DE102011011148A1

DE102011011148A1 - Kombination aus Wärmerohr und lamellierten Rippen zur Luftkühlung einer Li-Ionen-Batteriezelle und eines Li-Ionen-Batteriezellensatzes

Info

Publication number: DE102011011148A1
Application number: DE201110011148
Authority: DE
Inventors: Taeyoung Han; Kuo-Huey CHEN; Bahram Khalighi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-02-23
Also published as: US8785024B2; US20110206965A1

Abstract

Es ist ein Wärmerohr beschrieben. Das Wärmerohr umfasst einen Wärmerohrkörper, der ein Arbeitsfluid enthält; und eine lamellierte Kühlrippe benachbart zu einem Ende des Wärmerohrkörpers, wobei sich die lamellierte Kühlrippe von einer Fläche des Wärmerohrkörpers nach außen erstreckt. Es sind auch luftgekühlte Batteriesätze, die das Wärmerohr enthalten, beschrieben.

Description

Erklärung zu verwandten Fällen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Anmeldung Serien-Nr. 61/307 161, eingereicht am 23. Februar 2010, mit dem Titel Combination Of Heat Pipe And Louvered Fins For Air-Cooling Of Li-Ion Battery Cell And Pack, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Gebiet der Erfindung
Es kann eine Kombination aus Wärmerohr und lamellierten Rippen verwendet werden, um einen geringen Leistungsverbrauch und eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung für einen optimalen erwünschten Temperaturbereich vorzusehen, und um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung durch Verwendung von Luft für Li-Ionen-Batteriezellen und einen Li-Ionen-Batteriezellensatz zu reduzieren.
Hintergrund
Die Batterietemperatur hat starken Einfluss auf die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien in Hybridfahrzeugen unter verschiedenen Fahrbedingungen. Infolgedessen richten Autoherstellen und Batterielieferanten ihr Augenmerk zunehmend auf das Wärmemanagement für Li-Ionen-Batterien. Fahrbedingungen und die Art des Erwärmens und Kühlens können eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in einem Batteriesatz erzeugen. Diese ungleichmäßige Temperaturverteilung kann zu elektrisch unausgeglichenen Modulen und somit zu einer geringeren Leistung und kürzeren Batterielebensdauer führen. Batterie-Wärmemanagementsysteme spielen eine wesentliche Rolle in Elektrohybridfahrzeug (HEV, von Hybrid Electric Vehicle)-Anwendungen, indem die thermische Sicherheit von Li-Ionen-Batterien zusätzlich zur Verbesserung der Leistung und Verlängerung der Batteriezyklenfestigkeit angesprochen wird.
Die Größe der Batteriewärmeerzeugungsrate von den Modulen in einem Batteriesatz beeinflusst die Größe und den Aufbau des Batterie-Wärmemanagementsystems. Die Batteriewärmeerzeugung ist von der Größe des Zelleninnenwiderstandes und der thermodynamischen Wärme der elektrochemischen Reaktion abhängig. Somit ist die Wärmeerzeugungsrate von dem Entlade/Ladeprofil und dem Lade- und Temperaturzustand der Zelle abhängig. Um eine optimale Leistung von einer Batterie zu erhalten, ist es wünschenswert, die Batterie in einem erwünschten Temperaturbereich zu betreiben und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zu reduzieren.
