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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Energiespeichereinrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Zur Kühlung von Energiespeichereinrichtungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie beispielsweise in elektrischen oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, kommen nach dem derzeitigen allgemeinen Stand der Technik typischerweise zwei verschiedene Varianten der Kühlung zum Einsatz. Dies ist einerseits die direkte Luftkühlung, bei welcher Luft durch ein Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung gesaugt oder gedrückt wird. Diese Kühlung streicht dann an den zu kühlenden Speicherzellen und Bauteilen vorbei. Aufgrund des relativ schlechten Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft und den Speicherzellen und Bauteilen in dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung kann dabei nur eine relativ kleine Kühlleistung abgeführt werden. Zudem kann es bei entsprechend hoher Luftfeuchtigkeit zu Korrosionsproblemen kommen, wenn die vergleichsweise feuchte Luft durch das Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung gesaugt oder gedrückt wird.
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Um die Problematik der relativ kleinen Kühlleistung zu vermeiden, wird in einem durch die
US 2005/0056035 A1 beschriebenen Aufbau die Möglichkeit aufgezeigt, dass die als Kühlmedium genutzte und hier um das Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung geblasene Kühlluft zuvor mittels eines Wärmetauschers, welcher mit einer Klimaanlage in Verbindung steht, abgekühlt wird. Dadurch wird das Kühlmedium auf ein niedrigeres Temperaturniveau gekühlt, als das Temperaturniveau der Umgebung. Aufgrund der höheren Temperaturdifferenz kann die Kühlleistung damit entsprechend verbessert werden. Die Problematik hinsichtlich der Korrosion besteht auch bei diesem Aufbau weiterhin.
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Ferner kennt der allgemeine Stand der Technik eine indirekte Kühlung über einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper. In diesem Fall ist der Kühlkörper selbst als der Wärmetauscher ausgebildet. Er ist zumindest in den Bereichen, in denen die Speicherzellen und Bauteile der elektrischen Energiespeichereinrichtung eine hohe Wärme entwickeln thermisch mit diesen gekoppelt. Da im Allgemeinen zwischen dem Kühlkörper und den Speicherzellen der elektrischen Energiespeichereinrichtung eine elektrische Isolierung notwendig ist, muss eine elektrische isolierende Schicht zwischen dem Kühlkörper und der Speicherzelle angeordnet werden. Diese elektrische Isolation behindert dabei den Wärmeübergang zwischen der Speicherzelle und dem Kühlmedium. Außerdem muss, um eine homogene Temperaturverteilung in dem Kühlkörper und damit in den Speicherzellen zu erreichen, eine vergleichsweise aufwendige Konstruktion des Kühlkörpers realisiert werden. Dies macht den Kühlkörper entsprechend teuer. Damit entsteht ein Aufbau, welcher hinsichtlich der Kosten und hinsichtlich der zu erzielenden Kühlleistung deutliche Nachteile bei der Kühlung von elektrischen Energiespeichereinrichtungen, insbesondere bei der Kühlung von Hochleistungsbatterien, wie sie zur Speicherung von Traktionsenergie in Fahrzeugen eingesetzt werden, aufweist.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden, und eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung anzugeben, welche eine sehr homogene und gleichmäßige Kühlung der Speicherzellen und Bauteile der elektrischen Energiespeichereinrichtung bei gleichzeitig sehr einfachem und kompaktem Aufbau ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich dabei aus den abhängigen Ansprüchen.
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Dadurch, dass das Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung dicht verschlossen ist und mit einer nicht leitenden Flüssigkeit, beispielsweise einem Transformatoröl oder dergleichen, gefüllt wird, können alle Bauteile innerhalb des Gehäuses der elektrischen Energiespeichereinrichtung durch ein Umwälzen dieser Kühlflüssigkeit homogen temperiert werden. Die Flüssigkeit selbst wird dann über einen beispielsweise in das Gehäuse ragenden oder an dem Gehäuse angebrachten Wärmetauscher zur Kühlung der Kühlflüssigkeit gekühlt. Dieser Kühlwärmetauscher kann seinerseits beispielsweise durch eine Klimaanlage, den Fahrtwind, einen weiteren Kühlkreislauf oder dergleichen gekühlt sein. Aufgrund der Tatsache, dass das Kühlmedium als nicht leitende Flüssigkeit ausgebildet ist, kann auf Isolationsmaterial verzichtet werden, welches den Wärmeübergang verschlechtern würde, wie es beispielsweise beim Einsatz von isolierten Kühlkörpern der Fall wäre. So kann auch bei geringerer Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium und der Speicherzelle eine vergleichsweise große Kühlleistung abgeführt werden.
