DE102009013651A1 - Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung - Google Patents

Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung Download PDF

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Abstract

Die Erfindugn betrifft ein Kühlsystem (1) für einen Energiespeicher (2) aus Batteriezellen (3) und ein Verfahren zur Dimensionierung einer passiven Kühlung oder zur Steuerung einer aktiven Kühlung. Das Kühlsystem (1) weist einen Kühlmittelzufluss (4), einen Kühlmittelabfluss (5) und einen Kühlmittelverteiler (6) auf. Der Kühlmittelverteiler (6) hat Durchflussbegrenzungsglieder (7), die den Kühlmittelfluss derart verteilen, dass mehrere Bereiche von Batteriezellen (7) innerhalb eines Batteriegehäuses eine unterschiedliche Kühlung aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und ein Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung. Das Kühlsystem weist einen Kühlmittelzufluss, einen Kühlmittelabfluss und einen Kühlmittelverteiler auf. Der Kühlmittelverteiler hat Durchflussbegrenzungsglieder, die den Kühlmittelfluss verteilen.
  • Derartige Kühlsysteme und Energiespeicher werden für zweite Bordnetze von Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei das zweite Bordnetz gegenüber dem ersten Bordnetz mit einer höheren Spannung arbeitet. Ein derartiges zweites Bordnetz wird vorzugsweise für Fahrzeuge eingesetzt, die einen Hybridantrieb oder einen Elektroantrieb aufweisen. Mit einem Hybridantrieb wird die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb eines Fahrzeugs bezeichnet.
  • Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb werden auch Hybridfahrzeuge genannt und weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine auf, wobei die elektrische Maschine mit dem zweiten Bordnetz höherer Spannung zusammenwirkt. Dabei ist die elektrische Maschine in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemeinsam, dass große Mengen elekt rischer Energie bereitgestellt, gespeichert und transferiert werden müssen.
  • Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, auch Hybrid-Controller genannt. Dieser Controller entscheidet unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll. Die Energieentnahme aus einer Brennstoffzelle oder einem Energiespeicher dient zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Energiespeichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie. Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
  • Als Energielieferanten und Energiespeicher für Fahrzeuganwendungen lassen sich Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metall-Hydrid- oder Lithium-Innenzellen als Batteriezellen nutzen. Derartige Zellen sind in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführungsform bei Lithium-Innenzellen besteht in Form eines Softpacks. Dieser Softpack besteht aus der Batteriezelle, welche von einer Folie umgeben ist. Eine wichtige Anforderung an einen Energiespeicher ist, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte Leistung bereitzustellen. Bei derartigen Optimierungsüberlegungen gehen Material- und Kostenaspekte ein. Dabei wirken sowohl sehr hohe Spannungen als auch sehr hohe Ströme kontraproduktiv bei der Systemauslegung.
  • Typische Spannungsbereiche für den Betrieb des Bordnetzes bei optimaler Systemauslegung liegen zwischen 100 und 800 V (Volt) Maximalspannung, wobei die resultierenden Ströme im Impulsbetrieb auf bis zu 400 A (Ampere) bei Extremanwendungen ansteigen können. Bei höherer Betriebstemperatur sind sogar Ströme bis 450 A erreichbar. Kontinuierliche Ströme liegen jedoch im Bereich von 80 bis 100 A, können aber gegebenenfalls anwendungsspezifisch auch noch gesteigert werden. Eine Herabsetzung dieser Ströme auf Kosten höherer Spannung ist, wie bereits erwähnt, aus konstruktiven Gründen und kostenbedingten Gründen mit deutlich mehr Aufwand verbunden als eine Systemauslegung basierend auf den obigen Strömen.
  • Die Kosten für solche Hochleistungsbatteriezellen mit typischerweise größer 4 Ah liegen konstruktionsbedingt deutlich höher als die von einfachen Consumer-Batteriezellen mit zudem in der Regel sogar geringerer Kapazität. Darüber hinaus werden in der Automobilindustrie Lebensdaueranforderungen von mehr als 10 Jahren gefordert, so dass für derart leistungsstarke Energiespeicher ein effektives Kühlkonzept zu entwickeln ist.
