DE102009045007A1

DE102009045007A1 - Batteriesystem zur Verwendung mit einer externen aktiven Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102009045007A1
Application number: DE102009045007A
Authority: DE
Inventors: Michael Gless
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch Battery Systems GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011035991A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, umfassend i) eine oder mehrere Batteriezellen; ii) ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind; iii) eine Kühlplatte, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist; und iv) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an die Kühlplatte übertragbar ist.

Description

Stand der Technik
Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während der Leistungsabgabe entsteht im Wesentlichen Joulsche Wärmeenergie, die durch den elektrischen Strom und den Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Um ein Aufheizen der Zelle über einen kritischen Temperaturschwellenwert hinaus zu vermeiden, muss diese Wärmeenergie effektiv abgeführt werden. Darüber hinaus muss die Temperaturverteilung über die Batteriezelle möglichst homogen sein, d. h. die Temperaturunterschiede sollten nicht mehr als 4 Kelvin betragen.
Eine Möglichkeit zur homogenen Temperaturregulation ist die Abfuhr von Wärmeenergie mittels einer aktiven im Batteriegehäuse angeordneten Kühleinrichtung, die direkt eine oder mehrere Batteriezellmanteloberflächen kühlt, z. B. einer Flüssigkeitskühleinrichtung. Ein Problem solcher Anordnungen ist, dass es zu Kondenswasserbildung an den gekühlten Oberflächen innerhalb des Batteriegehäuses kommen kann. Das Kondenswasser stellt aufgrund der elektrochemischen Korrosionsgefahr an den spannungsführenden Metallteilen und der ggf. vorhandenen Elektronik eine große Gefahr für die Lebensdauer und/oder Funktion des Batteriesystems dar.
In DE 10 2007 011 026 A1 ist eine mögliche Lösung des Problems offenbart. Diese Losung umfasst die Installation einer Kühlfalle zum Kondensieren und Abführen von Feuchtigkeit aus dem Gehäuse. Die Verwendung einer Kühlfalle verursacht allerdings zusätzliche Kosten, schränkt den Spielraum bei der Dimensionierung des Batteriegehäuses ein und kann eine Kondenswasserbildung im Gehäuseinneren nicht völlig ausschließen sondern lediglich das Ausmass an Kondenswasserbildung im Gehäuseinneren vermindern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Batteriesystem zur Verfügung, umfassend:

i) eine oder mehrere Batteriezellen;
ii) ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind; und
iii) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte übertragbar ist.