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Durch die sehr gleichmäßige und homogene Temperierung der in dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung angeordneten Bauteile kann eine sehr hohe Lebensdauer der Bauteile erzielt werden, da punktuelle Überhitzungen weitgehend ausgeschlossen sind. Außerdem wird durch die homogene Temperaturverteilung im Inneren des Gehäuses eine gleichmäßige thermische Ausdehnung der Bauteile garantiert. Damit lassen sich thermische Verspannungen, welche durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen von unterschiedlich warmen Bauteilen entstehen und durch schwankende Temperaturen innerhalb der Bauteile deutlich verstärkt werden, minimieren. Außerdem kann auf entsprechende Kühlkörper verzichtet werden, was wiederum die Kosten bei der Herstellung der elektrischen Energiespeichereinrichtung reduziert und außerdem das Gewicht der elektrischen Energiespeichereinrichtung minimiert. Insgesamt lässt sich so das Leistungsgewicht der elektrischen Energiespeichereinrichtung in besonders vorteilhafter Art und Weise steigern. Da die elektrische Durchschlagsfestigkeit von nicht leitenden Flüssigkeiten, beispielsweise Transformatorenöl, typischerweise um einige Größenordnungen höher ist, als die Durchschlagsfestigkeit von Luft, lassen sich außerdem geringere Mindestabstände zwischen den spannungsführenden Teilen realisieren, da das nicht leitende flüssige Kühlmedium nicht nur die Kühlung, sondern auch die Isolation dieser Teile gegeneinander mit übernimmt. Damit lässt sich ein sehr kompakter Aufbau ohne zusätzliche Installationsschichten erzielen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass durch das vollständige Verdrängen von Luft innerhalb des Gehäuses der elektrischen Energiespeichereinrichtung durch die nicht leitende Flüssigkeit als Kühlmedium auch der Sauerstoff komplett aus dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung verdrängt ist. Damit lassen sich Korrosionsprobleme minimieren oder, beim Einsatz einer geeigneten nicht leitenden Flüssigkeit sogar gänzlich vermeiden.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass in dem Gehäuse reversibel verformbare Druckausgleichselemente angeordnet sind.
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Da eine nicht leitende Flüssigkeit als Kühlmittel typischerweise nicht kompressibel ausgebildet ist, kann dies dazu führen, dass in dem Gehäuse ein entsprechend hoher Überdruck entsteht, welcher das Gehäuse, und hier insbesondere eventuelle Nahtstellen im Bereich des Gehäuses, außerordentlich belastet. Im Extremfall kann es dann zu Leckagen kommen, durch welche das Kühlmedium austreten könnte.
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Um dies zu vermeiden, ist es in einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass reversibel verformbare Druckausgleichselemente in dem Gehäuse angeordnet sind. Diese Elemente können beispielsweise in Form von gasgefüllten Blasen oder Schläuchen, mit einer für die Flüssigkeit undurchlässigen Membran überzogenen Schwämmen, als gegenüber einem kompressiblen Medium oder einer Öffnung verformbare Membran oder dergleichen ausgebildet sein. Diese erlauben es, bei einem Anstieg des Volumens, welcher typischerweise aufgrund eines Temperaturanstiegs auftreten wird, dass sich das in dem Gehäuse für das flüssige Kühlmedium zur Verfügung stehende Volumen entsprechend erhöht. Damit kann ein übermäßiger Druckaufbau in dem Gehäuse sicher und zuverlässig vermieden werden.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass in dem Gehäuse ein sich bei Überdruck öffnender Bereich vorgesehen ist.
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Ein solcher Bereich kann beispielsweise als Überdruckventil oder als mit einer Berstscheibe oder einem Berstelement verschlossene Öffnung ausgebildet sein. Prinzipiell ist auch eine Sollbruchstelle im Material des Gehäuses selbst denkbar. Im Fehlerfall einer derartigen elektrischen Energiespeichereinrichtung, insbesondere wenn die Speicherzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sind, können erhebliche Mengen an Gas und Wärme freigesetzt werden. Dies führt dann zu einem sehr raschen Druckanstieg in dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung. Im Extremfall könnte dies bis zu einer Explosion der elektrischen Energiespeichereinrichtung führen. Um dies zu verhindern, ist gemäß einer Variante der Erfindung der sich bei Überdruck öffnende Bereich vorgesehen, sodass der Druck in dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinrichtung entsprechend abgebaut werden kann, bevor eine Explosion oder dergleichen droht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Dabei zeigt:
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1 einen möglichen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein möglicher Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung zu erkennen. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus mehreren Speicherzellen 2, welche über nicht dargestellte Abstandshalter in einem Gehäuse 3 fixiert sind. Außerdem sind die Speicherzellen 2 in ebenfalls nicht dargestellter, aber an sich bekannter Art und Weise elektrisch untereinander verbunden, wobei je ein Plus- und ein Minuspol aus dem Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie herausgeführt sind. Da dieser elektrische Aufbau an sich bekannt und für die hier vorliegende Erfindung nicht relevant ist, wurde auf seine Darstellung hier verzichtet. Die Vorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Batterie 1 aufgebaut sein, welche als Speicherzellen 2 beispielsweise Einzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie aufweist. Alternative Ausführungsformen mit Batteriezellen in anderer Technologie, beispielsweise in Nickel-Metallhydrid-Technologie oder dergleichen, wären ebenfalls denkbar. Auch eine Ausbildung der Speicherzellen 2 in Form von Hochleistungskondensatoren ist möglich. Die Batterie 1 soll bevorzugt zur Speicherung von Traktionsenergie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug dienen.
