DE102011015337A1

DE102011015337A1 - Batterietemperiersystem, Kraftfahrzeug mit einem Batterietemperiersystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems

Info

Publication number: DE102011015337A1
Application number: DE201110015337
Authority: DE
Inventors: Franz-Georg Kind
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-04
Also published as: EP2692014A1; WO2012130406A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batterietemperiersystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Batterietemperiersystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterietemperiersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batterietemperiersystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems gemäß des Anspruchs 9.
Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einem das Fahrzeug zumindest teilweise antreibenden Elektroantrieb wird die elektrische Energie in einer Vielzahl von einzelnen Batteriemodulen, welche zu einer Batteriemodulgruppe zusammengefasst sind, gespeichert. Je nach Anwendung bzw. aktuell von dem Fahrer des Kraftfahrzeuges abgerufenem Leistungsniveau werden aus den Batterien Spitzenleistungen zwischen 10 kW und bis über 100 kW entnommen. Hierbei kommt es innerhalb der Batteriemodulgruppen aufgrund der abgerufenen Leistung zu einer extremen Wärmeentwicklung, die eine effektive Temperierung der Batteriemodulgruppe bzw. der Batteriemodule notwendig macht.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Temperierkonzepten für Batterien bekannt.
Das Dokument EP 1 458 049 B1 offenbart ein Batterietemperiersystem, in welchem stangenförmig ausgebildete Batteriemodule zu Batteriemodulgruppen zusammengefasst werden und von einem Luftstrom – quer zur Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule verlaufend – gekühlt werden, indem die Luft durch die Lücken zwischen den einzelnen Batteriemodulen strömt und dabei die in dem Batteriemodul entstandene Wärme aufnimmt und ableitet. Da in Strömungsrichtung der Luft diese in Folge dessen steigend an Temperatur zunimmt, werden in Strömungsrichtung weiter hinten liegende Batteriemodule entsprechend schlechter abgekühlt als die vorgelagerten Batteriemodule. Um diesen Effekt zu kompensieren ist vorgesehen, dass einzelne Batteriemodulgruppen unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen, so dass eine gleichmäßige Kühlung möglichst aller Batteriemodule bzw. Batteriemodulgruppen erfolgt.
Die Schrift US 5,866,276 A beschreibt eine Batterietemperiersystem, bei welchem die Batteriekühlung durch in den Wandungen eines Batteriegehäuses gleichmäßig und gleichförmig ausgebildete Öffnungen Luft um und quer zu stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen fließt und so die Batteriemodule gleichmäßig kühlt.
Das Dokument DE 10 2009 013 651 A1 offenbart ein Kühlsystem für Batterien, bei welchem Batteriemodule innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und parallel zur Längserstreckung der Batteriemodule eine Temperierfluidströmung ausgebildet wird bzw. ausbildbar ist. Hierbei ist vorgesehen, eine zentrale Zu- und eine zentrale Ableitung ober- und unterhalb der Batteriemodule vorzusehen und die Temperierfluidströmung zwischen den Batteriemodulen über eine entsprechende Fluidströmung innerhalb mehrerer Kühlkörper zwischen den Batteriemodulen zu realisieren. Um auf unterschiedliche und ortsabhängige Temperaturniveaus von Batteriemodulen zu reagieren, ist vorgesehen, dass jeder der Mehrzahl von Kühlkörpern einzeln über Schaltventile angesteuert werden kann um eine leitende Verbindung zwischen der Zuleitung und der Ableitung herzustellen.