Die ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte kann Bestandteil des erfindungsgemäßen Batteriesystems sein. Grundsätzlich umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem auch solche Batteriesysteme, die nicht selbst eine Kühlplatte umfassen, sondern Wärmeenergie aus dem Gehäuseinneren an eine separate, bereits beim Verbraucher oder in der Umgebung vorhandenene Kühlplatte oder Kühleinrichtung übertragen können.
Die in den Zellen produzierte Wärmeenergie wird zunächst konduktiv über passive Wärmeleitmittel, wie beispielsweise Kühlbleche die mit einer oder mehreren Mantelflächen der Zellen kontaktiert sind, an eine Kühlplatte ausserhalb des Gehäuses geführt. Von dort kann die Wärmeenergie von einer externen, aktiven Kühleinrichtung aufgenommen und abgeführt werden. Dazu können konventionelle aktive Kühleinrichtungen verwendet werden, wie z. B. Flüssigkeitskühleinrichtungen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem erlaubt eine effiziente Temperaturregulation der Zellen des Batteriesystems, während die Bildung von Kondenswasser im Gehäuseinneren vermieden wird. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriesystems besteht darin, dass die elektrischen Bestandteile des Batteriesystems räumlich getrennt vorliegen von den Bauteilen, die zur aktiven Kühlung eingesetzt werden, wie z. B. Bauteilen die flüssiges Kühlmittel führen, so dass das Kühlmittel nicht in den Gehäuseinnenraum gelangt.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen. Unter dem Begriff „Batteriesystem” werden hier elektrochemische Energiespeicher verstanden, insbesondere Batterien oder Akkumulatoren aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien. Es können Batterien oder Akkumulatoren vom Typ Pb – Bleiakku, NiCd – Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku, LiPo – Lithium-Polymer-Akku, LiFe – Lithium-Metall-Akku, Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku, LiFePO₄ – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi – Lithium-Titanat-Akku, RAM – Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe – Nickel-Eisen-Akku, Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB – Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku verwendet werden. Insbesondere können Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-, Blei/Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Natrium/Natriumnickelchlorid-Batterie eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Der Begriff „Batteriesystem” wird dabei sowohl für einzelne Zellen, als auch für Module aus mehreren Zellen, als auch für komplexere Architekturen umfassend mehrere Zellen und/oder Module verwendet. Bevorzugt bezeichnet der Begriff „Batteriesystem” Energiespeicher mit mehr als einer Zelle.
Das Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann ein Batteriesystem ein einziges oder mehrere einzelne Gehäuse umfassen, die jeweils eine oder mehrere Batteriezellen umfassen. Bevorzugt weist das Batteriesystem ein gemeinsames Gehäuse auf, in dem alle Zellen oder Module des Batteriesystems angeordnet sind, wobei die Kühlplatte ausserhalb dieses gemeinsamen Gehäuses positioniert ist. Unter dem Begriff „Gehäuse” ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die einen Innenraum aufweist, der geeignet ist eine oder mehrere Batteriezellen aufzunehmen. Ein Gehäuse kann dabei in einer oder zwei Richtungen dauerhaft oder vorübergehend gegenüber der Umwelt offen sein. Bevorzugt grenzt das Gehäuse die enthaltenen Batteriezellen gegenüber der Umgebung nach allen Richtungen hin vollständig ab, wobei das Gehäuse verschließbare Zugänge, wie z. B. Türen oder Deckel aufweisen kann. Unter einem Gehäuse kann nicht der unmittelbare Zellmantel verstanden werden, der die elektrochemischen Bestandteile einer einzelnen Zelle von der Umwelt trennt. Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches ein Metall, ein Metallblech oder eine Keramik umfasst oder daraus besteht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches Aluminium aufweist oder daraus besteht.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens eine Kühlplatte auf, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Batteriesystem kann mehrere ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatten aufweisen. Eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems können aussen an einer Oberfläche des Gehäuses angebracht sein oder teilweise oder ganz separiert von der Gehäuseoberfläche vorliegen. Wesentlich ist, dass mindestens eine Oberfläche der Kühlplatte vom Gehäuseinneren getrennt vorliegt, von ausserhalb des Gehäuses zum Abführen von Wärmeenergie zugänglich ist und dass die Kühlplatte derart wärmeleitend über passive Wärmemittel mit den im Gehäuseinneren angeordneten Batteriezellen verbunden ist, dass Wärmeenegie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an die Kühlplatte übertragbar ist. Bevorzugt sind eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems auf einer oder mehreren Aussenseiten des Gehäusebodens angebracht. Die Kühlplatte kann integraler Bestandteil des Gehäuses sein, vorausgesetzt mindestens eine Oberfläche der Kühlplatte ist von ausserhalb des Gehäuses direkt zugänglich zum Abführen von Wärmeenergie. Bevorzugt weist die Kühlplatte eine durchgehend solide ausgestaltete Oberfläche auf, die keinen direkten Durchlass in das Gehäuseinnere erlaubt. Mindestens eine Oberfläche der Kühlplatte kann strukturiert sein (z. B. Rippen oder Lamellen aufweisen), so dass ein Wärmeübertrag von der Kühlplatte an eine aktive Kühleinrichtung ermöglicht oder optimiert ist. Die Ausgestaltung dieser Strukturierung kann von der Art und Dimensionierung der gewünschten externen, aktiven Kühleinrichtung abhängen. Die Kühlplatte des Batteriesystems ist aus einem Material gefertigt, welches eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf das verwendete Fluid erlaubt. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt weist die Kühlplatte ein Metall oder eine Keramik, besonders bevorzugt Aluminium, auf oder besteht daraus.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel auf, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie konduktiv von den Batteriezellen an die Kühlplatte übertragbar ist. Dazu können die passiven Wärmeleitmittel möglichst grossflächig mit einer oder mehreren Oberflächen der Mantelfläche der Batteriezellen in Kontakt stehen, so dass ein möglichst schneller und effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen auf die Wärmeleitmittel möglich ist. Die passiven Wärmeleitmittel sind dabei derart ausgeführt, dass ein effektiver Wärmeübertrag sowohl zwischen Zelle und Wärmeleitmittel als auch zwischen Wärmeleitmittel und Kühlplatte gewährleistet ist. Die passiven Wärmeleitmittel des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Batteriezelle auf das Wärmeleitmittel und vom Wärmeleitmittel auf die verwendete Kühlplatte erlauben. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt handelt es sich bei den passiven Wärmeleitmitteln um herkömmliche Wärmeleitbleche, besonders bevorzugt um Wärmeleitbleche, die Aluminium enthalten oder daraus bestehen.
Grundsätzlich umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem auch solche Batteriesysteme, die nicht selbst eine aktive Kühleinrichtung zur Aufnahme von Wärmeenergie von der Kühlplatte umfassen, sondern Wärmeenergie aus dem Gehäuseinneren und/oder von der Kühlplatte an eine separate, bereits beim Verbraucher oder in der Umgebung vorhandenene Kühleinrichtung übertragen können. Das erfindungsgemäße Batteriesystem kann aber auch eine eigene aktive Kühleinrichtung aufweisen. Die aktive Kühleinrichtung ist ausserhalb des Gehäuses angeordnet und derart ausgestaltet, dass mittels der aktiven Kühleinrichtung Wärmeenergie von der Kühlplatte abführbar ist. Unter einer aktiven Kühleinrichtung ist dabei eine Kühleinrichtung zu verstehen, die aktiv dafür sorgen kann, dass Wärmeenergie von der Kühlplatte abgeführt wird. Meist ist ein Energieaufwand notwendig, um eine aktive Kühleinrichtung zu betreiben. Bevorzugt weist die aktive Kühleinrichtung mindestens ein Kühlmittel auf, welches geeignet ist Wärmeenergie von der Kühlplatte aufzunehmen. Bevorzugt weist die aktive Kühleinrichtung ein gasförmiges, flüssiges und/oder festes Kühlmittel auf. Die aktive Kühleinrichtung kann derart ausgestaltet sein und mit der Kühlplatte funktional verbunden sein, dass Wärmeenergie von der Kühlplatte auf ein Kühlmittel der aktiven Kühleinrichtung übertragbar ist. Dabei kann die aktive Kühleinrichtung derart ausgeführt sein, dass ein Kühlmittel der aktiven Kühleinrichtung direkt oder indirekt mit mindestens einer Oberfläche der Kühlplatte kontaktierbar ist, um Wärmeenergie von der Kühlplatte aufzunehmen. Grundsätzlich können alle Typen aktiver Kühleinrichtungen verwendet werden. Bevorzugt sind aktive Kühleinrichtungen vom Typ der Wärmetauscher, Latentwärmespeicher und/oder direkter oder indirekter Fluidstromkühleinrichtungen wie beispielsweise Flüssigkeitskühleinrichtungen oder Luftkühleinrichtungen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Kraftfahrzeuge, die ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassen. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug” alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug” HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems, umfassend die Schritte:
a) Abführen, bevorzugt passives Abführen, von Wärmeenergie einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einem Gehäuse eines Batteriesystems angeordnet sind, an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte;
b) Abführen von Wärmeenergie von der Kühlplatte mittels einer ausserhalb des Gehäuses angeordneten aktiven Kühleinrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007011026 A1 [0003]

Claims

Batteriesystem, umfassend i) eine oder mehrere Batteriezellen; ii) ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind; und iii) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte übertragbar ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte umfasst.
Batteriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte mindestens teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte in mindestens eine der Aussenoberflächen des Gehäuses integriert vorliegt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte teilweise oder ganz von der Gehäuseoberfläche separiert vorliegt.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem zusätzlich eine aktive Kühleinrichtung aufweist, welche ausserhalb des Gehäuses angeordnet und derart ausgestaltet ist, dass Wärmeenergie von der Kühlplatte abführbar ist.
Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung ein gasförmiges, flüssiges und/oder festes Kühlmittel aufweist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Kühlmittel direkt oder indirekt mit mindestens einer Oberfläche der Kühlplatte kontaktierbar ist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung einen Wärmetauscher, einen Latentwärmespeicher und/oder eine direkte oder indirekte Fluidstromkühleinrichtung aufweist.
Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems, umfassend die Schritte: a) Abführen von Wärmeenergie einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einem Gehäuse eines Batteriesystems angeordnet sind, an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte; b) Abführen von Wärmeenergie von der Kühlplatte mittels einer ausserhalb des Gehäuses angeordneten aktiven Kühleinrichtung.