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Wie bereits erwähnt, sind die Speicherzellen 2 in dem Gehäuse 3 der Batterie 1 über nicht dargestellte Abstandshalter fixiert. Die Fixierung ist dabei so angeordnet, dass die Speicherzellen 2 von einem Kühlmedium umströmt werden können. Das Gehäuse 3 der Batterie 1 wird dazu vollständig oder zumindest in dem zu kühlenden Bereich der Batterie 1 mit einem Kühlmedium befühlt. Dieses Kühlmedium ist dabei ein flüssiges Kühlmedium, welches als elektrisch nicht leitende Flüssigkeit ausgebildet ist. Als Beispiel für eine solche Flüssigkeit könnte insbesondere ein Transformatoröl, ein Thermoöl oder eine auf Polymerbasis hergestellte Flüssigkeit dienen. Die als Kühlmedium genutzte Flüssigkeit wird über eine Fördereinrichtung 4, beispielsweise eine Umwälzpumpe, in dem Gehäuse 3 entsprechend umgewälzt. Durch einen Wärmetauscher 5 wird sie dabei abgekühlt. Der Wärmetauscher 5 kann insbesondere an eine Klimaanlage angebunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, das flüssige Kühlmedium selbst durch einen Wärmetauscher, welcher dann außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet wäre, zu fördern und diesen beispielsweise durch Fahrtwind kühlen zu lassen. Daneben wäre selbstverständlich auch eine Wasserkühlung des Wärmetauschers 5, beispielsweise durch die Einbindung in den Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs denkbar. Auch sämtliche Kombinationen dieser genannten Kühlarten, beispielsweise abhängig von Umgebungsbedingungen, Witterung und Temperatur des Kühlmediums, sind selbstverständlich denkbar.
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Der Bereich mit der Umwälzpumpe 4 und dem Wärmetauscher 5 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Batteriegehäuses 3 über eine Blende 6 so von dem Bereich mit den Speicherzellen 2 abgetrennt, dass durch die Umwälzpumpe 4 eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Batteriegehäuses 3, und dabei eine möglichst gleichmäßige Umströmung der Speicherzellen 2 durch das flüssige Kühlmedium erreicht wird. Neben der reinen Kühlung der hier dargestellten Speicherzellen 2 wäre es selbstverständlich auch denkbar, zusätzliche Elektronikkomponenten, wie beispielsweise Schaltschütze, Sicherungen oder elektronische beziehungsweise leistungselektronische Schaltungen mit in das Gehäuse 3 zu integrieren und diese durch das flüssige Kühlmedium mit zu kühlen.
