DE102007011026A1 - Batterietrocknungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Gehäuse (11), in dem Batteriezellen angeordnet sind, und mit einer aktiven Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen in dem Gehäuse (11). Zum Verhindern von Korrosion der Batterie wird vorgeschlagen, dass die Batterie eine Kühlfalle (12) zum Kondensieren und Abführen von Feuchtigkeit aus dem Gehäuse (11) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Problem der Kondenswasserbildung in einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere einer Hochvolt-Batterie.
  • Nach dem Stand der Technik muss die bei Ladung und Entladung in den Zellen von Lithium-Ionen-Batterien (z. B. für Hybridantriebe oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge) entstehende Wärme durch eine Kühlung abgeführt werden. Wegen der maximal zulässigen Zelltemperatur von ca. 50°C wird die Kühlung über den Klimakreislauf des Fahrzeugs oder eine spezielle Kühleinrichtung vorgenommen. Dabei kann die Batterie in einem gekühlten Batteriekasten untergebracht sein oder die Zellen in dem Batteriegehäuse werden direkt gekühlt, beispielsweise durch eine an einen Klimakreislauf des Fahrzeugs angeschlossene Kühlplatte, die in dem Batteriegehäuse angeordnet ist.
  • Dabei stellt sich das Problem, dass bei der aktiven Kühlung in Batterien, deren Konstruktion in der Regel nicht den Aufbau eines Differenzdruck zwischen Batterie-Innenraum und Umgebung gestattet, z. B. durch die Klimaanlage eines Kraftfahrzugs, die Temperatur in der Regel niedriger ist, als die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs und es im Innenraum der Batterie wegen des für den Druckausgleich erforderlichen Luftaustauschs mit der Außenluft deshalb passieren kann, dass an den gekühlten Oberflächen der Taupunkt des Wassers erreicht wird und es zur Kondensation von Wasserdampf kommen kann. Das flüssige Wasser ist wegen der elektrochemischen Korrosionsgefahr an den spannungsführenden Metallteilen und der eingebauten Elektronik äußert schädlich. Auch der Einbau einer flüssigkeits-undurchlässigen Membran, z. B. eine microporöse Membran aus Polytetrafluoroethylene (Goretex), in die Batteriegehäusewand kann dieses Problem nicht prinzipiell lösen, da auch diese für den in der Umgebungsluft immer enthaltenden Wasserdampf keine ausreichende Barriere darstellt.
  • Bei Batteriegehäusen aus Metallblech in faßförmiger oder zylindrischer Bauweise mit gekrümmten Gehäuseabschnitten bietet es sich an, diese hermetisch zu verschließen und luftdichte elektrische Durchführungen zu verwenden. Der Innenraum müsste dann soweit mit Unterdruck versehen werden, dass bei allen zu erwartenden Umgebungs-Luftdruckverhältnissen über die gesamte Lebensdauer der Batterie sichergestellt ist, dass kein schädlicher Überdruck im Gehäuse auftritt, z. B bei Fahrten mit stark wechselnden Höhen über N. N. Günstig ist es auch, das Gehäuse soweit zu evakuieren, dass der Wärmewiderstand in der Batterie durch den Mangel an Konvektion sehr stark erhöht wird, weil dadurch der ungewollte Wärme- und Kälteeintrag von außen auf die Batterie sehr stark vermindert werden kann, was besonders bei dem Einbau der Batterie im Fahrzeug in der Nähe des Motorraums wichtig ist.
  • Bei manchen bekannten Batterien ist ferner trotz der Faß-Form eine Evakuierung wegen der Verwendung nicht luftdichter Gehäusematerialen nicht möglich. Auch führt eine Verwendung eines von der Klimaanlage gekühlten Niedrigtemperatur-Wasserkreislaufs in der Batterie über die dort verwendeten nicht absolut wasserdampfdichten Kunststoff-Kühlerteile zu einem ständigen Eintrag von Wasserdampf in den Batterieinnenraum, der aus der Batterie entfernt werden muß.