Das Dokument EP 1 026 770 A1 offenbart eine Anordnung von stangenförmigen Batteriemodulen, welche innerhalb eines Gehäuses mittels eines Sauggebläses mit Luft umspült und gekühlt werden können. Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in den Batteriemodulen bzw. innerhalb des Batteriegehäuses zu erzeugen, ist zum einen vorgesehen, die Abstände zwischen den einzelnen Batteriemodulen zu variieren. Zum anderen können mittels zusätzlich in den Strömungsweg eingebrachter Wirbelelemente Turbulenzen erzeugt werden, welche die durch das Gehäuse strömende Luft verwirbeln. Ein weiterer Ansatz besteht darin, das Gehäuse entlang seines Strömungsweges in der Querschnittsfläche zu verkleinern, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erhöht und somit ebenfalls eine gleichmäßigere Kühlung der Batteriemodule erzielt werden kann.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Batterietemperiersysteme ist deren komplexer und aufwendiger Aufbau. Entgegen einer möglichst kompakten Anordnung der Batteriemodule werden diese weiter zueinander beabstandet angeordnet oder es werden zusätzliche aufwendige und störanfällige Bauteile benötigt. In Folge dessen weisen die Batterietemperiersysteme des Stands der Technik verhältnismäßig große Abmessungen im Bezug auf die Zahl der zu temperierenden Batteriemodule auf, so dass wertvoller Bauraum unnötigerweise verbraucht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein Batterietemperiersystem anzugeben, welches eine effiziente und gleichmäßige Temperierung von Batteriemodulen ermöglicht und gleichzeitig eine möglichst kompakte Bauform aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen dem Temperierfluideinlass und dem Temperierfluidauslass mindestens ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von Öffnungen mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen aufweist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Strömungsverteilerelementes, welche eine Mehrzahl von Öffnungen mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen aufweist, kann in vorteilhafter Weise mit einem äußerst geringen zusätzlichen Bauraum (das Strömungsverteilerelement kann nur wenige Millimeter dick sein) eine zwischen einem Temperierfluideinlass und einem Temperierfluidauslass gebildete Temperierfluidströmung so gesteuert und gelenkt werden, dass durch die unterschiedlich großen Querschnittsflächen der Öffnungen eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlich stark ausgebildeten Einzeltemperierfluidströmungen durch die Freiräumen zwischen den Batteriemodulen sowie durch die Freiräume zwischen den Batteriemodulen und der Gehäusewandung strömen. Durch die gezielte Anpassung der Temperierfluidströmung, welche durch das Strömungsverteilerelement dorthin gelenkt wird, wo die an den Batteriemodulen entstehende Wärme gezielt abgeführt werden kann, lässt sich zudem die Leistung der Temperierfluidfördereinheit verringern, da nicht mehr die heißeste Stelle innerhalb der Batteriemodulgruppe die Gesamtleistung der Temperierfluidfördereinheit bestimmt, sondern dieser Bereich entsprechend durch die Wahl einer gegenüber den anderen Öffnungen größeren Querschnittsfläche gezielt stärker gekühlt werden kann. Insgesamt lässt sich aufgrund dessen, wie obenstehend bereits erläutert, die Leistung der Temperierfluidfördereinheit reduzieren und somit sowohl der Energieverbrauch dieser Temperierfluidfördereinheit als auch deren Abmessung – und damit der beanspruchte Baurauminnerhalb eines Kraftfahrzeuges – verringert werden. Der über die Temperierfluidfördereinheit aufgebrachte bzw. erzeugte Differenzdruck zwischen dem Temperierfluideinlass und dem Temperierfluidauslass kann dabei relativ konstant gehalten werden was insbesondere Vorteile bezüglich der Lebensdauer und des Energieverbrauchs der Temperierfluidfördereinheit ermöglicht da die Leistung der Temperierfluidfördereinheit nicht rasch wechselnd hoch- und runtergefahren werden muss. Diese aufgrund der Druckdifferenz ausgebildeten Einzeltemperierfluidströmungen weisen aufgrund der Mehrzahl von Öffnungen mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenströme auf, die an die benötigte und örtlich innerhalb der Batteriemodulgruppe abweichende Kühlleistung angepasst sind. Über die Temperatur des Temperierfluids kann den Batteriemodulen bedarfsweise Wärmeenergie entzogen (Kühlung) oder Wärmeenergie zugeführt (Beheizung) werden. Die Temperatur des Temperierfluids lässt sich beispielsweise mittels einer Wärmepumpe (vorzugsweise CO₂ basiert) oder mittels eines Verdampfungskühler oder mittels eines Peltierkühlers reduzieren bzw. mittels Heizelementen oder mittels anderweitig (z. B. an einem Motor oder einer Elektronikkomponente) auftretender Verlustwärme erhöhen. Der Wärmeübertrag kann dabei direkt oder über Wärmetauscher erfolgen. Als Temperierfluidfördereinheit können insbesondere Lüftergebläse oder Flüssigkeitspumpen Anwendung finden.
