AT527824B1 - Notfallkühlsystem - Google Patents

Notfallkühlsystem

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AT527824B1
AT527824B1 ATA50207/2024A AT502072024A AT527824B1 AT 527824 B1 AT527824 B1 AT 527824B1 AT 502072024 A AT502072024 A AT 502072024A AT 527824 B1 AT527824 B1 AT 527824B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Notfallkühlsystem (100) für wiederaufladbare Batteriezellen, wobei zumindest ein Kühlkreislauf für ein Kühlmittel (302) mit zumindest einer Kühlmittelleitung (301) vorgesehen ist, mit zumindest einem Wärmetauscher (110) zur Temperierung des Kühlmittels (302), sowie mit zumindest einem mit einem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas befüllten Gasdruckbehälter (101), wobei der zumindest eine Gasdruckbehälter (101) über zumindest eine Gaszuleitung (104) mit zumindest einem Steuerungsventil (102) mit zumindest einem Wärmetauscher (110) in Verbindung steht, und wobei der zumindest eine Wärmetauscher (110) zumindest teilweise eine Gitterstruktur aufweist, die mit dem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas beaufschlagbar ist.

Description

Ss N
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Notfallkühlsystem für wiederaufladbare Batteriezellen, wobei zumindest ein Kühlkreislauf für ein Kühlmittel mit zumindest einer Kühlmittelleitung vorgesehen ist, mit zumindest einem Wärmetauscher zur Temperierung des Kühlmittels, sowie mit zumindest einem mit einem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas befüllten Gasdruckbehälter.
[0002] Die heute gängigen, wiederaufladbaren Batterien werden üblicherweise mithilfe eines Kühlsystems temperiert, um eine optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten. Allerdings können beim Betrieb dieser Batterien Defekte einzelner Batteriezellen auftreten, wobei von der defekten Batteriezelle ausgehend benachbarte Batteriezellen in Mitleidenschaft gezogen werden, sodass es zu einer Kaskadenwirkung kommen kann, die mit einer hohen Hitzeentwicklung einhergeht. Durch rasche Kühlung kann diese Kaskadenwirkung eingedämmt oder vermieden werden.
[0003] So ist in der CN 215 705 805 U ein Notfallkühlsystem für eine elektrische Batterie eines Fahrzeugs beschrieben, wobei im Fall einer Überhitzung der Batterie ein Kühlmittel über ein Expansionsventil einem Sprühkopf zugeführt wird, der das Kühlmittel in die Batterie hineinleitet. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, dass das eingesprühte Kühlmittel sich mit der in der Batterie befindlichen Atmosphäre vermischt, sodass die Einwirkung nicht in unmittelbare Nähe der Batteriezellen erfolgt, sondern das Kühlmittel innerhalb der Batterie diffundiert und die Abkühlung dadurch nur relativ langsam erfolgt.
[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die im Stand der Technik bekannt gewordenen Systeme dahingehend zu verbessern, dass in einer Notfallsituation eine ausreichend rasche und effiziente Kühlung der Batterie und/oder eines Batteriemoduls gewährleistet ist.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Notfallkühlsystem der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass der zumindest eine Gasdruckbehälter über eine Gaszuleitung mit zumindest ein Steuerungsventil mit zumindest einem Wärmetauscher in Verbindung steht, wobei der zumindest eine Wärmetauscher zumindest teilweise eine Gitterstruktur aufweist, die mit dem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas beaufschlagbar ist.
[0006] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher aufgrund seiner Gitterstruktur über eine sehr große Oberfläche verfügt, die bei Überschreiten einer vorgegebenen Betriebstemperatur der Batterie bzw. des Batteriemoduls mit dem expandierten Gas aus dem Gasdruckbehälter umspült wird, und auf diese Weise ein Kühlmittel rasch und effizient abgekühlt wird. Dieser Wärmetauscher ist idealerweise in dem Kühlsystem der wieder aufladbaren Batterie integriert und kühlt bei Bedarf das im Kühlsystem zirkulierende Kühlmittel schlagartig von der üblichen Betriebstemperatur, zum Beispiel 25°C auf etwa 5°C ab. Durch diese rasche Abkühlung kann die chemisch bedingte Hitzeentwicklung ("Thermal Runaway") der Batteriezellen eingedämmt und/oder unterbrochen werden.
[0007] Im Rahmen dieser Offenbarung werden unter "Gitterstruktur" dreidimensionale Strukturen verstanden, die über eine große Oberfläche verfügen und durchlässig für ein vorzugsweise gasförmiges Kühlmittel sind. So kann es sich hierbei beispielsweise um wabenförmige, kristallgitterartige oder auch unregelmäßige Knäuelstrukturen handeln.
[0008] Eine besonders einfache Möglichkeit zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist gegeben, wenn der zumindest eine Wärmetauscher zumindest teilweise mittels additivem Verfahren, vorzugsweise im 3D-Druck aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist. Der 3D-Druck ermöglicht eine Vielzahl von möglichen Formen, insbesondere auch im Hinblick auf die erfindungsgemäße Gitterstruktur des Wärmetauschers, während die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung das Gewicht des Wärmetauschers reduziert.
[0009] In einer ersten Ausführung der Erfindung ragt der zumindest eine Wärmetauscher zumindest teilweise in die zumindest eine Kühlmittelleitung und steht damit mit dem Kühlmittel in direktem Kontakt. Auf dieser Weise wird eine besonders rasche Abkühlung des Kühlmittels erzielt.
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[0010] Alternativ hierzu verfügt in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der zumindest eine Wärmetauscher über einen ersten Kühlkörperbereich, der aus massivem Material, beispielsweise in Form von Kühlfinnen, hergestellt ist, wobei der erste Kühlkörperbereich zumindest teilweise in die zumindest eine Kühlmittelleitung ragt und in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Der zumindest eine Wärmetauscher verfügt des Weiteren über einen zweiten Kühlkörperbereich mit einer Gitterstruktur, der über die zumindest eine Gaszuleitung mit dem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas aus dem zumindest einen Gasdruckbehälter beaufschlagbar ist. Bei dieser Ausführung der Erfindung wird eine Vermischung des Kühlmittels mit dem expandierten Gas aus dem zumindest einen Gasdruckbehälter auf einfache Weise vermieden.
[0011] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlkörperbereich des zumindest einen Wärmetauschers im regulären Betrieb Bestandteil des Kühlsystems der Batterie bzw. des Batteriemoduls ist. Der zweite Kühlkörperbereich wird erst in einer Notfallsituation, bei der eine vorgegebene Betriebstemperatur der Batterie bzw. des Batteriemoduls, die üblicherweise mit zumindest einem Temperatursensor überwacht wird, wirksam, wenn er mit dem expandierten Gas aus dem Gasdruckbehälter beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem platzsparend beispielsweise in einem Fahrzeug integriert werden.
[0012] Die Überwachung der Betriebstemperatur erfolgt üblicherweise mit zumindest einem Temperatursensor, der bevorzugterweise mit dem zumindest einen Steuerungsventil in Verbindung steht. Steigt die Betriebstemperatur über einen vorgegebenen Wert, so wird das Steuerungsventil auf an sich bekannte Weise geöffnet und das unter Druck stehende expandierbares Gas verteilt sich schlagartig in dem zumindest einen Wärmetauscher.
[0013] Besonders bevorzugt ist hierbei, dass der zumindest eine Temperatursensor im unmittelbaren Bereich des Wärmetauschers angeordnet oder aber als Bestandteil des Wärmetauschers ausgebildet ist. Auf diese Weise kann in der unmittelbaren Umgebung des Wärmetauschers das Kühlmittel überwacht und beispielsweise ein Einfrieren des Kühlmittels während der Abkühlung durch das expandierte Gas verhindert werden.
[0014] Bei der Wahl des Kühlmittels für das Notfallkühlsystem hat sich insbesondere der Einsatz von Stickstoff bewährt, der bei einem Druck von üblicherweise mehreren 10 bar bis >100 bar in dem zumindest einen Gasdruckbehälter gelagert ist und bei Bedarf über zumindest ein Steuerungsventil schlagartig expandiert wird.
[0015] Das expandierte Gas kann in der Folge in einer weiteren Ausführung der Erfindung über eine Spülleitung zusätzlich in die Batterie bzw. das Batteriemodul geleitet werden, um hier einen zusätzlichen Kühleffekt zu erhalten. Des Weiteren können auf diese Weise Gase und Dämpfe aus dem Batteriemodul bzw. der Batterie hinaustransportiert werden. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass das expandierte Gas an die Umgebung abgelassen wird.
[0016] Das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem ist nicht nur für die Verwendung im Zusammenhang mit einer wieder aufladbaren Batterie eines Fahrzeugs geeignet, sondern kann auch für großflächige Speichereinrichtungen verwendet werden, die der Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie beispielsweise Windräder oder PV Anlagen dienen. Das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem erlaubt eine dichtere Packung der einzelnen Batteriemodule in den Speichereinrichtungen, wodurch der Platzbedarf signifikant reduziert wird.
[0017] Im Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen Ansichten
[0018] Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Notfallkühlsystems in einer Schnittdarstellung als Teil eines Kühlsystems für ein Batteriemodul,
[0019] Fig. 2 das erfindungsgemäßen Notfallkühlsystem aus Fig. 1 in einer alternativen Anordnung im Kühlsystem eines Batteriemoduls, und
[0020] Fig. 3 ein System zur Kühlung mehrerer Batteriemodule.
[0021] In der Fig. 1 ist ausschnittsweise in einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem 100 dargestellt, das in dieser Ausführung der Erfindung für ein Batte-
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riemodul 200 eingesetzt wird, wobei es als Teil des Kühlsystems für den Normalbetrieb ausgebildet und in diesem Kühlkreislauf integriert ist.
[0022] Das Batteriemodul 200 weist hierbei eine Vielzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen (nicht dargestellt) auf. Bei dem Batteriemodul 200 kann es sich um eine wiederaufladbare Batterie eines Fahrzeugs handeln, aber auch um eine stationäre Energieversorgungseinrichtung beispielsweise eines Gebäudes mit einer Vielzahl von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen 200.
[0023] Das Notfallkühlsystem 100 ist hierbei Teil einer Kühlmittelleitung 301, durch die ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel 302 zum Batteriemodul 200 geleitet wird. In diese Kühlmittelleitung 301 ragt ein Wärmetauscher 110 mit einem im Wesentlichen hohlzylindrischen Kühlkörper 111. Der Kühlkörper 111 weist eine gitterartige Struktur mit großer Oberfläche auf, die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mittels 3D-Druck gefertigt ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper 111 als Vollzylinder mit einer gitterartigen Struktur gefertigt ist und den Querschnitt der Kühlmittelleitung 301 zur Gänze ausfüllt. Dabei durchströmt das Kühlmittel 302 den Wärmetauscher 110 praktisch über seinen gesamten Querschnitt, wodurch ein optimaler Wärmeaustausch gewährleistet ist. Hierbei ist die Gitterstruktur des Wärmetauschers 110 derart dimensioniert, dass ein möglichst geringer Strömungswiderstand bei maximaler Oberfläche des Wärmetauschers 110 erzielt wird.
[0024] Der Wärmetauscher 110 steht im Normalbetrieb zur Kühlung des in der Kühlmittelleitung 301 befindliche Kühlmittel 302 auf an sich bekannte Weise mit einem Wärmetauscher-Kühlkreislauf (nicht dargestellt) in Verbindung.
[0025] Um nun im Fall einer Überhitzung des Batteriemoduls 200 aufgrund einer oder mehrerer defekter Batteriezellen, symbolhaft in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 201 dargestellt, eine rasche Kühlung des Batteriemoduls 200 zu gewährleisten, weist das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem 100 einen Gasdruckbehälter 101 mit einem Steuerungsventil 102 auf, wobei dieses Steuerungsventil 102 geöffnet wird, sobald eine vorgegebene Betriebstemperatur im Batteriemodul 200 überschritten wird.
[0026] In dieser Ausführung der Erfindung wird die Betriebstemperatur nicht direkt im Batteriemodul 200 überwacht, sondern indirekt über die aktuelle Temperatur des in der Kühlmittelleitung 301 strömenden Kühlmittels 302. Hierfür sind zwei Temperatursensoren 103 vorgesehen, die im Bereich des Wärmetauschers 110 angeordnet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein allfälliges Einfrieren des Kühlmittels 302 rasch detektiert und einem daraus resultierenden Abfall der Kühlleistung im Batteriemodul 200 zeitnah entgegengewirkt werden kann.
[0027] Sobald die Temperatursensoren 103 ein Überschreiten der vorgegebenen Betriebstemperatur anzeigen, wird über eine (nicht dargestellte) Steuerungseinheit das Steuerungsventil 102 geöffnet und das in dem Gasdruckbehälter 101 unter sehr hohen Druck, - zumeist mehrere Hundert Bar -, stehende expandierbare, nichtbrennbare Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit über eine Gaszuleitung 104 in den Wärmetauscher 110, wobei aufgrund der Expansion des aus dem Gasdruckbehälter 101 strömenden Gases der Wärmetauscher 110, und in der Folge das in der Kühlmittelleitung 301 befindliche Kühlmittel 302 schlagartig beispielsweise von üblicherweise 25°C auf etwa 5°C heruntergekühlt werden. Durch die Gitterstruktur des Wärmetauschers 110 weist dieser eine besonders große Oberfläche auf, die eine rasche Verteilung des expandierten, und damit abgekühlten Gases innerhalb des Wärmetauschers 110 erlaubt. Diese rasche Kühlung des in der Kühlmittelleitung 301 zirkulierenden Kühlmittels 302 kann eine Überhitzung jener Batteriezellen verhindern, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur defekten Batteriezelle 201 befinden.
[0028] Als zusätzliche Kühlmöglichkeit ist bei dieser Ausführung der Erfindung eine Spülleitung 105 vorgesehen, die den Wärmetauscher 110 direkt mit dem Batteriemodul 200 verbindet. Über diese Spülleitung 105 wird das expandierte Gas in das Innere des Batteriemoduls 200 geleitet, um die darin befindlichen Batteriezellen zusätzlich zu kühlen und gegebenenfalls elektrisch zu isolieren. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das expandierte Gas in die unmittelbare Umgebung des Wärmetauschers 110 abgegeben wird.
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[0029] Als expandierbares, nicht-brennbares Gas kommt hierbei insbesondere Stickstoff zum Einsatz. Stickstoff ist ein kostengünstiges und umweltfreundliches Gas, das aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften besonders gut als Schutzgas und Spülgas geeignet ist.
[0030] In der Fig. 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt. Hierbei kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Bestandteile, wie sie auch in der Fig. 1 verwendet wurden.
[0031] Bei dieser Ausführung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Notfallkühlsystem 100 parallel zu dem Kühlsystem 300 des Batteriemoduls 200 angeordnet, das für die Temperierung des Batteriemoduls 200 während des Normalbetriebs zuständig ist.
[0032] In diesem Kühlsystem 300 wird das Kühlmittel 302 in den Kühlmittelleitungen 301 über eine Kühlmittelpumpe 303 durch das Batteriemodul 200 gepumpt, um es zu temperieren. Sobald eine vorgegebene Betriebstemperatur überschritten wird, wird ein Dreiwegeventil 106 derart angesteuert, dass das Kühlmittel 302 über eine parallel laufende Kühlmittelleitung 301A durch das Notfallkühlsystem 300 geführt wird. Dieses Notfallkühlsystem 100 weist sämtliche bereits in der Fig. 1 dargestellten Komponenten auf, und erlaubt erneut eine schlagartige Abkühlung des Kühlmittels 302 mittels des Wärmetauschers 110 mit gitterartiger Struktur durch das expandierte, nicht-brennbare Gas aus dem Gasdruckbehälter 101.
[0033] Die Fig. 3 schließlich zeigt ein System mit mehreren Batteriemodulen 200 mit jeweils einer Vielzahl von Batteriezellen, wie sie beispielsweise zur Speicherung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen wie Windräder, PV-Anlagen und dergleichen verwendet werden. Hierbei ist jedem Batteriemodul 200A, 200B, 200C jeweils ein erfindungsgemäßes Notfallkühlsystem 100A, 100B, 100C mit jeweils einem zugehörigen Zulaufventil 304A, 304B, 304C zugeordnet. Im Normalbetrieb durchströmt das mittels der Kühlmittelpumpe 303 zirkulierende Kühlmittel 302 durch die Kühlmittelleitungen 301 sowie durch das Notfallkühlsystem 100. Hierbei sind die Zulaufventile 304A, 304B, 304C jeweils in Offenstellung. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Notfallkühlsystem 100A, 100B, 100C jeweils parallel, wie in der Fig. 2 dargestellt, zur Kühlmittelleitung 301 angeordnet ist.
[0034] Sobald in einem Batteriemodul 200A eine Temperaturerhöhung aufgrund eines Defekts 201 festgestellt wird, werden die Zulaufventile 304B, 304C geschlossen oder der Zulauf an Kühlmittel zu den Batteriemodulen 200B, 200C über die Zulaufventile 304B, 304C reduziert, um eine höhere Kühlleistung beim defekten Batteriemodul 200A zu erhalten.
[0035] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben angeführten Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Insbesondere kann der Wärmetauscher 110 über mehrere Kühlkörperbereiche verfügen, wobei zumindest ein Kühlkörperbereich über die erfindungsgemäße Gitterstruktur verfügt, während ein zweiter Kühlkörperbereich beispielsweise aus massivem Material in Form von Finnen ausgebildet ist. Bei einem derartigen Wärmetauscher 110 wird dann der erste Kühlkörperbereich mit der Gitterstruktur im Bedarfsfall mit dem expandierenden Gas beaufschlagt, während der zweite, massiv ausgebildete Kühlkörperbereich in die Kühlmittelleitung 301 hineinragt, um das Kühlmittel 302 abzukühlen.
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Claims (8)

x bes AT 527 824 B1 2025-07-15 Ss N Patentansprüche
1. Notfallkühlsystem (100) für wiederaufladbare Batteriezellen, wobei zumindest ein Kühlkreislauf für ein Kühlmittel (302) mit zumindest einer Kühlmittelleitung (301) vorgesehen ist, mit zumindest einem Wärmetauscher (110) zur Temperierung des Kühlmittels (302), sowie mit zumindest einem mit einem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas befüllten Gasdruckbehälter (101), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gasdruckbehälter (101) über zumindest eine Gaszuleitung (104) mit zumindest einem Steuerungsventil (102) mit dem zumindest einen Wärmetauscher (110) in Verbindung steht, und wobei der zumindest eine Wärmetauscher (110) zumindest teilweise eine Gitterstruktur aufweist, die mit dem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas beaufschlagbar ist.
2. Notfallkühlsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (110) zumindest teilweise mittels additivem Verfahren, vorzugsweise im 3D-Druck aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
3. Notfallkühlsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (110) zumindest teilweise in die zumindest eine Kühlmittelleitung (301) ragt und in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel (302) steht.
4. Notfallkühlsystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (110) über einen ersten Kühlkörperbereich verfügt, der aus massivem Material gefertigt ist, wobei der erste Kühlkörperbereich zumindest teilweise in die zumindest eine Kühlmittelleitung (301) ragt und in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel (302) steht, und wobei der zumindest eine Wärmetauscher (110) über einen zweiten Kühlkörperbereich mit einer Gitterstruktur verfügt, der über die zumindest eine Gaszuleitung (104) mit dem expandierbaren, nicht-brennbaren Gas aus dem zumindest einen Gasdruckbehälter (101) beaufschlagbar ist.
5. Notfallkühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsventil (102) mit zumindest einem Temperatursensor (103) in Verbindung steht.
6. Notfallkühlsystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Temperatursensor (103) im unmittelbaren Bereich des Wärmetauschers (110) angeordnet ist.
7. Notfallkühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierbare, nicht-brennbare Gas, vorzugsweise Stickstoff bei einem Druck von 10 bar bis >100 bar in dem zumindest einen Gasdruckbehälter (101) gelagert ist.
8. Verwendung eines Notffallkühlsystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine wiederaufladbaren Batterie eines Fahrzeugs oder einer Speichereinrichtung für elektrische Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATA50207/2024A 2024-03-12 2024-03-12 Notfallkühlsystem AT527824B1 (de)

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