  • Je nach Anwendung des Energiespeichers für Hybridfahrzeuge, Plug-in Hybride oder als Elektrofahrzeug werden Spitzenleistungen von 10 kW (Kilowatt) bis 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 in einem Fahrzeug für Energiespeicher in der Regel äußerst begrenzt sind. Besonders gefährlich ist es, wenn es trotz Kühlmittelfluss zu unterschiedlichen Erwärmungen einzelner Zellensegmente kommen könnte. Auch kann eine unterschiedliche Zellalterung zu unterschiedlichen Verlustwärmen in einzelnen Batteriesegmenten oder Batteriemodulen führen.
  • Um ein Batteriesystem effektiv zu kühlen, ist aus der Druckschrift DE 10 2006 059 989 A1 eine Anordnung zur Kühlung ei ner aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie sowie Verfahren zur Herstellung der Anordnung bekannt. Dabei sind die Batterien der Einzelzellen zu einer Gesamtbatterie zusammenmontiert, wobei die Einzelzellen von zylindrischer Bauart sind. Diese zylindrische Bauart ermöglicht beim Stapeln der Zellen bei dichtester Packung die Unterbringung von trigonalsymmetrischen Kühlelementen zwischen den Zellen, wobei diese Kühlelemente aus thermisch leitfähigem Material aufgebaut sind und mit einem aktiv gekühlten Kühlkörper, beispielsweise als Grundplatte der Batterie, die Wärme zwischen den einzelnen zylindrischen Zellen zu der aktiv gekühlten Grundplatte ableiten können. Eine derartige Lösung ist jedoch nicht auf die oben erwähnten Batteriezellen in Form eines Softpacks übertragbar. Derartige prismatische Batteriezellen bilden keine Zwickel wie zylindrische Zellen und können somit auch keine derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Kühlelemente aufnehmen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und ein Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung zu schaffen, wobei das Kühlsystem für prismatische Lithiumzellen einsetzbar sein soll und die extremen Anforderungen an die Temperaturverteilung innerhalb eines Energiespeichers erfüllen soll. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zur Steuerung einer derartigen aktiven Kühlung anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und ein Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung geschaffen. Das Kühlsystem weist einen Kühlmit telzufluss, einen Kühlmittelabfluss und einen Kühlmittelverteiler auf. Der Kühlmittelverteiler hat Durchflussbegrenzungsglieder, die den Kühlmittelfluss derart verteilen, dass mehrere Bereiche von Batteriezellen innerhalb eines Batteriegehäuses unterschiedlich gekühlt werden können.
  • Mit diesem Kühlsystem wird in vorteilhafter Weise die Lebensdauer des Energiespeichers deutlich verlängert und eine einheitliche Temperatur der Batteriezellen des Energiespeichers erreicht, bei dem ein geringer Temperaturgradient für jede Zelle und im Falle der Verschaltung der Zellen zu Segmenten oder zu Modulen auch ein geringer Temperaturgradient in Bezug auf die Segmente und Module realisiert werden kann. Dabei ist die Temperaturdifferenz ΔT der Batteriezellen des Energiespeichers unter 5 K, d. h. ΔT < 5 K und vorzugsweise ΔT < 3 K realisierbar. Das Kühlmedium kann für das erfindungsgemäße Kühlsystem gasförmig oder flüssig sein.
  • Die Batteriezellen können dazu seriell und/oder parallel zu Batteriemodulen geschaltet sein, wobei eine Batterie mindestens ein Batteriemodul in einem Batteriegehäuse aufweist. Die kleinste Einheit der Batterie kann eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen aufweisen, die zu einem vorgefertigten Batteriesegment parallel geschaltet sind. Mehrere Batteriesegmente können dann in Serie zu einem Batteriemodul zusammengeschlossen sein. Dabei ist es möglich, innerhalb eines Batteriegehäuses innenliegende Batteriezellen intensiver zu kühlen als in dem Batteriegehäuse angeordnete außenliegende Batteriezellen.