Die Öffnungen können im Bereich der Freiräume angeordnet sein, wobei die jeweiligen Öffnungen von der Mitte des Strömungsverteilerelementes ausgehend nach außen hin kleiner werdende Querschnittsflächen aufweisen. Von der Mitte des Strömungsverteilerelementes ausgehend nach außen hin meint insbesondere in Richtung der Gehäusewandungen, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem plattenförmigen Strömungsverteilerelement angeordnet sind. In vorteilhafter Weise lässt sich insbesondere im mittleren Bereich die Bildung von Wärmekonzentrationen (sog. Hotspots) wirksam vermeiden. Da insbesondere in der Mitte des Gehäuses bzw. in der Mitte des Strömungsverteilerelementes diejenigen Batteriemodule angeordnet sind, welche eine besondere bzw. erhöhte Kühlleistung erfordern, lassen sich durch von der Mitte des Strömungsverteilerelements ausgehend nach außen hin kleiner werdenden Querschnittsflächen insbesondere diese Bereiche gezielt mit einer höheren Kühlleistung versorgen. Die in diesen Bereichen entstehende höhere Wärmeentwicklung basiert darauf, dass die zentral angeordneten Batteriemodule im Vergleich zu Batteriemodulen welche näher an der Gehäusewandung bzw. in der Nähe einer Außenkante des Strömungsverteilerelementes angeordnet sind, von ebenfalls Wärme abgebenden Batteriemodulen umgeben sind, so dass aufgrund dieser Anordnungssituation sich die Batteriemodule dort gegenseitig aufwärmen bzw. sich ein verringerter Temperaturabkühlgradient ausbildet.
Die Öffnungen des Strömungsverteilerelementes können sich in Richtung der Temperierfluidströmung verjüngen. Die Öffnungen wirken dann vergleichbar zu einer Düse und sorgen in Abhängigkeit zum Grad der Verjüngung für eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Temperierfluidströmung. Die Querschnittsflächen sind dabei vorzugsweise durch den minimalen Querschnitt der jeweiligen Öffnung definiert.
Vorzugsweise können an dem Strömungsverteilerelement Öffnungseinsätze befestigt sein, die die Geometrie der Öffnungen bestimmen. Die Öffnungseinsätze können durch eine Verschraubung, eine Verklebung, eine Verlötung, eine Verschweißung, eine kraftschlüssige Verbindung, eine formschlüssige Verbindung und/oder eine stoffschlüssige Verbindung befestigt sein. Vorteilhafterweise lassen sich mit einem einzigen standardisierten Stömungsverteilerelement bzw. einem standardisierten Batterietemperiersystem mittels der an dem Strömungsverteilerelement befestigten Öffnungseinsätze eine hohe Zahl von Varianten erzeugen, die sowohl an die Anordnung der Batteriemodule als auch an deren Abmessungen und Geometrien in einfacher Weise angepasst werden können.
Die Öffnungen können variierbare Querschnittsflächen aufweisen. Die Öffnungen können über eine Irisblende bzw. Lamellenblende gebildet sein. Mittels variierbarer Querschnittsflächen kann eine einfache und gegebenenfalls automatische Anpassung der Temperierfluidströmung erfolgen. Besonders geeignet haben sich hierzu sogenannte Irisblenden oder Lamellenblenden erwiesen wie diese beispielsweise bei Kameraobjektiven bekannt sind. Die Variation der Querschnittsflächen kann beispielsweise aufgrund von geänderten Betriebszuständen der Batteriemodule erfolgen. Insbesondere bei kurzfristigen oder raschen Temperaturvariationen kann über die Variation der Querschnittsflächen vorteilhaft die Wärmezufuhr oder die Wärmeabfuhr über das Temperierfluid erhöht oder verringert werden.
