DE102007052375A1

DE102007052375A1 - Energiespeicher mit Kühlvorrichtung, insbesondere für Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102007052375A1
Application number: DE200710052375
Authority: DE
Inventors: Swen Wiethoff; Peter Birke; Jens Unterdörfer; Stefan Dr. Tillmann; Michael Keller; Knut Welke; Sönke GÜRTLER; Dullek Matti
Original assignee: Temic Automotive Electric Motors GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: DE102007052375B4

Abstract

Es wird ein Energiespeicher mit elektrischen Speicherzellen (5) und einer Vorrichtung zur Kühlung vorgestellt, die modular aus Kühlerplatten (1) und Abstandshaltern (2) aufgebaut ist. Die Speicherzellen sind auf den Kühlerplatten aufgebracht. Kühlkanäle, die entweder nur in den Abstandshaltern oder durch Kühlerplatten und Abstandshalter verlaufen, dienen zur Führung des Kühlmittelstroms insbesondere bei einem geschlossenen Kühlmittelstrom. Ein wesentlicher Vorteil des Konzeptes ist die einfache Schichtung und die Möglichkeit der Vorkonfektionierung der Einheit Zelle-Kühlerplatte sowie modulare Zusammenschaltung von Zellen und Einheiten je nach Anwendungsfall.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit einer Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Zudem wird ein entsprechendes Herstellungsverfahren beschrieben.
Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden.
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik allgemein Hybrid-Controller genannt. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie d. h. dem regenerativen Bremsen.
Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
Als Energielieferanten und Speicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
Die Zelle ist in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung bei Lithium-Ionen Zellen besteht in Form eines Softpacks. Dieser besteht aus der Batteriezelle, welche von einer Folie, typischerweise eine Aluminiumverbundfolienverpackung, umgeben ist.
Eine wichtige Anforderung an diese Speicher ist, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte Leistung zu finden. In diese Optimierungsbetrachtung gehen Material- und Kostenaspekte ein. Man findet, dass für das vorgesehene Anwendungsfeld eine Systemauslegung weder auf hohe Spannungen noch auf hohe Ströme zielführend ist.
Typische Spannungsbereiche für eine optimale Systemauslegung liegen zwischen 100–450 V Maximalspannung, die resultierenden Ströme können im Pulsbetrieb 400 A, für besondere Extremanwendungen und für höhere Temperaturbereiche sogar bis zu 550 A erreichen. Kontinuierliche Ströme liegen im Bereich von 80–100 A, können aber ggf. anwendungsspezifisch auch noch höher liegen. Eine Herabsetzung dieser Ströme zu Gunsten höherer Spannungen ist wie bereits erwähnt aus konstruktiven und kostenbedingten Gründen mit deutlich mehr Aufwand als eine konsequente Systemauslegung auf diese Ströme verbunden.
Diese Anforderungen treten nicht nur für Energiespeicher für automotive Anwendungen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeuge auf, sondern auch im stationären Bereich, z. B. zur Pufferung von Lastspitzen oder bei Energiespeichern zur dezentralen Energieversorgung.
Die Kosten für solche Hochleistungszellen (typischerweise > 4 Ah) liegen konstruktionsbedingt deutlich höher als jene von einfachen Konsumerzellen mit zudem in der Regel geringeren Kapazitäten. Zusätzlich werden in der Automobilindustrie Lebensdaueranforderungen von mehr als 10 Jahren gefordert.
Ein effizientes Kühlkonzept ist für die Erreichung dieser Lebensdaueranforderungen unabdingbar.
Die thermische Anbindung der Batterie an eine externe Temperiereinheit kann auch zur gezielten Erwärmung des Systems bei besonders geringen Umgebungstemperaturen genutzt werden, um auch hiermit eine möglichst einheitliche Zellentemperatur zu gewährleisten.