  • In einem offenen aktiven Kühlsystem kann das Kühlmedium ein Luftstrom mit unterschiedlich einstellbarer Strömungsgeschwindigkeit sein, der an den Batteriezellen vorbei geführt werden kann. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass das Kühlmedium in besonderen Kühlelementen geführt werden muss. Das Gleiche gilt auch für ein offenes aktiv kühlendes Kühlsystem mit einem flüssigen Kühlmedium vorzugsweise aus einem Ölstrom, insbesondere einem Ölstrom aus spannungsfestem Transformatorenöl, bei dem ebenfalls die unterschiedliche Kühlung durch einstellbare Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden kann.
  • Die Spannungsfestigkeit des Transformatorenöls ist jedoch begrenzt, so dass das Transformatorenöl nicht für Hochspannungszwecke eingesetzt werden kann. Jedoch kann mit Hilfe eines geschlossenen Kühlsystems das Kühlmedium als Flüssigkeit in Kühlkörpern geführt werden und zwischen den Batteriezellen mit einstellbarem unterschiedlichen Durchfluss durch die Kühlkörper strömen. Dieses Konzept wird bevorzugt, da das durch den Kühlvorgang erhitzte Kühlmedium für Energierückgewinnungszwecke, wie z. B. in entsprechenden Wärmetauscheranordnungen, nutzbringend zurück gewonnen werden kann. Außerdem können als Kühlmittel Gase und Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser, Alkohole, Öle, Kohlendioxid oder Luft eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Batteriezellen parallel zu Batteriesegmenten geschaltet und die Batteriesegmente in Serie zu einem Batteriemodul zusammengeschlossen, wobei zwischen den Batteriezellen und/oder zwischen den Batteriesegmenten und/oder zwischen den Batteriemodulen unterschiedlich geformte und unterschiedlich gekühlte Kühlkörper angeordnet sind. Diese Kühlkörper können als Kühlfinnen ausgebildet sein und mit einer aktiv gekühlten Grundplatte zusammenwirken oder als kühlmediendurchströmte Kühlelemente ausgebildet sein.
  • Das Kühlsystem kann auch Kühlmittelkreise aufweisen, die vorzugsweise innerhalb eines Batteriegehäuses innenliegende Batteriezellen intensiver kühlen als in dem Batteriegehäuse angeordnete außenliegende Batteriezellen.
  • Anstelle der von einem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlkörper können auch lediglich thermisch leitende Kühlfinnen zwischen den Batteriezellen und/oder den Batteriesegmenten und/oder den Batteriemodulen in dem Energiespeicher angeordnet werden, wobei diese Kühlfinnen mit gemeinsamen Kühlmittelleitungen oder Kühlmittelplatten oder Kühlmittelkörpern stoffschlüssig verbunden sind, so dass die Wärme über die Kühlmittelleitungen bzw. Kühlmittelplatten oder Kühlmittelkörper abgeführt werden kann. Diese Kühlfinnen sind deutlich dünner darstellbar als die Tiefe von einem Kühlmedium durchströmter Kühlkörper. Die Temperaturregelung derartiger thermisch leitender Kühlfinnen ist jedoch schwieriger zu handhaben.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Kühlmittelzufluss und der Kühlmittelabfluss im Gehäuseboden des Energiespeichers als ”common rail” angeordnet, wobei als ”common rail” zwischen einer Kühlmittelzuleitung und einer Kühlmittelableitung mehrere Kühlmittelzweige angeordnet sind und in den Kühlmittelzweigen Durchflussbegrenzungsglieder zur unterschiedlichen Einstellung des Kühlmittelflusses in den Kühlmittelzweigen vorhanden sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass zentral in den gemeinsamen Kühlmittelleitungen das Kühlmedium zugeführt werden kann und genauso zentral das nach der Kühlung erwärmte Kühlmedium wieder abgeführt werden kann. Mit jedem einzeln über ein Durchflussbegrenzungsglied geregelten Kühlmittelzweig kann entweder eine Kühlfinne oder ein aktiv durchströmter plattenförmiger Kühlkörper verbunden sein.
