DE102011005501A1

DE102011005501A1 - Kühlbares Batteriesystem, Verfahren zum Kühlen einer Batterie sowie Automobil mit kühlbarem Batteriesystem

Info

Publication number: DE102011005501A1
Application number: DE201110005501
Authority: DE
Inventors: Guido Wetzel; Dr. Habermeier Hans-Peter; Peter Murla
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013615A1; US20130255918A1; US9865886B2; EP2599157A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Batterie bereitgestellt, die zumindest ein integriertes erstes Wärmetauschelement zur Abführung von thermischer Energie aus der Batterie, das zumindest teilweise die Oberfläche der Batterie bildet, umfasst. Das integrierte erste Warmetauschelement ist dabei fester Bestandteil der Batterie und ist einstückig mit der Batterie ausgebildet. Das Wärmetauschelement der Batterie kann dabei bündig mit der Oberfläche abschließen, aber auch beispielsweise aus der Oberfläche herausragen oder in die Oberfläche der Batterie eingelassen sein. Erfindungsgemäß wird ebenso ein kühlbares Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das über mindestens eine im Voranstehenden beschriebene Batterie verfügt. Zudem umfasst das erfindungsgemäße kühlbare Batteriesystem pro Batterie ein zweites Wärmetauschelement, das mit dem ersten Wärmetauschelement reversibel in eine thermische Wirkverbindung bringbar ist. Weiter wird erfindungsgemaß ein Verfahren zur Kühlung einer erfindungsgemaßen Batterie in einem erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriesystem beschrieben, bei dem das erste Wärmetauschelement der mindestens einen Batterie in thermische Wirkverbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement gebracht wird, wobei das zweite Wärmetauschelement auf einem geringeren Temperaturniveau gehalten wird, wie das Temperaturniveau des ersten Wärmetauschelement.

