DE102008002103A1

DE102008002103A1 - Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie

Info

Publication number: DE102008002103A1
Application number: DE200810002103
Authority: DE
Inventors: Thomas Wahl; Florian Wahl; Sebastian Maass; Norbert Breuer; Leonore Schwegler; Bernd Schumann; Jan-Michael Graehn; Niluefer Baba
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie (12) beschrieben mit einem Kühlmittelspeicher (20), einer Temperaturerfassungseinheit (16) zur Erfassung der Temperatur des Speichers für elektrische Energie (12) sowie einer Dosiervorrichtung (22) für das Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelspeicher (20) ein Speicher für ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie sowie auf ein Verfahren zum Betrieb derselben und deren Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Für den Antrieb von Straßenfahrzeugen erlangen elektrische Antriebseinheiten eine immer größere Bedeutung. Zum Einen ist von einer stetig wachsenden Anzahl von reinen Elektrofahrzeugen, beispielsweise für den Innenstadtverkehr in Ballungsräumen auszugehen, zum anderen von einer steigenden Zahl von Fahrzeugen, die einen Hybridantrieb aufweisen. In beiden Fällen werden leistungsstarke Speicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie benötigt.
Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte wird die Verwendung sogenannter Lithium-Ionen-Akkus favorisiert. Allerdings steht einer breiten Anwendung derselben bisher noch ein zu hohes Kostenniveau des Lithium-Ionen-Batteriesystems sowie hohe Anforderungen an ein entsprechendes Thermomanagement im Fahrzeugsatz entgegen. Lithium-Ionen-Akkus bergen die Gefahr, dass bei einer ungenügenden Kühlung des Akkumulators und/oder gleichzeitigem Wärmeeintrag eine Überhitzung des Akkumulators nicht auszuschließen ist, was zu einer explosionsartigen Zerstörung führen kann.
Weiterhin zeigen klein dimensionierte Akkus, die beispielsweise nur aus einer oder einigen wenigen elektrochemischen Zellen bestehen, ein günstiges Verhältnis von äußerer Oberfläche zum eigentlichen Speichervolumen, was eine passive Kühlung des Energiespeichers ermöglicht. Bei Akkumulatoren, die der Speicherung elektrischer Energie für Kraftfahrzeuganwendungen dienen sollen, muss jedoch eine aktive Kühlung vorgesehen werden.
Im Bereich von Klimaanlagen oder Kraftfahrzeugen zum Transport tiefgekühlter Güter ist bspw. aus der US 5,458,188 A grundsätzlich die Anwendung von tiefgekühltem Stickstoff als Kühlmittel bekannt. Dieser dient u. a. der Klimatisierung von Kühlräumen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie bereitzustellen, die eine effektive und zeitnahe Regelung der Temperatur des Speichers für elektrische Energie gewährleistet.
Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie sowie durch ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass die Vorrichtung zur Temperaturregelung des Speichers für elektrische Energie mit einem Kühlmittelspeicher in Verbindung steht, der ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas enthält. Dabei macht sich die Vorrichtung die Tatsache zu Nutze, dass der Einsatz tiefkalter verflüssigter Gase zu einer raschen und wirkungsvollen Abkühlung des Speichers für elektrische Energie im Bedarfsfall führt. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Menge an einzusetzendem, verflüssigtem Gas gut zu berechnen ist und der Energieabgabe des Speichers für elektrische Energie exakt angepasst werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass tiefkalte verflüssigte Gase wie Stickstoff oder Argon gleichzeitig zu einer Verdrängung der den Speicher für elektrische Energie umgebenden Luft führt und somit im Brandfall nicht nur zur Abkühlung des Speichers, sondern auch zu einer Bekämpfung des entsprechenden Brandes geeignet ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist von Vorteil, wenn das tiefkalte verflüssigte Gas gleichzeitig als Kühlmittel für einen im Fahrzeug vorgesehenen Flüssigwasserstoffspeicher vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das Kühlmittel sowohl zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie als auch zur Temperaturregelung des Flüssig-Wasserstoffspeichers eingesetzt werden. Es kommt bei der Nutzung also zu einem synergistischen Effekt.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn in den Speicher für elektrische Energie Kühlrippen oder Kühlmittelleitungen integriert sind, die einen möglichst effektiven Wärmeaustausch zwischen dem tiefkalten, verflüssigten Gas als Kühlmittel und den wärmeabgebenden Komponenten des Speichers für elektrische Energie gewährleisten. Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn die Kühlmittelleitungen zumindest partiell in Form von parallel geschalteten Bypassleitungen ausgeführt sind. Somit können selektiv bestimmte Kompartimente des Speichers für elektrische Energie gezielt gekühlt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Temperaturregelung eine Steuereinheit, in der ein Kennfeld hinterlegt ist, das als Kenngrößen zumindest die Art des verflüssigten, als Kühlmittel zur Verfügung stehenden Gases und die Abwärmeleistung des Speichers für elektrische Energie umfasst. Auf diese Weise kann effektiv die dem Speicher für elektrische Energie zuzuführende Kühlmittelmenge berechnet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, das einen Speicher für elektrische Energie sowie eine Vorrichtung zur Temperaturregelung desselben umfasst und