Das erfindungsgemäße Batterietemperiersystem kann zwei Strömungsverteilerelemente aufweisen. Vorzugsweise sind zwei Strömungsverteilerelemente vorgesehen, wobei in Richtung der Temperierfluidströmung ein Strömungsverteilerelement vor der Batteriemodulgruppe und ein Strömungsverteilerelement hinter der Batteriemodulgruppe angeordnet ist. Durch das Vorsehen von zwei Strömungsverteilerelementen lässt sich die Ausbildung der Einzeltemperierfluidströmungen weiter homogenisieren und störende turbulente Strömungen reduzieren.
Das Gehäuse des Batterietemperiersystems kann vorzugsweise aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet sein. Insbesondere können dies Unidirektional (UD) – faserverstärkte thermoplastische Kunststoffmaterialien sein. Hierbei eignen sich insbesondere UD – faserverstärkte Matten oder Mattenzuschnitte die in einem Lege- und Pressverfahren zu einem Gehäuse konsolidiert werden. Weiterhin im Rahmen der Erfindung ist das Gehäuse als Spritzgussteil mit einer entsprechenden Faserverstärkung ausgebildet.
Das Strömungsverteilerelement kann als ein Spritzgussteil ausgebildet sein. Alternativ kann das Strömungsverteilerelement ein Druckgussteil oder ein Frästeil sein.
Typische Dicken des plattenförmigen Verteilerelementes können im Bereich von 0,5 mm bis 12 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,8 mm bis 5 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 3 mm liegen.
Die Batteriemodulgruppe kann Teil einer Traktionsbatterie oder die gesamte Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bilden. Als Traktionsbatterie versteht man diejenige Batterie, welche die elektrische Energie für einen Elektroantrieb des Kraftfahrzeugs speichert bzw. bereitstellt. Der Elektroantrieb kann dabei das Fahrzeug permanent antreiben oder unterstützend bzw. wahlweise zu einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
Die Batteriemodulgruppe kann teilweise oder ganz durch Sodium-Sulfur-Batterien oder Lithium-Luft-Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien oder Polymer-Lithium-Ionen-Batterien oder Na/NiCl₂-Batterien oder Superkondensatoren gebildet sein.
Teil der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Batterietemperiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Teil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems. Das Verfahren ist wie folgt beschreibbar: Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems, wobei das Batterietemperiersystem ein fluiddicht verschließbares Gehäuse, begrenzt durch mindestens eine Gehäusewandung, eine Batteriemodulgruppe bestehend aus einer Mehrzahl von stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen und eine Temperierfluidfördereinheit aufweist und wobei das Gehäuse von einem Temperierfluid durchströmbar ist und mit mindestens einem Temperierfluideinlass und mit mindestens einem Temperierfluidauslass versehen ist und mittels der Temperierfluidfördereinheit zwischen dem Temperierfluideinlass und dem Temperierfluidauslass ein Temperierfluid gefördert und eine Temperierfluidströmung innerhalb des Gehäuse ausgebildet wird, wobei die Batteriemodulgruppe innerhalb des Gehäuses derart angeordnet ist, dass die Temperierfluidströmung in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule durch die Freiräume zwischen den Batteriemodulen sowie durch die Freiräume zwischen den Batteriemodulen und der Gehäusewandung strömt und zwischen dem Temperierfluideinlass und dem Temperierfluidauslass mindestens ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von Öffnungen mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen aufweist. Bei dem vorgenannten Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems können Batterietemperiersysteme, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 1 bis 7 oder einem der vorgenannten Merkmale Anwendung finden.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems das Strömungsverteilerelement in Richtung der Temperierfluidströmung hinter der Batteriemodulgruppe angeordnet. Alternativ wird bei dem Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems das Strömungsverteilerelement in Richtung der Temperierfluidströmung vor der Batteriemodulgruppe angeordnet.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems, dass das Temperierfluid über den Temperierfluidauslass mittels der Temperierfluidfördereinheit abgesaugt wird. Durch das Absaugen des Temperierfluids über den Temperierfluidauslass mittels der Temperierfluidfördereinheit wurde festgestellt, dass sich gegenüber dem Zufördern des Temperierfluids über den Temperierfluideinlass eine gleichmäßigere Temperierfluidströmung innerhalb des Gehäuses bzw. homogenere Einzeltemperierfluidströmungen zwischen den Batteriemodulen oder den Batteriemodulen und der Gehäusewandung ergeben.