Je nach Anwendung als Energiespeicher für Hybridfahrzeuge, Plug-in Hybride oder als Elektrofahrzeug werden Spitzenleistungen von 10 kW bis zu über 100 kW gefordert. Obwohl die Anforderungen an kontinuierliche Leistungen deutlich darunter liegen können, stellen insbesondere diese kontinuierlichen Leistungen hohe Anforderungen an die Kühlung, zumal die Bauräume für Energiespeicher in der Regel recht begrenzt sind.
Dabei ist es für die Lebensdauer der Zelle nicht nur von Bedeutung, dass diese (absolut) gekühlt wird, sondern dass diese Kühlung gleichmäßig (relativ), d. h., mit möglichst geringem Temperaturgradient über die Zelle und im Falle der Verschaltung von mehreren Zellen zu einem Energiespeicher auch über diesen, d. h., über die Zellen, erfolgt. Das Ziel ist dabei eine Temperaturdifferenz von ΔT < 3 K, ein guter Wert ist bereits ΔT < 5 K.
Trotz gleichmäßigem Kühlmittelfluss über bzw. durch den gesamten Speicher kann es jedoch zur unterschiedlichen Erwärmung einzelner Zellsegmente kommen.
Insbesondere, wenn Zellen parallel verschaltet werden, sind diese zwar elektrisch gekoppelt, aber noch nicht zwangsläufig auch thermisch. Eine thermische Kopplung ist wichtig, um einen gleichmäßigen Stromfluss unter Belastung zu gewährleisten. In der Regel kann man davon ausgehen, dass 15 K Temperaturerhöhung die Kinetik verdoppelt. Fließen im Belastungsfall unterschiedliche Ströme innerhalb einer Parallelschaltung so kann dies eine beschleunigte Alterung lokaler Bereiche und sogar Schäden im Falle hoher Ströme hervorrufen.
Um dies zu umgehen, können mehrere („MultiPack"), bevorzugt zwei Zellen („BiPack") aber auch nur eine Zelle an eine Kühlerplatte („Kühlfinne") angeschlossen werden.
Die Anbindung an die Kühlerplatte erfolgt bevorzugt mit einer Klebeverbindung über den Zellkörper, kann aber auch zusätzlich durch mechanischen Druck oder eine Halterung am Zellrand erfolgen.
Unterschiedliche Kunden wünschen jedoch unterschiedliche Energiespeicher. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Herstellung vorzustellen, welches ein effektive Kühlung einerseits und eine kostengünstige Herstellung für unterschiedliche Kunden andererseits ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Der entscheidende Punkt dieser Erfindung besteht darin, dass eine kompakte, kostengünstige und modulare Bauweise mit einer effektiven Kühlleistung kombiniert wird. Diese kompakte, einfache Bauweise ist im Rahmen eines Baukastensystems einsetzbar, d. h. je nach Anwendungsfall können beliebig viele Zellen zusammengeschaltet werden. Es wird eine effektive Halterung der Zellen im Hinblick auf Vibration und Schichtungstoleranzen erreicht. Es entsteht eine sehr effektive Kühlung, da die Kühlerplatte gleichzeitig Bestandteil des Grundkörpers ist. Damit lassen sich optimale Kühlung eines Energiespeichers und somit besonders hohe Lebensdauererwartungen realisieren.
Es sind vorzugweise Kühlkanäle für ein Kühlmedium nur in den Abstandshaltern, also beispielsweise längs verlaufend zu den Kühlerplatten, oder alternativ beispielsweise als senkrecht zur Kühlerplatte verlaufende Aussparungen in Kühlerplatten und Abstandshaltern vorgesehen sind.
Die Herstellung eines Energiespeichers erfolgt jeweils modular aus Kühlerplatten, welche ein- oder beidseitig mit einer gewünschte Anzahl von Speicherzellen versehen sind und eine gewünschte Anzahl von Kühlerplatten mit den Speicherzellen mit Abstandshaltern zu einem Energiespeicher einer gewünschten Speicherkapazität modular zusammengesetzt und die Speicherzellen untereinander elektrisch verbunden werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
1 erste Ausgestaltung eines modularen Kühlkörpers für einen Energiespeicher
2 zweite Ausgestaltung eines modularen Kühlkörpers für einen Energiespeicher
3 Detailansicht einer Kühlerplatte gemäß 2 mit zwei beidseitig der Kühlerplatte angeordneten Zellen des Energiespeichers
4–5 Seitenansichten von 3