Description

Um Batterien mit großer Kapazitat, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, herstellen und verwenden zu können, muss auf die Abfuhr der entstehenden Warme geachtet werden. Für große Kapazitaten, wie sie z. B. zum Betrieb eines Elektrofahrzeuges benötigt werden, muss eine Flüssigkeitskuhlung vorgesehen werden um die Warmekapazität entsprechend abfuhren zu können. Um die Kühlflüssigkeit immer ausreichend wärmeaufnahmefähig halten zu können, sollte diese Flüssigkeit in einem extra Kühler temperiert werden. Bei Konzepten mit Wechselbatterien muss dann immer der Anschluss an die Kuhlung mit gewechselt werden. Das hat den Nachteil, dass die temperierte Verbindung von dem unter Druck stehenden Kuhlkreislauf unterbrochen werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein kühlbares Batteriesystem anzugeben, bei dem die Abtrennung vom Kuhlkreislauf auf einfache Art und Weise bewerkstelligt werden kann.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich eines Batteriesystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, bezüglich eines Verfahrens zur Kühlung einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie bezüglich eines Automobils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Batterie bereitgestellt, die zumindest ein integriertes erstes Wärmetauschelement zur Abführung von thermischer Energie aus der Batterie, das zumindest teilweise die Oberfläche der Batterie bildet, umfasst. Das integrierte erste Wärmetauschelement ist dabei fester Bestandteil der Batterie und ist einstuckig mit der Batterie ausgebildet. Das Wärmetauschelement der Batterie kann dabei bundig mit der Oberfläche abschließen, aber auch beispielsweise aus der Oberfläche herausragen oder in die Oberfläche der Batterie eingelassen sein.
Das Wärmetauschelement ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass es eine höhere Wärmeleitfahigkeit aufweist als die restliche Oberflache der Batterie, so dass ein gezielter effizienter Warmeaustausch uber das Warmetauschelement der Batterie bewerkstelligt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die Batterie über einen ersten integrierten Kühlmittelkreislauf, der einen Austausch thermischer Energie zwischen Batterie und dem ersten Wärmetauschelement ermöglicht.
Über diesen integrierten Kühlmittelkreislauf ist ein effizienter Warmeaustausch vom Ort der Entstehung überschussiger thermischer Energie in der Batterie zum Warmetauschelement möglich.
Vorteilhaft ist dabei, wenn der Kühlmittelkreislauf über eine in die Batterie integrierte oder als separates externes Bauteil ausgefuhrte Pumpe, die eine Zirkulation des im ersten Kuhlmittelkreislauf enthaltenen Kühlmittels ermöglicht, verfügt.
Beispielhafte Kühlmittel, die im Kühlmittelkreislauf der Batterie enthalten sein können, sind Kuhlmittel, die einen Warmeaustausch in einem Temperaturbereich zwischen –50°C und +150°C erlauben.
Weiter bevorzugt ist, dass das erste Warmetauschelement eine strukturierte Oberflache aufweist. Eine derartige Strukturierung besteht beispielsweise aus Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche des Warmetauschelements. Dies gewährleistet, dass die Oberfläche des Wärmetauschelements großer ist als wenn die Oberfläche des Wärmetauschelements plan wäre. Die größere Oberfläche ermöglicht eine höhere Wärmetauschrate und somit einen effizienteren Wärmetausch. Zudem gewährleistet eine strukturierte Oberflache eine bessere haptische Anpassung eines weiteren Wärmetauschelements mit entsprechender entgegengesetzter Strukturierung, so dass die beiden entsprechend strukturierten Wärmetauschelemente formschlüssig ineinander eingreifen können. Auf eine derartige Ausführungsform wird weiter unten stehend zu 2 gesondert eingegangen.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform besteht das erste Warmetauschelement aus einem Werkstoff mit einer Warmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/(m·K), insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing, metallischen Materialien oder Materialien mit einem guten Wärmeübergangskoeffizient.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein kuhlbares Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das über mindestens eine im Voranstehenden beschriebene Batterie verfügt. Zudem umfasst das erfindungsgemäße kuhlbare Batteriesystem pro Batterie ein zweites Wärmetauschelement, das mit dem ersten Warmetauschelement reversibel in eine thermische Wirkverbindung bringbar ist.
Die thermische Wirkverbindung kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das zweite Warmetauschelement mit dem ersten Wärmetauschelement in mechanischem Kontakt gebracht wird. Dadurch wird ein Austausch von thermischer Energie zwischen den beiden Warmetauschelementen ermöglicht.
Vorzugsweise besteht das zweite Wärmetauschelement aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/(m·K), insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing, metallischen Materialien oder Materialien mit einem guten Warmeübergangskoeffizient. In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform sind das erste und das zweite Warmetauschelement aus dem gleichen Material gebildet.
Weiter ist vorteilhaft, wenn das zweite Warmetauschelement mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf in thermischer Wirkverbindung steht. Das zweite Warmetauschelement dient dabei der Abfuhrung der thermischen Energie, die aus der Batterie über das erste Wärmetauschelement auf das zweite Wärmetauschelement ubertragen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verfugt der zweite Kuhlmittelkreislauf über mindestens eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt. Derartige Vorrichtungen zur Abfuhrung thermischer Energie an die Umwelt können beispielsweise passive Vorrichtungen sein wie z. B. Kuhlerrippen, Radiatoren etc., ebenso sind jedoch auch aktive Kühlvorrichtungen, wie beispielsweise Vorrichtungen, bei der die Wärmeenergie mit Hilfe eines Lüfters oder einer Pumpe abtransportiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verfügt das Batteriesystem über eine Vorrichtung, die das zweite Wärmetauschelement als integralen Bestandteil beinhaltet. Diese Vorrichtung umfasst zudem eine Anschlussmoglichkeit für die elektrische Versorgung der Pumpe der Batterie; dabei ist die Anschlussmoglichkeit für die elektrische Versorgung bevorzugt als trennbare elektrische Verbindung, beispielsweise als Steckerverbindung, ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform kann somit die Batterie sowohl in thermischer Verbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement gebracht werden, gleichzeitig an die Vorrichtung angeschlossen werden, die über die zweite Warmetauschrichtung verfügt, so dass ein elektrischer Betrieb der Pumpe der Batterie gewährleistet ist.