  • Die nach dem Stand der Technik bekannten oder denkbaren Maßnahmen sind somit sehr aufwendig und lösen das Problem der Kondenswasserbildung nicht sicher oder nicht dauerhaft.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer aktiven Kühlung zu schaffen, bei der das Problem der Kondenswasserbildung im Batteriegehäuse gelöst ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
  • Eine erfindungsgemäße Batterie mit einem Gehäuse, in dem Batteriezellen angeordnet sind, und mit einer aktiven Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen in dem Gehäuse, weist also die Besonderheit auf, dass sie eine Kühlfalle zum Kondensieren und Abführen von Feuchtigkeit aus dem Gehäuse aufweist.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Kühlfalle kann die Korrosion in Batterien durch den Feuchtigkeitsentzug stark vermindert oder verhindert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 einen Schnitt eines geöffneten fassförmigen Batteriegehäuses einer Hochvolt-Batterie mit einer erfindungsgemäßen Kühlfalle.
  • 2 ein Kühlfallengehäuse einer erfindungsgemäßen Kühlfalle.
  • 3 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Kühlfalle.
  • Die 1 zeigt einen Schnitt eines geöffneten fassförmigen Batteriegehäuses 11 einer Hochvolt-Batterie mit einer erfindungsgemäßen Kühlfalle 12, die mittels eines Kühlwassereinlasses 13 und eines Kühlwasserauslasses 14 an einen Kühlwasserkreislauf eines Kraftfahrzeugs anschließbar ist. Die 2 zeigt ein Kühlfallengehäuse 16 einer erfindungsgemäßen Kühlfalle 12 und die 3 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Kühlfalle 12.
  • Um ein Aufwölben des Batteriegehäuses 11 bei leichter Druckerhöhung im Batterieinnenraum zu vermeiden, erfolgt der Luftdruckausgleich durch eine definierte kleine Öffnung 15 im Batteriegehäuse 11, an die ein Batterieentlüftungsschlauch angeschlossen ist, der an einer Stelle unterhalb der Batterie an den Fahrzeug-Wasserkasten so angeschlossen ist, dass flüssiges Wasser aus der Batterie zwar abfließen kann, aber nicht aus dem Wasserkasten in die Batterie zurückströmen kann. Im Innenraum der Batterie endet der von außen kommende Entlüftungsschlauch in einer Kühlfalle 12.
  • Die Kühlfalle 12 besteht in der ausgeführten Form aus einem Peltierelement, das in Betrieb an der warmen Seite in thermischen Kontakt mit dem Kühlwasser der Batterie steht und mit der kalten Seite mit einem verrippten Aluminiumkühlkörper, der sich in dem Kondensationsraum der Kühlfalle befindet. Der Kondensationsraum ist über eine O-Ring-Dichtung hydraulisch von dem Peltierelement getrennt und am unteren Ende hydraulisch mit dem Entlüftungsschlauch verbunden, so dass das vom Kühlkörper abtropfende Kondensat dort nach außen abfließen kann.
  • In der ausgeführten Form ist der Kondensationsraum aus wärmeisolierenden Kunststoff in liegender zylindrischer Hohlkörper-Geometrie ausgeführt, in der Art, dass sich der Durchmesser des Hohlzylinders zu einer Seite hin stufenweise erweitert. Eine Montage erfolgt von der größeren der beiden Stirnseiten des zunächst beidseitig offenen Kondensationsraums aus durch Einlegen der bevorzugt rotationssymmetrischen Einzelkomponenten in folgender Reihenfolge; dabei liegen die erforderlichen Dichtungsringe in Nuten oder Rundungen am Boden des Zylinders und auf den Stufen der Erweiterungen.
  • Schritt 1: O-Ring 1 (nicht sichtbar) zur Abdichtung zum Kühlwasserkreislauf in einer Nut am Boden des Zylinders, an dem mittig eine Öffnung mit Verbindung zum Wasserkreislauf ist.