  • Die Kühlmittelzweige dieses Kühlsystems können als Durchflussbegrenzungsglieder unterschiedliche Rohrquerschnitte oder unterschiedliche Lochblenden oder unterschiedliche Drosseln mit unterschiedlich verengtem Querschnitt oder unterschiedlich einstellbare Durchflussventile aufweisen.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Kühlmittelzufluss im Gehäuseboden des Energiespeichers anzuordnen und den Kühlmittelabfluss in einer Wand des Gehäuses unterzubringen. Das hat den Vorteil, dass der Kühlmittelabfluss auf einem höheren Niveau aus dem Batteriegehäuse austritt und damit ein Auftrieb in Abflussrichtung erzeugt wird, wobei zwischen Kühlmittelzufluss und Kühlmittelabfluss plattenförmige, kühlmittelführende Kühlkörper zwischen den zu kühlenden Batteriezellen und/oder Batteriesegmenten angeordnet sind. Dabei kann der Auftrieb, den das Kühlmittel beim Durchströmen von plattenförmigen kühlmittelführenden Kühlkörpern erfährt, als Förderantrieb für den Kühlmitteldurchfluss genutzt werden.
  • Ein Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung weist folgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird die Temperaturverteilung eines Energiespeichers in vertikaler und horizontaler Richtung ohne aktive Kühlung und unter Ermitteln von thermisch gefährdeten Bereichen beispielsweise an einem Muster des Energiespeichers erfasst. Danach kann ein Kühlprogramm zur aktiven Kühlung der thermisch gefährdeten Bereiche erstellt werden, wobei aktive Kühlung mit Hilfe eines Steuergeräts durchführbar ist. Schließlich wird der Durchfluss von Kühlmedium durch ein Kühlsystem mit einer Mehrzahl von Kühlmittelzweigen oder Kühlkreisen derart geregelt, dass thermisch gefährdete Bereiche intensiver gekühlt werden als die übrigen Bereiche des Energiespeichers.
  • Mit Hilfe eines derartigen Verfahrens ist es möglich, die Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Zellsegmenten oder Batteriezellen auf unter 3 K, wie es Vergleichsversuche gezeigt haben, zu vermindern. Vorzugsweise wird die Wärmeentwicklung an mindestens zwei Batteriezellen des Energiespeichers erfasst und der zugehörige Kühlmedienstrom zur Nivellierung der Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen auf ein ΔT kleiner 3 K geregelt. Die Wärmeentwicklung bzw. die Temperatur der Segmente kann mit Hilfe von Thermoelementen gemessen werden und entsprechend dem Steuergerät zugeführt werden, welches wiederum entsprechende Durchflussbegrenzungsglieder des Kühlmittelverteilers für die aktive Kühlung von Batteriezellen und/oder Batteriesegmenten und/oder Batteriemodulen des Energiespeichers aktiviert. Dazu steht das Steuergerät über Steuerleitungen mit vorzugsweise einstellbaren Durchflussbegrenzungsgliedern des Kühlmittelverteilers mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch in Verbindung und regelt die Einstellungen der Durchflussbegrenzungsglieder entsprechend.
  • Für den Einsatz voreingestellter und nicht verstellbarer Durchflussbegrenzungsglieder wie Rohrverengungen, Drosseln oder Lochblenden wird vorzugsweise der Kühlungsbedarf eines Energiespeichers aus Batteriezellen durch Simulation, Berechnung und/oder Modelluntersuchungen definiert und ein ”common rail Kühlsystem” entsprechend ausgelegt.
  • Mit derartigen aktiven Kühlungen wird eine kompakte, einfache und zuverlässige sowie kostengünstige Bauweise aufgrund des hohen Modularitätsgrades ermöglicht. Eine äußerst effektive Kühlung, die aktiv gesteuert ist und sowohl mit Luft- als auch mit Flüssigkeitskühlung erreicht werden kann, ergibt eine hohe Modifikationsbreite des erfindungsgemäßen Kühlungssystems. Durch eine derart optimale aktive Kühlung eines E nergiespeichers lassen sich somit besonders hohe Lebensdauerwerte erzielen.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit direkter Kühlung;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit indirekter Kühlung über Kühlfinnen;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 3 entlang der Schnittlinie A-A.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Kühlvorrichtung 1 für einen Energiespeicher 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit direkter Kühlung. Der Energiespeicher 2 ist aus prismatischen Batteriezellen 3 aufgebaut, wobei in dieser Ausführungsform der Erfindung einzelne oder mehrere beispielsweise acht Lithiumionen-Batteriezellen 3 ein Segment 13 bilden können und die Batteriezellen 3 in den Segmenten 13 jeweils parallel geschaltet sein können und einen gemeinsamen positiven Polanschluss 22 aufweisen sowie einen gemeinsamen negativen Polanschluss 23 für jedes Segment 13 besitzen können. Die Segmente 13 ihrerseits sind seriell über die Polanschlüsse 22 und 23 verbunden, wobei jeweils ein positiver Polanschluss 22 mit einem negativen Polanschluss 23 des benachbarten Segmentes über eine stoffschlüssige oder klemmende Verbindung 29 elektrisch miteinander verbunden sind. Zwischen den Batteriesegmenten 13 sind Kühlkörper 10 angeordnet, durch die ein Kühlmittelfluss 8 in Pfeilrichtung strömt. Dabei liegen die Batteriezellen 3 bzw. die Batteriesegmente 13 mit ihren Randzellen an den Kühlkörpern 10 zur thermischen Kontaktierung an und weisen keinen Abstand auf, der in 1 nur zur Verbesserung der Darstellung gezeichnet ist. Alternativ kann der thermische Kontakt zwischen den Batteriezellen 3 bzw. den Batteriesegmenten 13 und dem Kühlkörper 10 auch durch thermisch leitfähige Folien, Kleber oder Pasten vermittelt werden.
  • Das Kühlmittel wird über eine gemeinsame Kühlmittelschiene in Form einer Kühlmittelzuleitung 11 zugeführt, wobei der Kühlmittelfluss 8 in jedem Kühlkörper 10 durch ein Durchflussbegrenzungsglied 7 geregelt werden kann, das über eine Steuerleitung 15 mit einem Steuergerät 14 verbunden ist. In dem Steuergerät 14 sind Regel- und Steuerprogramme abgelegt, die thermisch gefährdete Bereiche des Energiespeichers 2 mit einem erhöhten Kühlmitteldurchfluss 8 versorgen gegenüber anderen benachbarten Bereichen, die weniger thermisch gefährdet sind. Darüber hinaus kann der thermische Zustand der Segmente 13 zusätzlich in den gefährdeten Bereichen mit Hilfe von Thermoelementen überwacht werden und über einen Regelkreis kann die Kühlmittelmenge exakt angepasst werden, so dass eine minimale Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Batteriezellen 3 bzw. den Segmenten 13 in dem gesamten Energiespeicher 2 gewährleistet werden kann.
  • In einem gemeinsamen Kühlmittelabfluss 5, der wieder als gemeinsame Kühlmittelschiene ausgebildet ist, und mit einer Kühlmittelableitung 12 wird das erwärmte Kühlmittel in Pfeilrichtung 8 abgeführt. Diese Wärme kann in einem Wärmetauscher zur Erwärmung beispielsweise des Fahrzeuginnenraums zurückgewonnen werden.