2 die schematische Darstellung eines Speichers für elektrische Energie und dessen Anschluss an eine Vorrichtung zur Temperaturregelung desselben.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, das einen Speicher für elektrische Energie 12 umfasst. Dieser kann beispielsweise als Batterie, Akkumulator oder als Brennstoffzellensystem ausgeführt sein. Der Speicher für elektrische Energie 12 steht in Kontakt mit einer Vorrichtung 14 zur Temperaturregelung desselben. Diese umfasst beispielsweise ein Temperaturerfassungsmittel 16, eine Steuereinheit 18 sowie einen Kühlmittelspeicher 20. Dabei berechnet die Steuereinheit 18 auf der Basis einer mittels des Temperaturerfassungsmittels 16 erfassten Temperatur des Speichers für elektrische Energie 12 die Menge an dem Speicher für elektrische Energie 12 zuzuführendem Kühlmittel und initialisiert über Schaltung eines Ventils 22 einen Kühlmittelzufluss vom Kühlmittelspeicher 20 zum Speicher für elektrische Energie 12. Die Berechnung der Kühlmittelmenge erfolgt innerhalb der Steuereinheit 18 mittels eines Kennfelds, bei dem die Wärmeabgabe des Speichers für elektrische Energie 12 mit der Art des verwendeten Kühlmittels korreliert ist.
Als Kühlmittel werden insbesondere tiefkalte, verflüssigte Gase eingesetzt. Diese bieten den Vorteil, dass sie bei Einsatz als Kühlmittel einen Phasenwechsel durchlaufen und die dazu nötige Verdampfungsenthalpie für Kühlzwecke zur Verfügung steht. Weiterhin weisen diese aufgrund ihrer tiefen Temperatur zusätzlich eine hohe Wärmekapazität pro Volumeneinheit auf.
Darüber hinaus wirken tiefkalte, verflüssigte Gase wie Argon, Kohlendioxid oder Stickstoff in flammhemmender Weise und dienen somit der Vorbeugung eines gegebenenfalls auftretenden Brandes des Speichers für elektrische Energie 12.
Weiterhin kann das Fahrzeug 10 zusätzlich einen nicht dargestellten Flüssigwasserstoffspeicher aufweisen, wobei der gespeicherte Wasserstoff der Antriebseinheit des Fahrzeugs 10 bzw. einer im Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzelle als Brenn- bzw. Kraftstoff zur Verfügung steht. Eine ökonomische Wasserstoffspeicherung innerhalb eines Kraftfahrzeugs setzt eine effektive Kühlung des gespeicherten Wasserstoffs voraus. Im vorliegenden Fall kann das als Kühlmittel eingesetzte tiefkalte, verflüssigte Gas sowohl zur Kühlung des Speichers für elektrische Energie 12 als auch zur Kühlung eines Flüssigwasserstofftanks herangezogen werden. Eine Befüllung bzw. Wiederbefüllung des Kühlmitteltanks 20 mit dem tiefkalten, verflüssigten Gas erfolgt dabei vorzugsweise synchron zu einer Betankung des Kraftfahrzeugs 10 mit Flüssigwasserstoff. Eine entsprechende Tankstelleninfrastruktur ist dabei einfach zu bewerkstelligen. Die Verwendung tiefkalter verflüssigter Gase als Kühlmittel ist insbesondere bei Verwendung eines Lithium-Ionen-Akkumulators als Speicher für elektrische Energie von Vorteil, da dieser besonders anfällig für einen sogenannten „thermal runaway” ist. Zwar zeigen Gase üblicherweise eine relativ geringe Wärmekapazität bzw. -leitfähigkeit, dies kann jedoch über einen effektiven Austausch von Energie zwischen dem Speicher für elektrische Energie 12 und dem kühlmittelführenden System kompensiert werden. Als Kühlmittelspeicher 20 kann auch direkt der Kühlmantel eines Flüssigwasserstofftanks, Wasserstoffdrucktanks oder Flüssigwasserstoffabsorptionsspeichers herangezogen werden.
Wird beispielsweise als tiefkaltes verflüssigtes Gas Stickstoff eingesetzt, so kann durch Einsatz von 10 Kilogramm Flüssigstickstoff eine Batterie mit einer Masse von 400 kg insgesamt um fast 30 K abgekühlt werden. Weiterhin kann ein Speicher für elektrische Energie 12 mit einer Abwärmeleistung von 20 kW auf einer Temperatur von 60°C stabilisiert werden, wenn ein Massenstrom an Flüssigstickstoff von ca. 0,073 kg/s gewährleistet ist. Bedingt durch die effektive Kühlwirkung des Flüssigstickstoffs wäre es somit sogar denkbar, eine maximale Leistung des Speichers für elektrische Energie selbst dann zur Verfügung zu haben, wenn dessen maximale Betriebstemperatur bereits erreicht ist.
Wird alternativ als tiefkaltes verflüssigtes Gas Kohlendioxid eingesetzt, so kann durch Einsatz von 10 Kilogramm flüssiges Kohlendioxids eine Batterie mit einer Masse von 400 kg insgesamt um fast 30 K abgekühlt werden. Dabei ist allerdings aufgrund der höheren Dichte des flüssigen Kohlendioxids ein im Vergleich zu Flüssigstickstoff geringeres Speichervolumen von 8,5 l für 10 kg CO₂ ausreichend, wohingegen das Speichervolumen für 10 kg Flüssigstickstoff 12,4 l beträgt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, anstatt eines separaten Temperaturerfassungsmittels 16 und einer Steuereinheit 18 das Dosierventil 22 als Thermostatventil auszuführen, so dass dieses bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes direkt geöffnet wird. Dazu kann das Thermostatventil beispielsweise mit einem Bimetallstreifen versehen sein.
In 2 ist schematisch der Aufbau eines Speichers für elektrische Energie 12 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
Der Speicher für elektrische Energie 12 umfasst eine Zufuhr 32 für ein Kühlmittel, in die beispielsweise das Dosierventil 22 integriert ist. Innerhalb des Speichers für elektrische Energie 12 ist die Kühlmittelleitung in Form mehrerer Bypässe 34a, 34b, 34c, 34d aufgefächert ausgeführt. Dabei können die Bypässe 34a bis 34d zusätzlich Dosierventile 36a, 36b, 36c, 36d enthalten, so dass verschiedene Kompartimente des Speichers für elektrische Energie 12 einzeln mit Kühlmittel in unterschiedlichen Massenströmen beaufschlagt werden können. Weiterhin weist der Speicher für elektrische Energie 12 eine vorzugsweise gemeinsame Ableitung 38 für das Kühlmittel auf.
Alternativ ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturregelung auch bei stationären Systemen denkbar, die einen Speicher für elektrische Energie aufweisen. Dabei kann es sich um stationär betriebene Akkumulatoren sowie um stationär betriebene Brennstoffzellensysteme handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5458188 A [0005]