  • Schritt 2: Kreisförmige Blechscheibe 2 mit guter Wärmeleitung zur hydraulischen Trennung zwischen Kühlwasser und Peltierelement.
  • Schritt 3: Peltierelement 3 mit Anschlusskabeln, die durch eine Öffnung seitlich aus dem Zylinder herausgeführt werden.
  • Schritt 4: Pt1000-Temperaturfühler 4 auf der Oberseite des Peltierelementes zur späteren Funktionskontrolle der Kühlfalle 12. Der Fühler 4 wird mittig auf dem Peltierelement oder dem Kühlkörper aufgesetzt und die Anschlussdrähte werden ebenfalls seitlich aus dem Zylinder herausgeführt. Im ausgeführten Beispiel hat der Kühlkörper eine Nut zur Aufnahme des Temperaturfühlers (nicht sichtbar).
  • Schritt 5: O-Ring 5 zur Abdichtung des Kondensationsraums von der kalten Seite des Peltierelements, montiert auf einer Flanke der Erweiterung des zylindrischen Hohlkörpers.
  • Schritt 6: Zylindrischer Kühlkörper 6 mit Dichtungsfläche entsprechend dem eingelegtem O-Ring und hervorstehender einseitig gekühlter Fläche entsprechend der Geometrie des Peltierelements.
  • Schritt 7: O-Ring 7 zur Abdichtung des Deckelverschlusses 8 mit Auflage auf den oberen Rand des Kondensationsraumes.
  • Schritt 8: Deckelverschluss 8 aus wärmeisolierendem Kunststoff, der über ein Außengewinde in den Kondensationsraum verschraubt wird.
  • Der Deckelverschluss 8 enthält bereits mittig eine Öffnung 9, die die Verbindung mit dem Innenraum der Batterie darstellt. Die Öffnung 9 ist über einen integrierten Strahlungsschirm 10 gegen Wärmeeintrag aus dem Batterieinnenraum geschützt.
  • Ebenso sind an der Innenseite des Deckelverschlusses 8 drei halbkugelförmige Erhöhungen integriert (nicht sichtbar), die im montierten Zustand nach Verschraubung des Deckels auf den darunterliegenden Kühlkörper pressen.
  • Die O-Ringe sind in ihren Schnurdicken so gewählt, dass mit der Montage des Deckelverschlusses 8 alle Dichtungen gleichzeitig axial zum zylindrischen Hohlzylinder elastisch verformt werden. Der Deckelverschluss 8 wird bis zum Anschlag eingeschraubt, der dann erreicht ist, wenn Blechscheibe 2, Peltierelement 3 und Kühlkörper 6 in festem mechanischem und damit auch thermischem Kontakt miteinander verspannt sind. Die halbkugelförmigen Erhöhungen im Deckelverschluss 8 und die Bodenplatte des Deckelverschlusses 8 werden dabei etwas elastisch verformt, so dass im Betrieb der Batterie bei wechselnden Temperaturen und Geometrieänderungen immer eine ausreichende Vorspannung sichergestellt ist.
  • Das Peltierelement kann elektrisch über einen Gleichstrom-Spannungswandler direkt mit den Lastausgängen der Batterieschütze verbunden sein, so dass automatisch bei jeder Inbetriebnahme der Batterie bei dem Schließen der Schütze die Kühlung sofort anfängt mit maximaler Leistung zu arbeiten. Eine weitere elektrische Regelung kann, muss aber nicht vorgesehen sein. Das Peltierelement hat dann an der warmen Seite in etwa die Temperatur des Kühlwassers und an der kalten Seite eine sehr viel niedrigere Temperatur, die zur Auskondensation jeglicher Feuchtigkeit am Kühlkörper führt. Dabei arbeitet die Kühlfalle funktionsgemäß bidirektional, d. h. falls von außen Luft in die Batterie strömt wird diese ebenso getrocknet, wie auch die Luft im Innenraum der Batterie, die durch natürliche Konvektion und Wasserdampfdiffusion entsprechend dem Gradienten der relativen Feuchtigkeit bzw. der Temperaturgradienten getrocknet wird.