  • Während der Kühlmittelzufluss 4 in dieser Ausführungsform der Erfindung am Boden des Gehäuses des Energiespeichers 2 angeordnet ist, ist der Kühlmittelabfluss 5 oberhalb der Batteriezellensegmente 13 an oder in einer Gehäusewand angeordnet. Dieses wird mit der nachfolgenden 2 erläutert.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A. Die Schnittlinie A-A liegt in einer Schnittebene, die von unten nach oben zunächst das Steuergerät 14 schneidet, das über eine Steuerleitung 15 mit einem Durchflussbegrenzungsglied 7 des Kühlmittelverteilers 6 verbunden ist, der ebenfalls in der Schnittebene liegt. Dazwischen ist, wie 2 zeigt, der Kühlmittelzufluss 4 mit der Kühlmittelzuleitung 11 angeordnet.
  • Wenn das Durchflussbegrenzungsglied 7 mindestens teilweise geöffnet ist, kann der Kühlmittelfluss 8 aus dem Kühlmittelzufluss 4 in den Kühlkörper 10, strömen, der zwischen den in 1 gezeigten Segmenten 13 der Batteriezellen 3 liegt. Von den Segmenten, die an diesen Kühlkörper 10 grenzen, sind lediglich die gemeinsamen positiven Polanschlüsse 22 mit den stoffschlüssigen oder klemmenden Verbindungen 29 und die negativen Polanschlüsse 23 mit den stoffschlüssigen oder klemmenden Verbindungen 29 zu erkennen. Alle weiteren Details der flachen folienartigen Lithiumionen-Batteriezellen werden von dem Kühlkörper 10 abgedeckt, so dass die Kühlung äußerst intensiv ist.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kühlvorrichtung 44 für einen Energiespeicher 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit indirekter Kühlung über Kühlfinnen. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren sind in 3 und 4 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Energiespeicher 2 ist aus prismatischen Batteriezellen 3 aufgebaut, wobei in dieser weiteren Ausführungsform der Erfindung acht Lithiumionen-Batteriezellen 3 ein Segment 13 bilden und die Batteriezellen 3 in den Segmenten 13 jeweils parallel geschaltet sind und einen gemeinsamen positiven Polanschluss 22 aufweisen und einen gemeinsamen negativen Polanschluss 23 für jedes Segment 13 besitzen.
  • Die Segmente 13 ihrerseits sind seriell über die Polanschlüsse 22 und 23 verbunden, wobei jeweils ein positiver Polanschluss 22 mit einem negativen Polanschluss 23 des benachbarten Segmentes über eine stoffschlüssige oder klemmende elektrische Verbindung 29 verbunden ist. Die Kühlfinnen 40 sind jeweils auf einem Kühlmittelzweig 41 angeordnet. Dabei liegen die Batteriezellen 3 bzw. die Batteriesegmente 13 mit ihren Randzellen an den Kühlfinnen 40 zur thermischen Kontaktierung an und weisen keinen Abstand auf, der in 3 nur zur Verbesserung der Darstellung gezeichnet ist, um die Sicht auf die Kühlmittelzweige 41 nicht zu versperren. Alternativ kann der thermische Kontakt zwischen den Batteriezellen 3 bzw. den Batteriesegmenten 13 und dem Kühlkörper 10 auch durch thermisch leitfähige Folien, Kleber oder Pasten vermittelt werden. Die Kühlmittelzweige 41 werden mit einem Kühlmittel über eine Kühlmittelzuleitung 11 versorgt und sind mit einer Kühlmittelableitung 12 verbunden. Mithilfe von Durchflussbegrenzungsgliedern 7 in jedem Kühlmittelzweig 41 kann die Kühlwirkung der Kühlfinnen variiert werden. Sowohl die Kühlmittel Zuleitung, als auch die Kühlmittelableitung sowie die Kühl mittelzweige und Durchflussbegrenzungsglieder sind in einer aktiv kühlenden Bodenplatte des Batteriegehäuses angeordnet und Darüber sind die Batteriesegmente 13 abwechselnd mit Kühlfinnen gestapelt.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 3 entlang der Schnittlinie A-A. Die Schnittlinie A-A liegt in einer Schnittebene, die von unten nach oben zunächst das Steuergerät 14 schneidet, das über eine Steuerleitung 15 mit einem Durchflussbegrenzungsglied 7 des Kühlmittelverteilers 6 verbunden ist, der ebenfalls in der Schnittebene liegt. Dazwischen ist, wie 4 zeigt, der Kühlmittelzufluss 4 mit der Kühlmittelzuleitung 11 angeordnet.