Weiter wird erfindungsgemaß ein Verfahren zur Kuhlung einer erfindungsgemaßen Batterie in einem erfindungsgemaßen kühlbaren Batteriesystem beschrieben, bei dem das erste Wärmetauschelement der mindestens einen Batterie in thermische Wirkverbindung mit dem zweiten Warmetauschelement gebracht wird, wobei das zweite Warmetauschelement auf einem geringeren Temperaturniveau gehalten wird, wie das Temperaturniveau des ersten Wärmetauschelement.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf dem Prinzip des Wärmeflusses vom heißeren zum kuhleren Element. Dadurch, dass das zweite Wärmetauschelement des kuhlbaren Batteriesystems auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten wird, kann Wärme effizient aus der Batterie ausgetragen und dem Kühlkreislauf des kühlbaren Batteriesystems zugeführt werden.
Weiter bevorzugt ist dabei, wenn die vom ersten Wärmetauschelement auf das zweite Warmetauschelement ubertragene Energie uber den zweiten Kühlkreislauf der mindestens einen Vorrichtung zur Abfuhrung thermischer Energie an die Umwelt zugeführt und an die Umwelt abgeführt wird.
Erfindungsgemaß wird ebenso ein Automobil angegeben, das uber ein kühlbares Batteriesystem, wie im Voranstehenden beschrieben, verfügt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der zweite Kuhlkreislauf des kühlbaren Batteriesystems der Fahrzeugkühlmittelkreislauf des Automobils ist. Dadurch erübrigt sich ein separater Kühlmittelkreislauf für die Batterie, so dass eine äußerst effiziente und einfache Konstruktion möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren sowie den nachfolgenden Ausführungsformen näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dargestellten Parameter und Ausführungen zu beschränken.
Dabei zeigt
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemaßen kühlbaren Batteriesystems und
2 eine weitere Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen kühlbaren Batteriesystems.
1A zeigt die wesentlichen Bestandteile des erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriesystems. Dargestellt ist eine Batterie 1, die einen integrierten Kühlmittelkreislauf 1.1 aufweist. Dieser Kühlmittelkreislauf 1.1 beinhaltet ein vorzugsweise flüssiges Kühlmittel, das über eine Pumpe 1.2 zirkuliert werden kann. Ein Teil des Kuhlmittelkreislaufs 1.1 steht dabei in thermischer Wirkverbindung mit dem ersten Wärmetauschelement 3.1, das der Batterie 1 zugeordnet ist. Das Wärmetauschelement 3.1 bildet dabei einen Teil der Oberflache der Batterie 1 und ist in diesem Fall als erhabenes Element ausgeführt.
Das Gegenstück zur Batterie 1 bildet eine Kuhlvorrichtung, die über ein zweites Wärmetauschelement 3.2 verfügt. In der in 1A dargestellten Ausführungsform ist das zweite Wärmetauschelement 3.2 genau gleich dimensioniert wie das erste Wärmetauschelement 3.1. Das erste Wärmetauschelement 3.1 und das zweite Wärmetauschelement 3.2 bilden dabei einen zweiteiligen Wärmetauscher. Das zweite Wärmetauschelement 3.2 verfügt dabei über einen zweiten Kühlmittelkreislauf 2.1, mit dem es in thermischem Austausch steht. Dieser zweite Kühlmittelkreislauf 2.1 kann weiter über eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie 2.2 verfügen, die im vorliegenden Fall beispielsweise der Kühlmittelkreislauf eines Automobils sein kann.
Zudem kann das zweite Warmetauschelement 3.2 beispielsweise in oder an einem mechanischen Träger 2 für die Batterie angebaut bzw. integriert sein. Das kühlbare Batteriesystem kann dabei zudem uber eine Vorrichtung 2.3, z. B. ein Gehause, verfügen, in die das zweite Warmetauschelement 3.2 mitsamt seinen dazugehörigen Komponenten integriert ist.
In 1B ist eine Ausführungsform dargestellt, in der die Batterie 1 über ihr Warmetauschelement 3.1 mit dem zweiten Wärmetauschelement 3.2 in Verbindung gebracht ist. Der Übersichtlichkeit halber sind dabei einige der in 1A dargestellten Bezugszeichen weggelassen.
Die Ausführungsform gemäß 2 ahnelt prinzipiell der Ausführungsform gemäß 1. Beide Wärmetauschelemente 3.1 und 3.2 weisen dabei pyramidenförmige Elemente an der Oberfläche auf, um eine möglichst große Oberfläche der Wärmetauschelemente und somit einen möglichst effizienten Austausch von thermischer Energie zu erzielen.
Zusatzlich dargestellt ist eine trennbare elektrische Verbindung 1.2.2, mit der die Pumpe 1.2 mit Strom versorgt werden kann. Die trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 kann in dem Gehäuse 2.3 integriert sein, in der auch das zweite Wärmetauschelement 3.2 sitzt. Die trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 kann beispielsweise uber das Bordnetz eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht daher prinzipiell auf folgender Idee: Es wird eine Kühlung über einen zweiteiligen Wärmetauscher 3.1, 3.2 vorgeschlagen, bei dem der Wärmetauscher trennbar gestaltet ist. Am Fahrzeug verbleibt die eine Hälfte des Wärmetauschers 3.2, die vorzugsweise ständig im Kühlkreislauf 2.2 des Fahrzeugs gekühlt wird.
Die andere Hälfte 3.1 des Wärmetauschers verbleibt in der Batterie 1. Wird die Batterie getauscht, wird diese Hälfte 3.1 des Warmetauschers mit ausgewechselt (vgl. 1a).
Die Kühlung kommt zustande, wenn die beiden Hälften 3.1, 3.2 des Wärmetauschers zusammengebracht werden, wie in 1b skizzenhaft gezeigt ist. Vorzugsweise weist die Batterie intern ein eigenes Umwälzsystem mit einem Kuhlmittelkreislauf 1.1 und einer Umwalzpumpe 1.2 auf, wobei die Pumpe 1.2 uber eine trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 mit dem Bordnetz im Fahrzeug verbunden ist (vgl. Details auch in 2). Fahrzeugseitig kann der am Fahrzeug befindliche Teil des Wärmetauschers 3.2 beispielsweise in oder an den mechanischen Trager 2 für die Batterie angebaut bzw. integriert werden.
Für die vorliegende Erfindung können konstruktiv alle bekannten Wärmetauscher eingesetzt werden (z. B. Kreuzwarmetauscher oder Linearwärmetauscher) und sind die beiden Teile des Wärmetauschers natürlich auf eine moglichst gute großflächige thermische Kopplung optimiert.
Es wird also ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie vorgestellt, bei dem ein Kühlkreislauf des Fahrzeugs mit einer Batterie in thermische Wirkverbindung gebracht wird. Damit die Batterie leicht abtrennbar wird, wird vorgeschlagen, die thermische Wirkverbindung uber einen Wärmetauscher zu realisieren, welcher wiederum zweiteilig und trennbar ausgestaltet ist.
Dazu weist eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Batterie einen ersten Teil 3.1 eines Warmetauschers auf, welcher mit einem zweiten Teil des Wärmetauschers 3.2 am Fahrzeug in thermische Wirkverbindung bringbar, beim Abtrennen der Batterie jedoch an der Batterie verbleibend ausgestaltet ist. Vorzugsweise ist die Batterie bzw. der daran befindliche Warmetauscherteil 3.1 wiederum mit einem Umwälzsystem fur Kuhlflüssigkeit im Inneren der Batterie versehen ist.
Ebenso wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug beschrieben, bei dem eine Batterie über einen zweigeteilten, trennbaren Warmetauscher thermisch gekoppelt ist und gekühlt wird, wobei beim Ausbau der Batterie der Wärmetauscher geteilt wird und ein Teil des Warmetauschers an der Batterie verbleibt. Dadurch kann eine direkte Kühlmittelleitung in die Batterie hin entfallen und wird ein ggfs. vorhandener Kuhlmittelkreis 1.1 in der Batterie ebenso über diesen Wärmetauscher 3.1, 3.2 indirekt gekühlt und kann somit vom Kühlmittel im Fahrzeugkühlmittelkreislauf 2.2 getrennt werden.

