezellenmantel umströmt. Um neben der gleichen Temperaturdifferenz zwischen Batteriezellen und Temperierfluid auch gleiche Strömungsbedingungen an jeder Batteriezelle 1 zu etablieren und daher den Gesamtvolumenstrom des Temperierfluids homogen auf alle Batteriezellen 1 zu verteilen, beträgt der Anteil des durch die Temperierkanäle 6 verursachten Druckverlustes 60 - 99% des Gesamtdruckverlustes im Strömungskanal 2. Dadurch erfolgt erst eine gleichmäßige Verteilung des Temperierfluids im Sammelkanal 5, wodurch alle Temperierkanäle mit demselben Volumenstrom beaufschlagt werden können. Der Anteil am Gesamtdruckverlust kann durch die Querschnittsverhältnisse zwischen dem Sammelkanal 5 und den Temperierkanälen 6 und/oder durch das Verhältnis der Länge L der Temperierkanäle 6 und der Länge der Sammelkanäle 5 eingestellt werden. Das Temperierfluid kann über Temperierfluideinlässe 7 bzw. Temperierfluidauslässe 8 der Temperiervorrichtung zu- bzw- abgeführt werden.

[0014] 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.

[0015] 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. Uber 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.

[0016] 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.

[0017] 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 gleichzeitig eine Abdichtung zwischen den Batteriezellen 2 und den im Grundkörper 10 angeordneten Durchbrüchen 9 bilden.

Claims (6)

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.

6. Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (3) Messleitungsaufnahmen umfasst.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen