DE102004005393A1

DE102004005393A1 - Elektrochemischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102004005393A1
Application number: DE200410005393
Authority: DE
Inventors: Johann German; Thomas Dr.Rer.Nat. Soczka-Guth
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-25
Also published as: JP2005222940A; FR2867613B1; US20050170240A1; FR2867613A1

Abstract

Ein elektrochemischer Energiespeicher ist mit Wärmeaustauschereinheiten und mehreren elektrochemischen, jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordneten Speicherzellen, die zwischen den Wärmeaustauschereinheiten angeordnet sind, versehen. Die Wärmeaustauschereinheiten weisen von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle, Umströmungs-Verteilerkanäle, Vorlaufverteilerkanäle und Rücklaufsammelkanäle auf. Die Wärmeaustauschereinheiten sind mit den dazwischen angeordneten Speicherzellen in einen Batteriekasten einsetzbar und der Batteriekasten ist druckdicht und wasserdicht ausgebildet und mit einer Wasserablauf- und Entlüftungseinrichtung versehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiger elektrochemischer Energiespeicher ist in der WO 02/07249 A1 beschrieben. Eine Weiterbildung dieses Energiespeichers ist in der älteren deutschen Anmeldung P 102 382 35.2 offenbart. Zum weiteren Stand der Technik wird auf die EP 065 349 B1 und die DE 198 49 491 C1 verwiesen. Die DE 197 27 337 C1 offenbart einen Entlüftungsverschluss für elektrische Gehäuse.

Nach den geltenden Vorschriften muss ein Batteriekasten im Brandfalle einen Brandschutz bis zu 900 °C gewährleisten. Darüber hinaus müssen die elektronischen Bauteile, die für die Verschaltung der einzelnen Module bzw. Speicherzellen erforderlich sind, gegen elektromagnetische Strahlen (EMV) geschützt werden. Aus diesem Grunde ist ein Batteriekasten im allgemeinen aus einem dünnwandigen Stahlblech gefertigt, wobei die Abdeckung wasserdicht und ebenfalls mit einer EMV-Dichtung abgedichtet sein sollte. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich diese Vorschriften verwirklichen.

Ein Problem besteht jedoch zum einen darin, dass bei einer wasserdichten Abdichtung des Batteriekastens bei Temperaturunterschieden ein Druckaufbau im Batteriekasten entsteht. Dieser Druckaufbau sollte ausgeglichen werden.

Zum anderen besteht stets die Gefahr, dass Wärmeaustauschereinheiten undicht werden und die Kühlflüssigkeit, im allgemeinen Wasser austreten kann. Dies kann entsprechend zu Schäden an elektronischen Bauteilen führen. Insbesondere kann es zu hohen Schäden in der Elektronik bzw. Elektrik kommen, da die Verbindungen der Module hohen Spannungen ausgesetzt sind, welche bei Austreten von Kühlflüssigkeit, beschädigt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Batteriekasten zu schaffen, der den Vorschriften bezüglich Brand- und EMV-Schutz genügt und durch den Schäden aufgrund Temperaturunterschieden und durch eventuell austretende Kühlflüssigkeit vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Wasserablauf- und Entlüftungseinrichtung kann sowohl ein Druckausgleich erfolgen als auch eventuell aus den Wärmeaustauschereinheiten austretende Flüssigkeit ins Freie geleitet werden, so dass keine Schäden an den elektronischen Bauteilen sowie an den Modulen entstehen. Selbstverständlich kann die Entlüftungseinrichtung in beiden Richtungen wirken; d.h. wenn im Inneren des Batteriekastens ein geringerer Druck als außen herrscht kann ebenfalls ein Druckausgleich mit der Umgebung erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung können sowohl die Vorschriften bezüglich Brand- und EMV-Schutz erfüllt als auch Schäden aufgrund Temperaturunterschieden und durch eventuell austretende Kühlflüssigkeit vermieden werden.