  • Wenn das Durchflussbegrenzungsglied 7 teilweise geöffnet ist, kann der Kühlmittelfluss 8 aus der Kühlmittelzuleitung 11 in den Kühlmittelzweig 41 strömen, der unterhalb der in 3 gezeigten Segmente 13 der Batteriezellen 3 angeordnet ist und eine Kühlfinne 40 aus einem thermisch leitenden Material trägt. Damit kann je nach Einstellung des Durchflussbegrenzungsglieds 7 Wärme über die Kühlfinne 40 und den Kühlmittelzweig 41 und über die Kühlmittelableitung 12 abgeleitet werden. Von den Segmenten 13, die an diese Kühlfinne 40 grenzen, sind lediglich die gemeinsamen positiven Polanschlüsse 22 mit den elektrischen Verbindungen 29 und die negativen Polanschlüsse 23 mit den elektrischen Verbindungen 29 zu erkennen. Alle weiteren Details der flachen folienartigen Lithiumionen-Batteriezellen werden von der Kühlfinne 40, welche die Batteriezellen abstandslos thermisch kontaktiert, abgedeckt.
  • 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
    • - DE 102006059989 A1 [0009]

Claims (22)

  1. Kühlsystem für einen Energiespeicher (2) aus Batteriezellen (3) aufweisend: – einen Kühlmittelzufluss (4); – einen Kühlmittelabfluss (5); – einen Kühlmittelverteiler (6); dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelverteiler (6) Durchflussbegrenzungsglieder (7) aufweist, die den Kühlmittelfluss (8) derart verteilen, dass mehrere Bereiche von Batteriezellen innerhalb eines Batteriegehäuses eine unterschiedliche Kühlung aufweisen.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) seriell und/oder parallel zu Batteriemodulen geschaltet sind, wobei eine Batterie mindestens ein Batteriemodul in einem Batteriegehäuse aufweist.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Einheit der Batterie eine einzelne Batteriezelle (3) oder mehrere Batteriezellen (3) aufweist, die zu einem vorgefertigten Batteriesegment (13) parallel geschaltet sind.
  4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriesegmente (13) in Serie zu einem Batteriemodul zusammengeschlossen sind.
  5. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Batteriezellen (3), Batteriesegmenten (13) oder Batteriemodulen unterschiedlich geformte und unterschiedlich gekühlte Kühlkörper (10) angeordnet sind.
  6. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Batteriegehäuses innenliegende Batteriezellen (3) intensiver gekühlt sind als in dem Batteriegehäuse angeordnete außenliegende Batteriezellen (3).
  7. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem ein offenes Kühlsystem ist und zur aktiven Kühlung ein gasförmiges Kühlmedium mit unterschiedlich einstellbarer Strömungsgeschwindigkeit an den Batteriezellen (3) vorbei strömt.
  8. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem ein offenes Kühlsystem ist und zur aktiven Kühlung ein flüssiges Kühlmedium vorzugsweise ein Ölstrom aus spannungsfestem Transformatorenöl mit unterschiedlich einstellbarer Strömungsgeschwindigkeit an den Batteriezellen (3) vorbei strömt.
  9. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem ein geschlossenes Kühlsystem (1) ist, in dem als aktive Kühlung ein Kühlmedium in Kühlkörpern (10) geführt wird und zwischen den Batteriezellen (3) mit einstellbarem unterschiedlichen Durchfluss durch die Kühlkörper (10) strömt.