1 zeigt eine Mehrzahl von Kühlerplatten 1, auf denen jeweils ein oder mehrere Energiespeicherzellen 5 angeordnet sein können. Zwischen den einzelnen Kühlerplatten 1 befindet sich jeweils ein Abstandshalter 2 in den ein Kühlungskanal 3 integriert ist. Zwei Abstandshalter 2 werden über die Verbindung 4 mit der Kühlerplatte 1 und miteinander verbunden.
2 zeigt eine alternative Ausführung eines modularen Kühlkörpers. Hierbei besteht die Kühlerplatte 1 aus der Kühlfinne 1.1 und dem integrierten Kühlungskanal 1.2, der senkrecht zur Plattenebene durch die Schichtung von Kühlerplatten 1 und Abstandshaltern 2. Die Dichtung 2.1 ist zwischen Kühlerplatte und Abstandshalter angebracht.
3 zeigt eine Kühlerplatte gemäß 2, auf die zwei Speicherzellen 5a und 5b beidseitig angebracht sind, z. B durch Verkleben. Die Kontaktierung der Zellen 5a und 5b erfolgt über die Kontakte 5a.1, 5a.2 bzw. 5b.1 und 5b.2. 4 zeigt die Draufsicht von 3 und 5 zeigt die Seitenansicht. Dadurch, dass die beiden Kontakte 5b.1 und 5a.2 verbunden sind, sind die beiden Zellen in Serie geschaltet.
Um eine besonders effektive Kühlung zu erreichen ist daher in allen Ausführungsbeispielenein Teil der Kühlerplatte gleichzeitig Bestandteil des Grundkörpers, welcher sich aus den Kühlerplatten und Abstandshaltern bildet.
Dadurch wird ein kontinuierlicher Übergang ohne eine Zwischenverbindung erreicht, die einen empfindlichen Engpass bei der Wärmeübertragung darstellen kann.
Ein weiterer Vorteil des Konzeptes ist die einfache Schichtung und die Möglichkeit der Vorkonfektionierung der Einheit Zelle-Kühlerplatte sowie modulare Zusammenschaltung von Zellen und Einheiten je nach Anwendungsfall. Dies macht das System besonders geeignet für kleine modulare Einheiten, kleine Energiespeicher und indirekte Luftkühlung.
Zur Vereinfachung des Zusammenbaus des Systems können die Multi- oder Bi-Packs an den Kühlkanälen mit direkt angespritzten Dichtungen vorbereitet werden. Dadurch wird die Fehlerrate beim Zusammenfügen der Gesamtmodule deutlich gesenkt werden können. Die schiere Anzahl der Packs würde sonst zu einer schwer kontrollierbaren Zahl von Einzelteilen führen, die in der richtigen Position zusammengebaut werden müssen.
Werden die Zellableiter zusätzlich so flexibel gestaltet, dass sie durch einfache Vorrichtungen gekröpft und bevorzugt mittels Ultraschallverschweißung zusammengefügt werden können so bestimmen in der Gesamtkonstruktion nur die Abstandshalter für die Kühlerplatten die Fixierung der Zellpacks und können, wenn Abstände zwischen den Zellpacks vorgesehen sind, somit effektiv sämtliche Toleranzen des Softpacks effektiv ausgleichen.
Die Kühlkanäle bieten die Möglichkeit eines geschlossenen Kühlmittelstroms, so dass neben Luft auch andere Kühlmedien eingesetzt werden können. Insbesondere wird vermieden, dass bei Defekten an einer Zelle Ausdünstungen der Zelle in den Kühlmittelstrom, beispielsweise die Innenraumluft des Fahrzeugs gelangen.
Die vorliegende Kühlvorrichtung für Energiespeicher eignet sich insbesondere für die Umsetzung in Kombination insbesondere mit einem Hybrid-Antrieb oder Elektrofahrzeuge mit Batteriespeicher.

Claims

Energiespeicher mit elektrischen Speicherzellen (5a, 5b) und einer Vorrichtung zur Kühlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung modular aus Kühlerplatten (1) und Abstandshaltern (2) aufgebaut ist und die Speicherzellen (5a, 5b) auf den Kühlerplatten (1) aufgebracht sind.
Energiespeicher nach Anspruch 1, wobei Kühlkanäle (3) für ein Kühlmedium in den Abstandshaltern (2) vorgesehen sind.
Energiespeicher nach Anspruch 1, wobei Kühlkanäle (3) durch Aussparungen (1.2) in Kühlerplatten (1) und Abstandshaltern (2) vorgesehen sind.
Energiespeicher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Kühlerplatte (1) ein- oder beidseitig mit einer gewünschte Anzahl von Speicherzellen versehen und eine gewünschte Anzahl von Kühlerplatten (1) mit den Speicherzellen mit Abstandshaltern (2) zu einem Energiespeicher einer gewünschten Speicherkapazität modular zusammengesetzt und die Speicherzellen (5) untereinander elektrisch verbunden werden.