Nachteilig beim Stand der Technik ist weiterhin der relativ komplizierte Aufbau des elektrochemischen Energiespeichers mit seiner Vielzahl von Modulen bzw. Speicherzellen und den jeweils dazwischen angeordneten Wärmetauschereinheiten. Der Zusammenbau des Energiespeichers mit den einzelnen Modulen erfolgt in einem Batteriekasten, der die gesamte Einheit trägt. Aufgrund der Montage der einzelnen Module und der Wärmeaustauschereinheiten ist der Aufbau bzw. die Gesamtmontage in dem Batteriekasten sehr schwierig. So erweist sich die Verschaltung der einzelnen Speicherzellen und Kanäle der Wärmeaustauschereinheiten oft als sehr gefährlich und schwierig wegen des hohen Potenzials der Module. Unter anderem müssen dabei Verschraubungen zur Verbindungen der einzelnen Teile, wie z.B. der Speicherzellen, mit einem definierten Drehmoment erfolgen, was aufgrund von Zugangs- bzw. Platzbeschränkungen häufig mühsam und schwierig ist.

Um die Montagearbeiten mit einem wenigstens einigermaßen vertretbaren Aufwand durchführen zu können, sind häufig am Batteriekasten Montageöffnungen vorgesehen. Derartige Montageöffnungen sind jedoch aus Brandschutzgründen sowie wegen eines EMV-Schutz (elektromagnetische Strahlen) problematisch. Zumeist ist der Batteriekasten aus diesem Grunde aus Stahlblech gefertigt, wobei aufgrund des hohen Gewichts des Energiespeichers dieser sehr stabil ausgebildet sein muss.

In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist deshalb vorgesehen, dass die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube mit einer Wasserauffangrinne versehen ist.

Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung wird ein Energiespeicher geschaffen, dessen Montage, insbesondere seine Gesamtmontage, in Verbindung mit einem Batteriekasten einfacher wird.

Dadurch, dass der erfindungsgemäße Energiespeicher als selbsttragende Einheit ausgebildet ist, ist die Montage der einzelnen Module, insbesondere der Speicherzellen, und der jeweils zwischen den Speicherzellen angeordneten Wärmeaustauschereinheiten außerhalb des Batteriekastens möglich. Nach der Endmontage kann dann die gesamte Einheit in einen beliebigen Batteriekasten eingesetzt werden.

Von Vorteil ist weiterhin, dass der Batteriekasten dann einen notwendigen Brand- und EMV-Schutz bilden kann, wozu er entsprechend dicht ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist es nicht mehr erforderlich, den Batteriekasten als selbsttragende Einheit für den Energiespeicher auszubilden. Dies bedeutet Material- und Gewichtseinsparungen.

Der erfindungsgemäße selbsttragende Energiespeicher kann in einem Fahrzeug, aber auch für jeden anderen Anwendungsfall, eingesetzt werden. Bei einem Einbau in einem Fahrzeug kann er in die vorhandene Ersatzradmulde eingebaut werden. Bei einer Neuentwicklung könnte z.B. in der Bodenstruktur des Fahrzeugs der notwendige Bauraum mit berücksichtigt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigen:
1 eine Wärmeaustauschereinheit;
2 eine Ausschnittsvergrößerung der Wärmeaustauschereinheit nach der 1;
3 eine Wärmeaustauschereinheit mit zwölf Wärmeaustauscherkanälen;
4 eine Ausschnittsvergrößerung mit zwei Wärmeaustauscherkanälen nach der 3;
5 einen Energiespeicher im zusammengebauten Zustand;
6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fixiergehäuses für den in der 5 dargestellten Energiespeicher;
7 eine perspektivische Ansicht eines in der 6 dargestellten Fixiergehäuses vor seinem Zusammenbau;
8 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie VIII-VIII nach der 7;
9 eine Ausschnittsvergrößerung von "X" nach der 7;
10 eine Ausschnittsvergrößerung von "Y" in der 7;
11 einen Schnitt nach der Linie XI-XI nach der 7;
12 die Wärmeaustauschereinheit nach der 1 mit zwischen den Wärmeaustauscherkanälen eingesetzten Speicherzellen;
13 den Aufbau des Energiespeichers in dem Fixiergehäuse in einem ersten Schritt;
14 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß "Z" in der 13;
15 den Aufbau des Energiespeichers in dem Fixiergehäuse in perspektivischer Darstellung vor dem endgültigen Zusammenbau;
16 eine perspektivische Ansicht im Teilzusammenbau des Energiespeichers mit Verschaltung der Speicherzellen;
17 eine weitere perspektivische Ansicht des komplett zusammengebauten Energiespeichers in dem Fixiergehäuse;
18 eine perspektivische Ansicht des Einbaus der selbsttragenden Einheit aus Energiespeicher und Fixiergehäuse in einen Batteriekasten;
19 eine weitere perspektivische Ansicht des Energiespeichers mit dem Fixiergehäuse in einem in den Batteriekasten nach der 18 eingesetzten Zustand;
20 eine perspektivische Ansicht einer Wasserablauf- und Entlüftungsschraube und mit einer Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe;
21 eine perspektivische Ansicht der Wasserablauf- und Entlüftungsschraube und der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe nach der 20 vor deren Zusammenbau;
22 eine Seitenansicht der Wasserablauf- und Entlüftungsschraube und der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe;
23 eine Seitenansicht der Wasserablauf- und Entlüftungsschraube;
24 einen Längsschnitt durch die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube aus der 23;
25 eine Seitenansicht der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe;
26 einen Längsschnitt durch die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe nach der 25;
27 eine Draufsicht auf einen Batteriekasten mit Zentrierbolzen, Befestigungsschrauben und Wasserablauf- und Entlüftungsschrauben;
28 einen Schnitt nach der Linie XXVIII-XXVIII der 27;
29 eine perspektivische Ansicht eines in einen Batteriekasten eingesetzten selbsttragenden Energiespeichers mit Speicherzellen und Wärmeaustauschereinheiten und einem externen Kühlkreislauf;
30 den Batteriekasten mit dem Energiespeicher nach der 29 in Seitenansicht;
31 eine perspektivische Ansicht der Ausführung mit einem externen Kühlkomponentenaufbau;
32 eine Draufsicht eines in einem Fahrzeug eingebauten Batteriekasten mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher;
33 eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Energiespeichern mit externen Kühlkomponenten;
34 eine weitere perspektivische Ansicht eines Batteriekastens mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher mit direkt an den Batteriekasten angeflanschten Kühlkomponenten; und
35 eine perspektivische Ansicht eines Ausgleichsbehälters.
Die 1 bis 5 zeigen den Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers. Da dieser bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird nachfolgend nur auf die wesentlichen Teile näher eingegangen. Grundsätzlich ist der Aufbau des Energiespeichers beliebig und richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Maßgebend für die Erfindung ist lediglich, dass der Batteriekasten mit einer Wasserablauf- und Entlüftungs einrichtung versehen ist. Zusätzlich können die Wärmetauschereinheiten mit den dazwischen liegenden Speicherzellen als selbsttragende Einheit ausgebildet sein, wie dies nachfolgend vorab näher beschrieben wird.
Eine Wasserablauf- und Entlüftungseinrichtung, die eine Wasserablauf- und Entlüftungsschraube und eine Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe aufweist, wird nachfolgend in den 20 bis 28 beschrieben.
In dem Energiespeicher sind eine Vielzahl von Wärmeaustauschereinheiten 1 vorgesehen, zwischen denen Speicherzellen 2, z.B. Ni/MeH-Zellen, angeordnet sind (siehe 12 und 13). Die Wärmeaustauschereinheiten 1 sind gemäß 1 beispielsweise mit sechs Umströmungskanälen bzw. Wärmeaustauscherkanälen 3 ausgeführt. Die Strömungsrichtung verläuft wechselhaft in einer Ebene sowie wechselhaft parallel zu ihren Ebenen (siehe 2). Die Strömung erfolgt über Umströmungsverteilerkanäle 4 und 5, die je nach Anordnung Vorlaufumströmungsverteilerkanäle oder Rücklaufumströmungsverteilerkanäle darstellen. Bei Ni/MeH-Modulen bzw. -Zellen werden die Wärmeaustauscherkanäle 3 aufgrund der Bauweise der Ni/MeH-Module mehrteilig ausgeführt.
Wie aus der 3 ersichtlich ist, sind zwölf Reihen von Wärmeaustauscherkanälen 3 vorgesehen, sowie ein Vorlaufverteiler 6 und ein Rücklaufverteiler 7 für Li-Ion-Zellen vorhanden. Die Strömungsrichtung verläuft ebenfalls wechselhaft in einer Ebene sowie parallel zu ihren Ebenen im Gegenstromprinzip.
Die 4 zeigt ausschnittsweise zwei Wärmeaustauscherkanäle 3, zwei Vorlaufumströmungsverteilerkanäle 4 und zwei Rücklaufumströmungsverteilerkanäle 5. Bei Li-Ion-Zellen ist aufgrund der Bauform der Zellen nur jeweils ein Wärmeaustauscherkanal 3 vorgesehen.
Die 5 zeigt den Zusammenbau der Wärmeaustauschereinheiten für sechsundvierzig Ni/MeH-Module mit vier Kühleinheiten 8 und vier Kühleinheiten 9, sowie mit einem Vorlaufverteiler 10 und einem Rücklaufverteiler 11.
In den 6 bis 19 ist der Aufbau des Energiespeichers mit seinen Wärmeaustauschereinheiten 1 und den Speicherzellen 2 als selbsttragende Einheit dargestellt. Hierzu dient ein Fixiergehäuse 12 mit einem unteren Fixierdruckplattenträger 13 auf der Unterseite, einer oberen Fixierdruckplatte 14 auf der Oberseite und zwei seitlichen Fixierspannplatten 15 und 16 (siehe 6).
In der 7 ist in perspektivischer Ansicht der Aufbau des Fixiergehäuses 12 dargestellt. Der Fixierdruckplattenträger 13 weist eine Radiuskontur 17 auf, die sich an die Radiuskontur des Wärmeaustauscherkanals 3 anschmiegt, so dass die Wärmeaustauscherkanäle 3 optimal fixiert werden.
Für die Fixierung der Kühleinheiten 8, 9 weist der Fixierdruckplattenträger 13 vier Langlöcher 18 auf. Durch die Langlöcher 18 wird die Kühleinheit 8, 9 in x-Richtung positioniert und fixiert.
In y-Richtung kann sich die Kühleinheit 8, 9 mit den Umströmungsverteilerkanälen 4, 5, die Temperaturschwankungen unterliegen, aufgrund der Langlöcher 18 ausdehnen, so dass keine Spannungen auftreten.
Der Fixierdruckplattenträger 13 weist an den Enden Spannnuten 19 und 20 auf. Die Spannnuten 19 und 20 haben die Aufgabe, eine definierte Spannkraft von den Fixierspannplatten 15 und 16 gleichmäßig aufzunehmen (siehe Einzelheit Y in 10).
Die 8 zeigt einen Längsschnitt nach der Linie VIII-VIII durch die Fixierdruckträgerplatte 13. In diesem Schnitt sind zylindrische Zentrierbohrungen 21 ersichtlich. Die zylindri schen Zentrierbohrungen 21 wirken über Gewindebohrungen 22 mit Schrauben zusammen, die in einem nachfolgend noch zu beschreibenden Batteriekasten angeordnet sind. Durch die zylindrischen Zentrierbohrungen 21 mit in dem Batteriekasten angeordneten Zentrierbolzen wird die selbsttragende Einheit in horizontaler Richtung fixiert, wobei Scherkräfte von den zylindrischen Zentrierbohrungen 21 und Zentrierbolzen im Batteriekasten aufgenommen werden.
Seitlich ist der Fixierdruckplattenträger 13 mit Gewindebohrungen 23 versehen, über die eine Befestigung der Fixierspannplatten 15 und 16 durch entsprechend eingeschraubte Schrauben erfolgt.
Die Fixierdruckplatte 14 weist ebenfalls eine Radiuskontur 24 auf, die ebenfalls an die Radiuskontur des dazugehörigen Wärmeaustauscherkanals 3 angepasst ist und diesen entsprechend zentriert. An den Seiten weist die Fixierdruckplatte 14 Spannnuten 25 an den Enden auf. Die Spannnuten 25 haben ebenfalls die Aufgabe, über die Fixierspannplatten 15 und 16 gleichmäßig eine definierte Druckkraft aufzunehmen (siehe Einzelheit X und die vergrößerte Darstellung in der 9).
Die Fixierspannplatten 15 und 16 weisen jeweils mehrere Öffnungen 26 auf, deren Durchmesser an die Zellen 2 und die Zuleitungsteile bzw. Verteilungsleitungen für die Wärmeaustauschereinheiten angepasst sind. Durch die dargestellten Vierkantöffnungen werden die Zellen 2 in Drehrichtung fixiert. Eine Fixierung in Drehrichtung ist deshalb erforderlich, weil die Zellen mit ihren Verbindern mit einem definierten Drehmoment angezogen werden müssen.
Die Fixierspannplatten 15 und 16 weisen weiterhin Spannrahmen 27, 28, 29 und 30 auf, die die definierte Druckkraft von dem Fixierdruckplattenträger 13 und der Fixierdruckplatte 14 aufnehmen.
Die 11 zeigt den Schnitt XI-XI gemäß 3 durch die Fixierspannplatte 15. Aus dem Schnittverlauf ist eine Zentrierbohrung 31, die die Module bzw. Zellen 2 in x-Richtung zwischen der Fixierspannplatte 15 und der Fixierspannplatte 16 definiert fixiert. Die Zentrierbohrung 31 ist koaxial zu der Vierkantbohrung 26 in der Fixierspannplatte 15 zur Aufnahme einer Zelle 2.
Die 12 zeigt den Aufbau der selbsttragenden Einheit mit drei Kühleinheiten nebst einer Anordnung der Zellen 2 in den Wärmeaustauschereinheiten. Unter den Kühleinheiten 8 und 9 wird der Fixierdruckplattenträger 13 angeordnet.
Die 13 bis 15 zeigen den Zusammenbau bzw. Aufbau des Energiespeichers mit den Wärmeaustauschereinheiten 1 und den Speicherzellen 2 in dem Fixiergehäuse 12. Im ersten Schritt wird auf den Fixierdruckplattenträger 13 eine Kühleinheit 8 aufgelegt. In der Kühleinheit 8 werden vier Zentrierbolzen 32 angeordnet, die in die Vorlaufumströmungsverteilerkanäle 4 eingesetzt werden. Die Kühleinheit 8 wird mit den Zentrierbolzen 32 in die Langlöcher 18 des Fixierdruckplattenträgers 14 eingesetzt. Auf diese Weise ist die Kühleinheit 8 in x-Richtung, wie bereits beschrieben, fixiert, wobei sie sich in y-Richtung aufgrund der Langlöcher 18 ausdehnen kann. Die Kühleinheit 8 weist vier Langlöcher 33 auf, die die Fixierung der Kühleinheit 9 übernehmen (siehe Einzelheit Z und deren vergrößerte Darstellung in der 15).
In die Kühleinheit 8 werden die Zellen 2 eingelegt. Auf die Zellen 2 wird dann eine zweite Kühleinheit 9 geschichtet. Die Kühleinheit 9 ist mit Langlöchern 34 versehen. Die Kühleinheit 9 besitzt ebenfalls vier Zentrierbolzen 32. Auf diese Weise wird die zweite Kühleinheit 9 mit den Zentrierbolzen 32 in der Kühleinheit 8 in den Langlöchern 33 fixiert, womit auch die zweite Kühleinheit 9 ebenfalls in x-Richtung festliegt. Wie bereits erwähnt, können sich die Kühleinheiten 8 und 9 in y-Richtung durch die Langlöcher 33 spannungsfrei ausdehnen. Wie ebenfalls bereits erwähnt, erfolgt die Strömungsrichtung in der Kühleinheit 8 im Gegenstrom zu der in der Kühleinheit 9. Der weitere Aufbau der Speicherzellen 2 und der Kühleinheiten 8 und 9 erfolgt schichtweise.
Nach der letzten Kühleinheit 9 werden die Speicherzellen bzw. Module 2 in ihren Positionen ausgerichtet, wonach die Fixierdruckplatte 14 aufgesetzt wird (siehe 15). Die Fixierdruckplatte 14 wird mit einer definierten Druckkraft zusammengedrückt, so dass die Kühlflächen an den Speicherzellen 2 spielfrei anliegen, womit sich ein optimaler Wärmeübergang einstellt.
Wenn die Fixierdruckplatte 14 mit der definierten Druckkraft ausgerichtet ist, werden die seitlichen Fixierspannplatten 15 und 16 mit ihren Spannrahmen 27 bis 30 auf den Fixierdruckplattenträger 13 in die Spannnuten 25 und mit der Fixierdruckplatte 14 und den Spannnuten 25 eingesetzt und für die Fixierung in x-Richtung mit dem Fixierdruckplattenträger 13 und der Fixierdruckplatte 14 verschraubt. Selbstverständlich ist es auch möglich – insbesondere bei größeren Stückzahlen – die vorstehend genannten Teile miteinander zu verschweißen.
16 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen teilweisen Zusammenbau des selbsttragenden Energiespeichers mit seinen Wärmeaustauschereinheiten, den Speicherzellen 2 und dem Fixiergehäuse 12. Wie ersichtlich, sind hier bereits Modulverbinder 35 für die Verschaltung der Speicherzellen 2 vorhanden.
Die 17 zeigt ebenfalls eine perspektivische Ansicht im komplett zusammengebauten Zustand für den Energiespeicher zusammen mit dem Fixiergehäuse 12. Zusätzlich sind hierbei der Vorlaufverteiler 10 mit seinen Verbindungen 36 zu den Vorlaufumströmungskanälen 4 und der Rücklaufverteiler 11 mit seinen Verbindungen 37 zu den Rücklaufumströmungskanälen 5 dargestellt.
Die 18 zeigt in perspektivischer Darstellung den Einbau des Energiespeichers mit seinem diesen umgebenden Fixiergehäuse 12 in einem Batteriekasten 38. Der Batteriekasten 38 ist mit einer Batterieabdeckung 39 versehen.
An dem Batteriekasten 38 befinden sich vier Zentrierbolzen 40 (nur eine dargestellt), die den selbsttragenden Energiespeicher mit seinem Fixiergehäuse 12 in den dort vorhandenen Zentrierbohrungen 21 aufnimmt und damit – wie bereits beschrieben – den Energiespeicher in horizontaler Richtung fixiert, wobei die Scherkräfte über die Zentrierbohrungen 21 und die Zentrierbolzen 40 aufgenommen werden. Über Befestigungsschrauben 41 in dem Batteriekasten 38 wird dieser mit dem Energiespeicher über die darin angebrachten Gewindebohrungen 22 verschraubt.
Die 19 zeigt in perspektivischer Ansicht den kompletten Einbau des Energiespeichers mit seinen Wärmeaustauschereinheiten 1 und dem Fixiergehäuse 12 in den Batteriekasten 38.
Die 20 bis 26 zeigen als Wasserablauf- und Entlüftungseinrichtung für den Batteriekasten 38 eine Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 mit einer Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43. Dabei zeigt die 20 in perspektivischer Darstellung die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 in Verbindung mit der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43.
Die 21 zeigt in einer Explosionsdarstellung beide Teile kurz vor ihrer Verbindung. Die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 weist eine Gewindebohrung 44 auf. Quer zu der Gewindebohrung 44 sind vier Bohrungen 45 vorhanden. Die Bohrungen 45 sind so definiert angebracht, dass sie bündig mit dem Boden des Batteriekastens 38 sind, so dass das austretende Wasser sofort ins Freie geleitet werden kann.
Die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 weist eine Sacklochbohrung 46 auf (siehe 24). Quer zu der Sacklochbohrung 46 sind vier weitere Bohrungen 47 vorgesehen. Weiterhin weist die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 eine Wasserauffangrinne 48 auf. Die Wasserauffangrinne 48 hat die Aufgabe, das über die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 in deren Bohrungen 45 eintretende Wasser aufzunehmen und über die Bohrung 47 in die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 in vier Bohrungen 49 zu leiten, die ebenfalls quer zu der Sacklochbohrung 46 angeordnet sind, von wo aus das Wasser ins Freie abgeführt wird. Die Anordnung der Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 und der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 im Boden des Batteriekastens 38 ist aus der 28 ersichtlich. Wie dargestellt, befindet sich dabei die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 im Inneren des Batteriekastens 38 und die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 auf der Außenseite.
Die 27 zeigt eine Draufsicht auf den Batteriekasten 38 mit den vier Zentrierbolzen 40 und den vier Befestigungsschrauben 41 nebst zwei sich diagonal gegenüberliegenden Wasserablauf- und Entlüftungsscheiben 43.
Die Wasserablauf rinne 48 kann auch in der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 anstelle in der Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 eingebracht werden. Ebenso kann die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 auf der Außenseite und die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 auf der Innenseite angeordnet sein. Die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe 43 wird in dem Batteriekasten 38 verschweißt oder auf beliebig andere Weise mit dm Batteriekasten 38 verbunden.
Die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube 42 übernimmt sowohl eine Be- und Entlüftung des Batteriekastens 38 als auch ein Ableiten von Wasserstoff der Zellen, falls dieser austritt. Ebenso wird auf diese Weise bei eventueller Undichtigkeiten in den Wärmeaustauschereinheiten die Kühlflüssigkeit sofort ins Freie geleitet.
Die 29 zeigt in perspektivischer Ansicht den elektrochemischen Energiespeicher mit seiner selbsttragenden Bauweise im Batteriekasten 38. Ein externer Kühlkreislauf weist einen externen Kühler 50 mit Axiallüfter, eine Wasserpumpe 51 und einen Ausgleichsbehälter 52 auf.
Die 30 zeigt zusätzlich in Seitenansicht noch eine Vorlaufleitung 53 zur Wasserpumpe 51. Von der Wasserpumpe 51 aus geht eine Verbindung 54 zu dem externen Kühler 50 mit dem Axiallüfter. Vom externen Kühler 50 geht eine Verbindung 55 zum Batteriekasten 38. Der Rücklauf vom Batteriekasten 38 geht über eine Verbindung 56 zu dem Ausgleichsbehälter 52.
Der an sich bekannte Kühlkreislauf gewährleistet eine optimale Befüllung und Entlüftung des gesamten Kühlkreislaufs. Die Entlüftung erfolgt dabei über den Rücklauf vom Batteriekasten 38 direkt durch die Leitung zum Ausgleichsbehälter 52. Die Zuluft für den externen Kühlkreislauf wird nicht direkt zwischen Fahrzeugboden und Fahrbahn zugeführt, sondern von der Innenraumentlüftung aus, die normalerweise seitlich links und rechts als Zwangsentlüftung ins Freie geführt wird. Diese Ablauft kann dem externen Kühlkreislauf zugeführt werden.
Eine direkte Zuführung der Zuluft vom Unterboden und von der Fahrbahn zum externen Kühlkreislauf hätte den Nachteil, dass diese Luft durch Strahlungsabwärme des Motors sowie bei sehr hohen Außentemperaturen zusätzlich noch durch Strahlungswärme vom Fahrbahnbereich erwärmt würde. Auf diese Weise könnte bei sehr hohen Außentemperaturen die Batterie nicht genügend gekühlt werden, sie würde im Gegenteil sogar noch erwärmt werden. Zu der Abluft der Innenraumbelüftung kann zusätzlich noch ein Zuluftkanal von der Fahrzeugbelüftungsanlage, die von der Klimaanlage gekühlte oder von der Motorwärme erwärmte Luft zum externen Kühlkreislauf führt, vorgesehen werden. Auf diese Weise kann die Batterie sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen optimal gekühlt werden.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen hat diese Ausführung einen weiteren Vorteil, nämlich dass die Batterie nicht gekühlt wird, sondern mit der Motorwärme, die ja den Innenraum beheizt, diese Warmluft ebenfalls dem externen Kühlkreislauf zugeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit für den externen Kühlkreislauf wäre eine direkte Anbindung an die Klimaanlage. In diesem Fall wird der externe Kühlkreislauf ersetzt.
Die 31 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführung mit einem externen Kühlkomponentenaufbau mit einem Kühlkomponentenhalter 57, einem Wärmetauscher/Verdampfer 58, einem Expansionsventil 59 und einer Wasserpumpe 60.
Die 32 zeigt eine Draufsicht auf einen bereits im Fahrzeug eingebauten Batteriekasten 38, in welchem der selbsttragende Energiespeicher angeordnet ist. Ebenso ist die Anordnung des Kühlkomponentenaufbaus aus der 31 mit einer direkten Anbindung an eine Klimaanlage und mit einem Ausgleichsbehälter 52 dargestellt.
Die 33 zeigt eine perspektivische Ansicht eines selbsttragenden Batterieflüssigkeitskühlers mit Li-Ion-Zellen 61 und den externen Kühlkomponenten gemäß 31, wobei ebenfalls die Anordnung direkt an die Klimaanlage angebunden ist.
Die 34 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Batteriekastens 38 mit Li-Ion-Zellen mit externen Kühlkomponenten gemäß 31, die direkt an den Batteriekasten 38 angeflanscht sind.
Die 35 zeigt eine perspektivische Ansicht des Ausgleichsbehälters 52 mit einer spiralförmigen Kühlleitung 62 im Ausgleichsbehälter 52. Die Verbindung geht direkt vom Ausgleichsbehälter 52 zur Wasserpumpe 60 und von da aus zum Batteriekasten 38 und als Rücklauf vom Batteriekasten 38 zum Ausgleichsbehälter 38 zurück.