Claims

Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Speichers für elektrische Energie, mit einem Kühlmittelspeicher, einer Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung der Temperatur des Speichers für elektrische Energie sowie einer Dosiervorrichtung für das Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelspeicher (20) ein Speicher für ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dass das tiefkalte, verflüssigte Gas Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dass weiterhin ein mittels des tiefkalten, verflüssigten Gases gekühlter Speicher für Flüssigwasserstoff vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher für elektrische Energie (12) eine Batterie, ein Akkumulator oder ein Brennstoffzellensystem ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Speicher (12) für elektrische Energie Kühlmittelleitungen (32, 36a, 36b, 36c, 36d, 38) integriert sind, die mit der Dosiervorrichtung (22, 34a, 34b, 34c, 34d)) für das Kühlmittel in Kontakt stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Speicher für elektrische Energie (12) integrierten Kühlmittelleitungen (32, 36a, 36b, 36c, 36d, 38) zumindest partiell als parallel geschaltete Bypassleitungen ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher für elektrische Energie (12) einen auf einer Gehäuseinnenseite des Speichers lokalisierten Hohlraum aufweist, der mit der Dosiervorrichtung (22) für das Kühlmittel in Kontakt steht.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eines Speichers für elektrische Energie (12) bestimmt wird, und dass bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur dem Speicher für elektrische Energie (12) ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Speicher für elektrische Energie (12) zugeführte Menge an tiefkaltem, verflüssigtem Gas mittels einer Steuereinheit (18) anhand eines Kennfeldes durchgeführt wird, das als Kenngrößen zumindest die Art des verflüssigten Gases und die Abwärmeleistung des Speichers für elektrische Energie (12) enthält.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr an tiefkaltem, verflüssigtem Gas zu dem Speicher für elektrische Energie (12) mittels eines Thermostatventils erfolgt, das eine Zufuhröffnung für das tiefkalte, verflüssigte Gas freigibt, sobald eine vorbestimmte Temperatur überschritten wird.
Fahrzeug, enthaltend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Verfahrens nach einem Ansprüche 8 bis 10 zur Temperaturregelung von Lithiumionenakkumulatoren.