Ein schlechtes Wärmemanagement kann zu einer Reduktion der Batterieleistung und somit zu einer beträchtlichen Kostensteigerung, einer reduzierter Zyklenfestigkeit und zeitlichen Lebensdauer und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von falschem Gebrauch führen. Eine aktuelle Herangehensweise für die Batteriekühlung verwendet eine indirekte Flüssigkeitskühlung. Diese Systeme sind jedoch schwergewichtig und kostspielig und sie weisen potentielle Qualitätsprobleme in Verbindung mit Undichtigkeiten auf. Eine weitere aktuelle Herangehensweise verwendet eine Luftkühlung. Diese Systeme weisen jedoch keine ausreichende Kühlkapazität auf und sie benötigen eine hohe Luftströmungsrate, die Lärm- und Vibrationsprobleme in dem Kühlsystem mit sich bringt. Demzufolge stellen Luftkühlsysteme eine begrenzte Kühlleistung bereit. Allerdings ist ein Wärmemanagementsystem, das Luft als das Wärmeübertragungsmedium verwendet, weniger kompliziert als ein System, das eine Flüssigkeit zum Kühlen/Erwärmen verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Wärmerohr. In einer Ausführungsform umfasst das Wärmerohr einen Wärmerohrkörper, der ein Arbeitsfluid enthält; und eine lamellierte Kühlrippe benachbart zu einem Ende des Wärmerohrkörpers, wobei sich die lamellierte Kühlrippe von einer Fläche des Wärmerohrkörpers nach außen erstreckt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein luftgekühlter Batteriesatz. In einer Ausführungsform umfasst der luftgekühlte Batteriesatz zumindest zwei Batteriezellen; und ein Wärmerohr, das zwischen den zumindest zwei Batteriezellen positioniert ist, wobei das Wärmerohr einen Wärmerohrkörper umfasst, der ein Arbeitsfluid enthält; und eine lamellierte Kühlrippe benachbart zu einem Ende des Wärmerohrkörpers, wobei sich die lamellierte Kühlrippe von einer Fläche des Wärmerohrkörpers nach außen erstreckt und ein Abschnitt des Wärmerohrkörpers die lamellierte Kühlrippe enthält, die ein Kondensatorteilstück definiert, wobei Luft, die über die lamellierte Kühlrippe hinweg strömt, den Batteriesatz kühlt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines Batteriesatzmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der lamellierten Kühlrippe der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Veranschaulichung der Struktur eines Wärmerohres.
4 ist eine Veranschaulichung eines Abschnittes einer weiteren Ausführungsform des Wärmerohres und von Kühlrippen.
5 ist eine Veranschaulichung des Wärmerohr-Phasenänderungszyklus.
6 ist ein Graph, der den Wärmerohr-Phasenänderungszyklus veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung stellt eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die prismenförmigen Batteriezellen mithilfe eines Wärmerohres, das mit einer Luftkühlung für den Kondensator kombiniert ist, bereit. Die innovative Kühlkonfiguration minimiert die Temperaturungleichmäßigkeit innerhalb der Zellen und ist dabei hilfreich, die erwünschten optimalen Zellentemperaturen innerhalb des Satzes zu produzieren. Diese Erfindung gestattet eine verbesserte Kühlleistung mit minimalem Leistungsverbrauch. Sie kann mit verschiedenen Modulkonfigurationen verwendet werden, um Batteriesatzkühlstrategien für unterschiedliche Batteriesatzanordnungen vorzusehen.
Li-Ionen-Batterien arbeiten am besten bei Temperaturen zwischen etwa 25°C und etwa 40°C, und bei diesen Temperaturen erreichen Batterien eine gute Ausgewogenheit zwischen Leistung und Lebensdauer. Es ist wünschenswert, dass eine Temperaturverteilung von Modul zu Modul weniger als etwa 5°C beträgt. Um die Kühlleistung unter verschiedenen Wärmelasten zu erreichen, wird ein flaches Plattenwärmerohr mit einer lamellierten Rippenkonfiguration an dem Kondensator verwendet, um eine ausreichende Wärmeabgabe von dem Kondensator vorzusehen. Mit einer lamellierten Rippenplatte mit hoher Wärmeübertragung und der latenten Verdampfungswärme des Wärmerohres kann der Aufbau relativ konstante Wandtemperaturen an der Zellengrenzfläche mit dem Wärmerohr bereitstellen, was gleichmäßigere Zellen- und Satztemperaturen vorsehen kann. Das Wärmerohr kann für eine spezifische Betriebstemperatur konstruiert sein, die den optimalen Zellenbetriebstemperaturen und auch der konstanten Temperatur des Wärmerohres, welches die beste Leistung für eine gleichmäßige Zellentemperaturverteilung bereitstellt, genügt.
