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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Kühlsystem kann auch Kühlmittelkreise aufweisen,
die vorzugsweise innerhalb eines Batteriegehäuses innenliegende
Batteriezellen intensiver kühlen als in dem Batteriegehäuse
angeordnete außenliegende Batteriezellen.
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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.
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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.
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Die
Kühlmittelzweige dieses Kühlsystems können
als Durchflussbegrenzungsglieder unterschiedliche Rohrquerschnitte
oder unterschiedliche Lochblenden oder unterschiedliche Drosseln
mit unterschiedlich verengtem Querschnitt oder unterschiedlich einstellbare
Durchflussventile aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Kühlvorrichtung für
einen Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung mit direkter Kühlung;
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung
gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Kühlvorrichtung für
einen Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung mit indirekter Kühlung über Kühlfinnen;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung
gemäß 3 entlang der Schnittlinie A-A.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006059989
A1 [0009]