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Nun ist es bei einem flüssigen und daher typischerweise inkompressiblen Kühlmedium so, dass sich aufgrund der unterschiedlichen volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten von Kühlmedium und Speicherzellen 2, Batteriegehäuse 3 sowie gegebenenfalls in dem Batteriegehäuse 3 integrierten elektronischen Bauteilen ein temperaturabhängiger Innendruck in dem Batteriegehäuse 3 ergibt. Dies kann dazu führen, dass das Batteriegehäuse 3 einem sehr hohen Druck ausgesetzt wird und gegebenenfalls, insbesondere im Bereich von Nahtstellen, dadurch beschädigt werden kann und dann leckt. Um dies zu verhindern, kann das Batteriegehäuse 3 zusätzlich mit Druckausgleichselementen 7 bestückt werden, welche in 1 beispielhaft dargestellt sind. Die Druckausgleichselemente sind so ausgebildet, dass sie sich reversibel verformen lassen und dabei das in dem Batteriegehäuse 3 befindliche freie Volumen entsprechend vergrößern oder verringern. Beispielsweise könnten die Druckausgleichselemente in Form von mit einem kompressiblen Medium, beispielsweise mit einem Gas gefüllten Gummischläuchen oder Gummiblasen, realisiert werden. Nimmt das Volumen des Kühlmediums aufgrund einer Temperaturänderung in sehr viel stärkerem Maße zu als das Gesamtvolumen des Batteriegehäuses 3, dann können diese Druckausgleichselemente entsprechend zusammengedrückt und in ihrem Volumen verkleinert werden. Damit kann durch die Druckänderung im Bereich der Druckausgleichselemente eine Volumenvergrößerung oder -verkleinerung im Bereich des flüssigen Kühlmediums weitgehend kompensiert werden. Die Ausgleichselemente 7 müssen dabei nicht wie hier dargestellt im Randbereich des Gehäuses 3 angeordnet werden, sondern können an beliebigen Steilen innerhalb des Gehäuses 3 der Batterie 1 angeordnet werden. Dadurch, dass die Druckausgleichselemente typischerweise eine sehr viel geringere Dichte aufweisen als das flüssige Kühlmedium selbst, kann eine entsprechend hohe Zahl an Druckausgleichselementen außerdem für eine Gewichtsreduzierung der Batterie 1 genutzt werden.
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Das Problem ist nun, dass in einem Fehlerfall bei aktuell eingesetzten Hochleistungsbatterien, beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie, erhebliche Mengen an Gas und Wärme durch die Speicherzellen 2 freigesetzt werden können. In einem solchen kritischen Fall führt das freigesetzte Gas dann zu einem rasanten Druckanstieg in dem flüssigen Kühlmedium und damit in dem Batteriegehäuse 3. Dieser Druckanstieg könnte das Gehäuse bersten oder explodieren lassen. In der Darstellung der 1 ist daher in dem Gehäuse 3 ein Bereich zu erkennen, welcher sich bei Überdruck selbsttätig öffnet. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Bereich als Überdruckventil 8 ausgebildet, in dem schematisch dargestellt eine Kugel von einem Ventilsitz bewegt wird, wenn der in dem Gehäuse 3 herrschende Druck über dem durch die Feder auf die Kugel aufgebrachten Druck liegt. Alternativ zu diesem Überdruckventil 8 wäre eine Berstscheibe oder eine Sollbruchstelle an dem Gehäuse 3 denkbar. Durch das Überdruckventil 8 besteht nun die Möglichkeit, einen Überdruck abzubauen und so ein Bersten des Batteriegehäuses 3 zu vermeiden.
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In der Darstellung der 1 ist die Batterie 1 in ihrer typischen Einbaulage dargestellt. Es ist zu erkennen, dass in dieser typischen Einbaulage das Überdruckventil 8 in einem in Richtung der Schwerkraft oberen Bereich des Batteriegehäuses 3 angeordnet ist. Dadurch entsteht die Möglichkeit, dass im Falle eines Überdrucks über das Überdruckventil zuerst das im Fehlerfall entstehende Gas entweichen kann. Nachdem das Gas entwichen ist, wird gegebenenfalls auch ein Teil des flüssigen Kühlmediums mit entweichen. Die in Richtung der Schwerkraft oben angeordnete Lage des Überdruckventils 8 stellt jedoch sicher, das immer eine zumindest geringe Menge an flüssigem Kühlmedium in der Batterie 1 belassen wird. Damit wird die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Kurzschlüssen oder dergleichen kommt, aufgrund der isolierenden Wirkung des flüssigen Kühlmediums verringert. Auch bleibt durch das flüssige Kühlmedium eine gewisse thermische Kühlwirkung bestehen, sodass die Wahrscheinlichkeit einer sehr starken thermischen Überhitzung verringert werden kann. Prinzipiell wäre es selbstverständlich auch denkbar, das Überdruckventil oder die Berstscheibe in jedem anderen Bereich des Gehäuses 3 der Batterie 1 anzubringen. Dann würden die genannten Vorteile jedoch gegebenenfalls nicht erzielt werden können.
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Beim Einsatz eines Überdruckventils 8, wie es in 1 dargestellt ist, kann dieses außerdem zur Befüllung des Gehäuses 3 der Batterie 1 mit dem flüssigen Kühlmedium genutzt werden, wenn eine Möglichkeit zur gezielten mechanischen Entlastung der Feder, beispielsweise durch einen abschraubbaren Federsitz, gegeben ist.
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Alles in allem entsteht durch die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie 1 in der hier dargestellten Ausführungsvariante ein sehr einfacher, leichter und kostengünstiger Aufbau, welcher neben einer optimalen Kühlung auch beste Sicherheitseigenschaften gewährleisten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0056035 A1 [0003]