Claims

Batterie (1), umfassend zumindest ein integriertes erstes Wärmetauschelement (3.1) zur Abführung von thermischer Energie aus der Batterie (1), das zumindest teilweise die Oberfläche der Batterie (1) bildet.
Batterie (1), nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) über einen ersten integrierten Kühlmittelkreislauf (1.1), der einen Austausch thermischer Energie zwischen Batterie (1) und dem ersten Warmetauschelement (3.1) ermöglicht, verfügt.
Batterie (1) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (1.1) über eine in die Batterie (1) integrierte oder als separates externes Bauteil ausgeführte Pumpe (1.2), die eine Zirkulation eines im ersten Kühlmittelkreislauf (1.1) enthaltenen Kuhlmittels ermöglicht, verfugt.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauschelement (3.1) eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Warmetauschelement (3.1) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfahigkeit λ von mindestens 50 W/(m·K), insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing oder metallischen Materialien besteht.
Kuhlbares Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie pro Batterie (1) ein zweites Warmetauschelement (3.2), das mit dem ersten Wärmetauschelement (3.1) reversibel in eine thermische Wirkverbindung bringbar ist.
Batteriesystem nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Warmetauschelement (3.2) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/(m·K), insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing oder metallischen Materialien besteht.
Batteriesystem nach einem der beiden vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmetauschelement (3.2) mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf (2.1) in thermischer Wirkverbindung steht.
Batteriesystem nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (2.1) über mindestens eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt (2.2) verfugt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmetauschelement (3.2) in eine Vorrichtung (2.3) integriert ist, die uber eine Anschlussmöglichkeit (1.2.2) fur die elektrische Versorgung der Pumpe (1.2) verfügt.
Verfahren zur Kuhlung mindestens einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 0 in einem kuhlbaren Batteriesystem nach einem der Ansprüche 0 bis 0, bei dem das erste Wärmetauschelement (3.1) der mindestens einen Batterie (1) in thermische Wirkverbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement (3.2) gebracht wird, wobei das zweite Wärmetauschelement (3.2) auf einem geringeren Temperaturniveau gehalten wird, wie das Temperaturniveau des ersten Wärmetauschelement (3.1).
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Wärmetauschelement (3.1) auf das zweite Warmetauschelement (3.2) ubertragene Energie uber den zweiten Kuhlkreislauf (2) der mindestens einen Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt (2.2) zugeführt und an die Umwelt abgeführt wird.
Automobil, umfassend ein kuhlbares Batteriesystem nach einem der Ansprüche 0 bis 0.
Automobil nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abfuhrung thermischer Energie (2.2) der Fahrzeugkuhlmittelkreislauf des Automobils ist.