Der innovative Einlassaufbau produzierte auch relativ gleichmäßige Batterietemperaturen mit weniger als etwa 5°C Schwankung innerhalb des Moduls. Es stellt infolge der stark ungleichmäßigen Wärmeerzeugung innerhalb der Batterie eine Herausforderung dar, eine Batterietemperatur mit weniger als etwa 5°C Schwankung zu erreichen. Darüber hinaus steigt die Kühlmittelströmungstemperatur, wenn dieses die Wärme von der Batterie aufnimmt. Infolgedessen schwankt die Kühlmittelluftströmungstemperatur von dem Einlass und dem Auslass beträchtlich. Der Wärmerohraufbau verhindert dieses Problem und stellt die gleiche Wärmeübertragungsrate für jede Batterie bereit, um es zu ermöglichen, gleichmäßigere Temperaturen zu erreichen. Des Weiteren ist die sehr hohe Wärmeübertragungsrate des Wärmerohres dabei hilfreich, schnell die optimale Batterietemperatur zu erreichen, wenn die Batterien starke Wärme erzeugen.
Das Wärmerohr mit der lamellierten Rippenkonfiguration kann geringe Pumpleistungsbedarfe mit einer verbesserten Batteriekühlleistung bereitstellen. Es gestattet einen relativ einfachen Sammler/Verteiler-Aufbau und ein relativ einfaches Luftströmungsmanagement.
Mit einer lamellierten Rippenplatte mit einer hohen Wärmeübertragungsrate und der latenten Verdampfungswärme des Wärmerohres kann der Aufbau relativ konstante Wandtemperaturen an der Zellengrenzfläche mit dem Wärmerohr bereitstellen, was gleichmäßigere Zellen- und Satztemperaturen vorsehen kann.
1 zeigt ein Batteriesatzmodul 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 15, die durch Wärmerohre 20 getrennt sind. In Abhängigkeit von der Kühlkapazität des Wärmerohres und der Kühlrippen können die Wärmerohre zwischen jeder Zelle (d. h. Zelle, Wärmerohr, Zelle, Wärmerohr etc.) oder zwischen jeder zweiten Zelle (d. h. zwei Zellen, Wärmerohr, zwei Zellen, Wärmerohr etc.) oder zwischen drei oder mehr Zellen (3 (oder mehr) Zellen, Wärmerohr, 3 (oder mehr) Zellen, Wärmerohr etc.) angeordnet sein. Die Wärmerohre 20 sind länger als die Batteriezellen 15 und erstrecken sich über diese hinaus. Wenn z. B. die Batteriezelle etwa 150 mm groß ist, könnte sich das Wärmerohr um zusätzliche 30 bis 50 mm weiter erstrecken.
Die Wärmerohre 20 weisen mehrere Kühlrippen 25 an einem Ende auf, um die Kühlung zu unterstützen. Die Kühlrippen 25 sind lamelliert, um die Kühlung zu verbessern, wie in 2 gezeigt. Die/der Lamellenlänge und -abstand können variiert sein, um die Kühlung zu optimieren. Der Aufbau wird von der Luftströmungsrate und der erforderlichen Kühlkapazität abhängig sein.
Die Länge der lamellierten Kühlrippen 25 ist von der Dicke der Batteriezelle und davon abhängig, ob die Wärmerohre zwischen jeder Zelle oder jeder zweiten Zelle angeordnet sind. Wenn sich die Wärmerohre zwischen jeder Zelle befinden, muss die Breite jeder Seite der lamellierten Rippe kleiner sein als die Dicke einer Batteriezelle, während, wenn sie sich zwischen jeder zweiten Zelle befinden, die Breite jeder Seite kleiner ist als die Dicke von zwei Batteriezellen. Die Kühlrippen stehen typischerweise rechtwinklig zu dem Wärmerohr, um einen minimalen Unterbringungsraum vorzusehen.