Bei dieser Ausführung entfallen die Kühlkomponenten, wie z.B. der Kühlkomponentenhalter 57, sowie der Wärmetauscher 58 und das Expansionsventil 59. Der Kühlkreislauf erfolgt zunächst vom Ausgleichsbehälter 52 direkt über die Wasserpumpe 60 in das Innere des Batteriekastens 38 zu den Wärmeaustauschereinheiten und von dort aus wieder zurück zum Ausgleichsbehälter 52. Zur Kühlung bei hohen Außentemperaturen wird von einem Klimakompressor (nicht dargestellt) die Kühlleitung 62 spiralförmig durch den Ausgleichsbehälter 52 geführt und dann wieder zum Klimakompressor zurückgeleitet.
Da für die Batteriekühlung eine zusätzliche Fremdkühlung nur bei hohen Außentemperaturen erforderlich ist und die Klimaanlage in diesem Falle ohnehin in Betrieb ist, ist die vorstehend ausgeführte Ausgestaltung eine kostengünstige und einfache Lösung. Bei Temperaturen von z.B. unter 20 °C würde für die Kühlung der Batterie keine zusätzliche Fremdkühlung benötigt werden.

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher mit Wärmeaustauschereinheiten und mehreren elektrochemischen, jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordneten Speicherzellen, die jeweils zwischen einer Wärmeaustauschereinheit angeordnet sind, wobei die Wärmeaustauschereinheiten von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle, Umströmungsverteilerkanäle, Vorlaufverteilerkanäle und Rücklaufsammelkanäle aufweisen, wobei die Wärmeaustauschereinheiten mit den dazwischenliegenden Speicherzellen in einen Batteriekasten eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der druckdicht und wasserdicht ausgebildete Batteriekasten (38) mit wenigstens einer Wasserablauf- und Entlüftungseinrichtung (42, 43) versehen ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserablauf- und Entlüftungsseinrichtung mit einer Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) und mit einer Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe (43) versehen ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) über eine Gewindeverbindung mit der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe (43) verbunden ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) und die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe (43) mit Querbohrungen (45, 47, 49) zur Wasserableitung und/oder zur Entlüftung versehen sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe (43) im Inneren des Batteriekastens (38) angeordnet ist, wobei die Querbohrungen (45) mit dem Boden des Batteriekastens (38) bündig sind, und wobei die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) außenseitig an dem Batteriekasten (38) angeordnet ist und über die Gewindeverbindung mit der Wasserablauf- und Entlüftungsscheibe (43) verbunden ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) mit einer Wasserauffangrinne (48) versehen ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, die Wasserablauf- und Entlüftungsschraube (42) mit einer zentralen Sacklochbohrung (46) versehen ist, von der aus Querbohrungen (47) abzweigen.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschereinheiten (1) mit den dazwischen angeordneten Speicherzellen (2) als selbsttragende Einheit ausgebildet sind, die in den Batteriekasten (38) einsetzbar ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschereinheiten (1) in einem Fixiergehäuse (12) angeordnet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiergehäuse (12) einen Fixierdruckplattenträger (13), eine Fixierdruckplatte (14) und seitliche Fixierspannplatten (15, 16) aufweist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierdruckplattenträger (13) und/oder die Fixierdruckplatte (14) mit einer Radiuskontur (17 bzw. 24) versehen ist, die an die Wärmeaustauscherkanäle (3) angepasst ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, der Fixierdruckplattenträger (13) mit Langlöchern (18) zur Verbindung mit den Wärmeaustauschereinheiten (1) versehen ist.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierdruckplattenträger (13) und/oder die Fixierdruckplatte (14) mit Spannnuten (19, 20, 25) zur Verbindung mit den Fixierspannplatten (15, 16) versehen sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierdruckträgerplatte (13) mit Zentrierbohrungen (21) versehen ist, in die Zentrierbolzen (40), welche in dem Batteriekasten (38) angeordnet sind, eingesetzt sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Fixierspannplatten (15, 16) Öffnungen (26) zur Aufnahme von Zellen (2), Zuleitungsteilen und Verteilungsleitungen angeordnet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (26) für die Zellen (2) als Vierkantöffnungen ausgebildet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierspannplatten (15, 16) mit Spannrahmen (27-30) versehen sind.