  10. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Kühlsystem (1) als Kühlmedium Gase oder Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser, Alkohole, Öle, Kohlendioxid oder Luft aufweist.
  11. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem Kühlmittelkreise aufweist.
  12. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch leitende Kühlfinnen (40) auf aktiv und unterschiedlich gekühlten Kühlmittelzweigen (41) angeordnet sind, wobei die Kühlfinnen (40) zwischen den zu kühlenden Batteriezellen (3) und/oder Batteriesegmenten und/oder Batteriemodulen angeordnet sind.
  13. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzufluss (4) und der Kühlmittelabfluss (5) im Gehäuseboden des Energiespeichers (2) als „common rail” angeordnet sind, wobei als „common rail” zwischen einer Kühlmittelzuleitung (11) und einer Kühlmittelableitung (12) mehrere Kühlmittelzweige (41) angeordnet sind und in den Kühlmittelzweigen (41) Durchflussbegrenzungsglieder (7) zur unterschiedlichen Einstellung des Kühlmittelflusses in den Kühlmittelzweigen (41) vorhanden sind.
  14. Kühlsystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzweige (41) als Durchflussbegrenzungsglieder (7) unterschiedliche Rohrquerschnitte aufweisen.
  15. Kühlsystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzweige (41) als Durchflussbegrenzungsglieder (7) unterschiedliche Lochblenden aufweisen.
  16. Kühlsystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzweige (41) als Durchflussbegrenzungsglieder (7) unterschiedlich Drosseln mit unterschiedlich verengtem Querschnitt aufweisen.
  17. Kühlsystem nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzweige (41) als Durchflussbegrenzungsglieder (7) unterschiedlich einstellbare Durchflussventile aufweisen.
  18. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzufluss (4) im Gehäuseboden des Energiespeichers (2) und der Kühlmittelabfluss (5) in einer Wand des Gehäuses angeordnet sind, wobei zwischen Kühlmittelzufluss (4) und Kühlmittelabfluss (5) plattenförmige, kühlmittelführende Kühlkörper (10) zwischen den zu kühlenden Batteriezellen (3) und/oder den Batteriesegmenten (13) und/oder den Batteriemodulen angeordnet sind und der Kühlmittelzu- und der Kühlmittelabfluss (4, 5) über ein Rohrsystem erfolgt.
  19. Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Erfassen der Temperaturverteilung eines Energiespeichers (2) in vertikaler und horizontaler Richtung ohne aktive Kühlung und Ermitteln von thermisch gefährdeten Bereichen; – Erstellen eines Kühlprogramms zur aktiven Kühlung der thermisch gefährdeten Bereiche mit Hilfe eines Steuergeräts; – Regeln des Durchflusses von Kühlmedium durch ein Kühlsystem mit einer Mehrzahl von Kühlmittelzweigen zwischen einer Kühlmittelzuleitung (11) und einer Kühlmittelabflussleitung derart, dass thermisch gefährdete Bereiche intensiver gekühlt werden als die übrigen Bereiche des Energiespeichers (2).
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeentwicklung an mindestens einer Batteriezelle des Energiespeichers (2) erfasst und der zugehörige Kühlmedienstrom zur Nivellierung der Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen (13) auf ein ΔT kleiner 5 K vorzugsweise kleiner 3 K geregelt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) über Steuerleitungen (15) mit Durchflussbegrenzungsgliedern (7) eines Kühlmittelverteilers (6) mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch vorzugsweise elektrisch in Verbindung steht und die Einstellungen der Durchflussbegrenzungsglieder (7) regelt.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungsbedarf eines Energiespeichers (2) aus Batteriezellen (3) durch Simulation, Berechnung und/oder Modelluntersuchungen definiert und ein ”common rail Kühlsystem” entsprechend ausgelegt wird.
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