Die Lamellen reduzieren die Anzahl von Rippen, die erforderlich sind, um das gleiche Ausmaß an Kühlung bereitzustellen, deutlich, sodass die Länge des Kondensators im Vergleich mit einem Kondensator ohne lamellierte Rippen reduziert sein kann. Die Länge des Kondensatorteilstückes kann auf der Basis der Wärmeübertragungsrate der lamellierten Rippen optimiert sein. Die Kondensatorlänge beträgt wünschenswerterweise weniger als etwa 30% der Batterielänge oder weniger als etwa 25% oder etwa 10 bis etwa 20%.
Die Kühlrippen 25 sind typischerweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt. Die Lamellen können durch Pressen gebildet sein. Die Kühlrippen sind an dem Wärmerohr typischerweise mittels Aluminiumlöttechnologie angebracht.
Wünschenswerterweise greifen die lamellierten Kühlrippen eines Wärmerohres mit den lamellierten Kühlrippen eines benachbarten Wärmerohres ineinander, wie in 1 gezeigt. Unter ineinander greifen ist zu verstehen, dass sich die lamellierten Kühlrippen eines Wärmerohres von dem Wärmerohrköper nach außen erstrecken und zwischen den lamellierten Kühlrippen, die sich von dem benachbarten Wärmerohr nach außen erstrecken, positioniert sind.
Die Struktur des Wärmerohres ist in 3 gezeigt. Es ist ein Docht 50 mit druckbeständigen Abstandhaltern 55 an jeder Seite und ein Behälter 60 an der Außenseite vorhanden. Das Fluid strömt durch diese Struktur. Das Wärmerohr für diese Anwendung ist typischerweise sehr dünn, z. B. weniger als etwa 1 mm.
4 zeigt die Richtung der Luftströmung über die Kühlrippen 25 hinweg. Der Querschnitt der Lamellen ist in 2 gezeigt, wobei die Luftströmung von links nach rechts stattfindet. Luftgekühlte Batteriesätze besitzen mehrere Vorteile gegenüber flüssigkeitsgekühlten Batteriesätzen. Sie sind weniger kompliziert, da sie keine/n spezielle/n Kühlschleife und Kühler benötigen. Darüber hinaus sind sie sauberer, da sie kein flüssiges Kühlmittel verwenden.
Die 5–6 sind eine Veranschaulichung des Wärmerohr-Phasenänderungszyklus. Das Wärmerohr umfasst ein Wärme absorbierendes Teilstück 110, ein Dampfströmungsteilstück 115 für die Strömung von verdampftem Arbeitsfluid, ein Wärme abführendes Teilstück 120 und ein Flüssigkeitsströmungsteilstück 125 für die Strömung von kondensiertem Arbeitsfluid. Wärme wird von der Wärmequelle 130 absorbiert. Von Punkt A bis Punkt B' wird die Wärme auf einen Verdampfer angewendet, der das Arbeitsfluid in dem Wärmerohr zu einem Dampf verdampft. Von Punkt B bis Punkt C treibt der Dampfdruck den Dampf durch ein adiabatisches Teilstück zu einem Kondensator. Von Funkt C bis Punkt D kondensiert der Dampf, wobei Wärme an einen Kühlkörper abgegeben wird. Von Punkt D bis Punkt A pumpt der Kapillardruck durch den Docht das kondensierte Fluid in das Verdampferteilstück.
Der Aufbau der vorliegenden Erfindung kann eine verbesserte Kühlung im Vergleich zu einem Luftkühlungskanalaufbau mit einer Mehrstiftrippenkonfiguration vorsehen. Ein Stiftrippenkühlkanal weist mehrere zylindrische Stifte auf, die sich zwischen zwei Grundplatten erstrecken. Die Stiftrippenkühlkanäle vergrößern die Oberfläche und auch die lokale Wärmeübertragungsrate, sie führen aber auch einen starken Druckabfall entlang des Kühlkanals auf Grund von Strömungsabrissen hinter den Stiftrippen ein. Die Temperaturen wurden aus der Impulserhaltungs- und der Energiegleichung berechnet, die mithilfe einer handelsüblichen CFD (Computational Fluid Dynamics)-Software für einen Batteriesatz mit einer Gesamtwärmeerzeugung von 1500 W, einer Luftströmungsrate von 200 m³/h und einer Einlasstemperatur von 303 K gelöst wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Das Wärmerohr mit dem lamellierten Kühlrippenaufbau produzierte niedrigere Temperaturen und weniger Temperaturschwankung. Tabelle 1