  • Das Volumen des Kondeansationsraumes ist so gewählt, dass auch bei sehr ungünstigen Betriebsbedingungen, also lange Fahrzeit, geringe Stillstandszeit, hohe Umgebungsluftfeuchtigkeit und Wechsel der Höhe über N. N., genügend Raum für die Aufnahme des Kondensats ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Kondensat während des Betriebes der Kühlfalle in der Regel am Kühlkörper gefriert, die Temperatur am Kühlkörper also unter Null Grad Celsius ist. Dabei können Erfahrungswerte aus entsprechenden Dauerversuchen berücksichtigt werden. Gegebenfalls kann es erforderlich sein, durch eine besondere Schaltung das Peltierelement alternierend kurzzeitig abzuschalten, damit das gefrorene Kondensat auftauen und als Flüssigkeit in den Entlüftungsschlauch abfließen kann.
    • 1
    O-Ring
    2
    Blechscheibe
    3
    Peltierelement
    4
    Temperaturfühler
    5
    O-Ring
    6
    Kühlkörper
    7
    O-Ring
    8
    Deckelverschluß
    9
    Öffnung
    10
    Strahlungsschirm
    11
    Batteriegehäuse
    12
    Kühlfalle
    13
    Kühlwassereinlass
    11
    Kühlwasserauslass
    15
    Anschluss Entlüftungsschlauch
    16
    Kühlfallengehäuse
    17
    Nut
    18
    Gewinde für Deckel

Claims (20)

  1. Batterie mit einem Gehäuse (11), in dem Batteriezellen angeordnet sind, und mit einer aktiven Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen in dem Gehäuse (11), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kühlfalle (12) zum Kondensieren und Abführen von Feuchtigkeit aus dem Gehäuse (11) aufweist.
  2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) oder das Batteriegehäuse (2) einen Kondensationsraum umfasst.
  3. Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsraum aus wärmeisolierendem Kunststoff in liegender zylindrischer Hohlkörper-Geometrie ausgeführt ist.
  4. Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des Kondensationsraum zu einer Seite hin stufenweise erweitert.
  5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) ein Peltierelement umfasst.
  6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement im Betrieb mit der kalten Seite des Kondensationsraums der Kühlfalle (12) thermisch leitend verbunden ist..
  7. Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement derart angeordnet ist, dass es im Betrieb mit der warmen Seite im thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel des Kühlflüssigkeitskreislaufs der Batterie in Verbindung steht.
  8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (11) im wesentlichen luftdicht ist und für den Luftdruckausgleich eine kleine definierte Öffnung aufweist.
  9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) einen verrippten Kühlkörper, vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere Aluminium oder aus einer Keramik umfasst.
  10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (11) fassförmig ist.
  11. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (11) aus Metall ist.
  12. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in dem Batteriegehäuse (11) in einem Zellverbund angeordnet sind.
  13. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) durch einen Luftkreislauf kühlbar ist.
  14. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) durch einen Flüssigkeitskreislauf kühlbar ist.
  15. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfalle (12) durch eine 2-Phasenkühlung eines verdampfenden Kühlfluids gekühlt ist und zum Anbinden an einen Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
  16. Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein Kreislauf zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs ist, der einen Kältemittelkreislauf für ein Kältemittel, einen Kältemittelverdichter, ein Expansionsventil mit zugehörigem Verdampfer zum Kühlen des Innenraums und einen Kondensator umfasst.
  17. Batterie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein von dem Kreislauf zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs separater Kreislauf ist, der einen von der Fahrgastinnenraumklimaanlage unabhängigen Wärmetauscher/Verdampfer und ein zugehöriges Expansionsventil umfasst.
  18. Batterie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf ein Kühlwasserkreislauf ist.
  19. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie ist.
  20. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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