	Kühlkanalaufbau	Wärmerohraufbau
Durchschnittliche Zellentemperatur (K)	324,1	304,0
Maximale Zellentemperatur (K)	325,1	304,5
Minimale Zellentemperatur (K)	319,3	303,3
Delta T innerhalb der Zelle (K)	5,8	1,2

Das Wärmerohr kann für eine spezifische Betriebstemperatur ausgebildet sein, die den optimalen Zellenbetriebstemperaturen genügt, und die konstante Temperatur des Wärmerohres stellt auch die beste Leistung für eine gleichmäßige Zellentemperaturverteilung bereit.

Tabelle 2 zeigt Beispiele von geeigneten Arbeitsfluiden für Wärmerohre für Batterieanwendungen mit Batteriebetriebstemperaturen von etwa 20 bis etwa 40°C. Falls erwünscht, können aber auch andere Arbeitsfluide mit einem geeigneten brauchbaren Betriebsbereich verwendet werden. Tabelle 2

Medium	Schmelzpunkt (°C)	Siedepunkt bei Umgebungsdruck (°C)	Brauchbarer Bereich (°C)
Aceton	–95	57	0 bis 120
Methanol	–98	64	10 bis 130
Flutec PP2	–50	76	10 bis 160
Ethanol	–112	78	0 bis 130

Es ist das Ziel eines Wärmemanagementsystems, einen Batteriesatz bei einer optimalen Durchschnittstemperatur mit nur geringen Schwankungen zwischen den Modulen und innerhalb des Satzes zu halten. Ein Wärmemanagementsystem, welches das Wärmerohr verwendet, kann eine ausgezeichnete thermische Umgebung für Li-Ionen-Batteriezellen und den Satz bereitstellen. Es kann einen erwünschten optimalen Temperaturbereich bereitstellen und auch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Satzes reduzieren. Wünschenswerterweise sollte das Batterie-Wärmemanagementsystem in der Lage sein, die erwünschte gleichmäßige Temperatur in einem Satz durch Abführen von Wärme in heißen Klimas und Zuführen von Wärme in kalten Klimas aufrechtzuerhalten. Ein Wärmemanagementsystem kann Luft zum Wärmen/Kühlen/Lüften, eine Flüssigkeit zum Kühlen/Wärmen oder eine Kombination dieser Verfahren verwenden. Das Wärmemanagementsystem kann passiv (d. h., nur die umliegende Umgebung wird verwendet) oder aktiv (d. h., eine eingebaute Quelle stellt eine Erwärmung und/oder Kühlung bei extrem kalten oder extrem heißen Temperaturen bereit) sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken, oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelnen Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert werden. Zum Beispiel kann eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder eine Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet etc. umfassen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Wärmerohr, welches umfasst: einen Wärmerohrkörper, der ein Arbeitsfluid enthält; und eine lamellierte Kühlrippe benachbart zu einem Ende des Wärmerohrkörpers, wobei sich die lamellierte Kühlrippe von einer Fläche des Wärmerohrkörpers nach außen erstreckt.
Wärmerohr nach Anspruch 1, wobei die lamellierte Kühlrippe rechtwinklig zu dem Wärmerohrkörper steht.
Wärmerohr nach Anspruch 1, wobei die lamellierte Kühlrippe aus Aluminium oder Kupfer hergestellt ist.
Luftgekühlter Batteriesatz, welcher umfasst: zumindest zwei Batteriezellen; und ein Wärmerohr, das zwischen den zumindest zwei Batteriezellen positioniert ist, wobei das Wärmerohr umfasst: einen Wärmerohrkörper, der ein Arbeitsfluid enthält; und eine lamellierte Kühlrippe benachbart zu einem Ende des Wärmerohrkörpers, wobei sich die lamellierte Kühlrippe von einer Fläche des Wärmerohrkörpers nach außen erstreckt und ein Abschnitt des Wärmerohrkörpers die lamellierte Kühlrippe enthält, die ein Kondensatorteilstück definiert; wobei Luft, die über die lamellierte Kühlrippe hinweg strömt, den Batteriesatz kühlt.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei sich zumindest eine lamellierte Kühlrippe von einer vorderen Fläche des Wärmerohrkörpers weg erstreckt und sich zumindest ein lamelliertes Wärmerohr von einer hinteren Fläche des Wärmerohrkörpers weg erstreckt.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei zumindest zwei Wärmerohre vorhanden sind, wobei zumindest zwei Kühlrippen an einander zugewandten Flächen von benachbarten Wärmerohren vorhanden sind und wobei die zumindest zwei lamellierten Kühlrippen eines Wärmerohres mit den zumindest zwei lamellierten Kühlrippen des benachbarten Wärmerohres ineinander greifen.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei eine Temperaturschwankung in dem Batteriesatz weniger als etwa 5°C beträgt.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei Wärmerohre zwischen jeder Batteriezelle vorhanden sind.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei Wärmerohre zwischen jeder zweiten Batteriezelle vorhanden sind.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei eine Länge des Kondensatorteilstückes weniger als etwa 30% einer Länge der Batteriezelle beträgt.