Vorzugsweise kann das Temperierfluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch sein, vorzugsweise gebildet durch oder aufweisend ein Öl, einen Alkohol, eine Perfluorkohlenstoff-Verbindung oder demineralisiertes Wasser. Für Öle haben sich insbesondere synthetische Öle (z. B. Silikonöle) oder mineralische Öle oder Paraffinöle als besonders geeignet erwiesen. Bekannte Perfluorkohlenstoff-Verbindung sind unter dem Handelsnamen Fluorinert^TM von der Firma 3M^TM erhältlich.
Das Temperierfluid kann alternativ ein Gas oder ein Gasgemisch, weiter vorzugsweise gebildet durch oder aufweisend Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton und/oder Luft sein. Gegenüber einer Flüssigkeit oder einem Flüssigkeitsgemisch werden die Öffnungen innerhalb des Strömungsverteilerelementes entsprechend in der Größe angepasst ausgebildet.
Die Öffnungen können variierbare Querschnittsflächen aufweisen. Insbesondere können die Querschnittsflächen über ein Steuerungssignal variiert werden. Das Steuerungssignal kann beispielsweise aufgrund von sich ändernden Betriebszuständen der Batteriemodule die Querschnittsflächen variieren. Sich ändernde Betriebszustände können insbesondere kurzfristige Temperaturvariationen der Batteriemodule sein.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
1 einen Querschnittdarstellung eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
2 einen weitere Querschnittdarstellung eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
3 eine Draufsicht auf ein Strömungsverteilerelement eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
4 eine Draufsicht in Kombination mit einer Schnittdarstellung eines Gehäuses und eines Strömungsverteilerelements,
5 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses mit einem geschnitten dargestellten Deckel eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
6 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses mit einem geschnittenen dargestellten Boden und einem in dem Gehäuse angeordneten Strömungsverteilerelement eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems,
8 weitere Ausführungsformen eines Strömungsverteilerelements in einer Draufsicht,
9 mehreren Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen eines Strömungsverteilerelements.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle funktionsgleichen Elemente jeweils mit einem eigenen separaten Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt einen Teil des Batterietemperiersystem mit einem fluiddicht verschließbaren Gehäuse 1, begrenzt durch mindestens eine Gehäusewandung 3, 3' und mit einer Batteriemodulgruppe 7, bestehend aus einer Mehrzahl von stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen 8 und mit einer Temperierfluidfördereinheit 5, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit hier jedoch nicht näher dargestellt ist. Das Gehäuse 1 ist von einem Temperierfluid 2 durchströmbar und mit einem Temperierfluideinlass 4a und mit einem Temperierfluidauslass 4b versehen. Der gestrichelt dargestellte Fluideinlass 4a und der gestrichelt dargestellte Fluidauslass 4b stellen alternative Positionen am Gehäuse 1 dar bzw. können parallel zu den ungestrichelt dargestellten Fluidein- oder Fluidauslässen 4a, 4b betrieben werden. Mittels der Temperierfluidfördereinheit 5 ist zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b eine Temperierfluidströmung 6 innerhalb des Gehäuses 1 ausbildbar. Die Batteriemodulgruppe 7 ist innerhalb des Gehäuses 1 derart angeordnet, dass die Temperierfluidströmung 6 in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule 8 durch die Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie durch die Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und den Gehäusewandungen 3, 3' strömt. Zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b ist ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement 11 angeordnet, welches eine Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁, A₂, A₃ aufweist. Die Öffnungen 12a, 12b, 12c sind im Bereich der Freiräume 9, 10 angeordnet, wobei die jeweiligen Öffnungen 12a, 12b, 12c von der Mitte des Strömungsverteilerelementes 11 ausgehend nach außen hin kleiner werdende Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ aufweisen. Das Gehäuse 1 ist aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet, welches in Form von unidirektional faserverstärktem thermoplastischem Kunststoffmaterial vorliegt. Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems wird mittels der Temperierfluidfördereinheit 5 zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b ein Temperierfluid 2 gefördert und eine Temperierfluidströmung 6 innerhalb des Gehäuses 1 ausgebildet. Da die Batteriemodulgruppe 7 innerhalb des Gehäuses 1 derart angeordnet ist, dass die Temperierfluidströmung 6 in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule 8 durch die Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie durch die Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und der Gehäusewandung 3, 3' strömt, werden die Batteriemodule durch diese Temperierfluidströmung abgekühlt. Die Temperierfluidströmung 6 wird dabei über ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement 11, welches zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b angeordnet ist, über eine Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ mittels des plattenförmigen Strömungsverteilerelements 11 zielgerichtet auf die Freiräumen 9, 10 gelenkt und aufgeteilt. Das Strömungsverteilerelement 11 ist in Richtung 6a der Temperierfluidströmung 6 hinter der Batteriemodulgruppe 7 angeordnet. Die Temperierfluidströmung 6 und deren Richtung 6a sind in der 1 über gestrichelt angedeutete Pfeile dargelegt. Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der Freiräume 9, 10 angeordneten Öffnungen 12a, 12b, 12c weisen von der Mitte des Strömungsverteilerelements 11 ausgehend nach außen hin kleiner werdende Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ auf. Die Temperierfluidströmung 6 teilt sich aufgrund dessen in eine entsprechende Anzahl an Einzeltemperierfluidströmungen (durch gestrichelte Pfeile zwischen den Batteriemodulen 8 und zwischen den Batteriemodulen 8 und den Gehäusewandungen 3' dargestellt) auf. Diese Einzeltemperierfluidströmungen weisen aufgrund der Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁, A₂, A₃ unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenströme auf, die an die benötigte und örtlich abweichende Kühlleistung angepasst sind. Der über die Temperierfluidfördereinheit 5 aufgebrachte Differenzdruck zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b kann dabei relativ konstant gehalten werden was Vorteile bezüglich der Lebensdauer und des Energieverbrauchs der Temperierfluidfördereinheit 5 ermöglicht. Das Temperierfluid 2 wird über den Temperierfluidauslass 4b mittels der Temperierfluidfördereinheit 4 abgesaugt. Das Temperierfluid 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Flüssigkeit, gebildet durch eine Perfluorkohlenstoff-Verbindung. Alternative Flüssigkeiten oder auch Flüssigkeitsgemisch können gebildet sein durch oder aufweisen ein Öl, einen Alkohol oder demineralisiertes Wasser.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems bzw. eines hierfür verwendeten Gehäuses 1. Im Vergleich zu dem Batterietemperiersystem in der 1 sind hierbei zwei Strömungsverteilerelemente 11, 11' vorgesehen. In Richtung 6a der Temperierfluidströmung 6 ist ein Strömungsverteilerelement 11' vor der Batteriemodulgruppe 7 und ein Strömungsverteilerelement 11 hinter der Batteriemodulgruppe 7 angeordnet. Alternativ kann das in Strömungsrichtung 6a hinter der Batteriemodulgruppe 7 angeordnete Strömungsverteilerelement 11 nicht vorhanden sein und somit eine weitere Ausführungsform der Erfindung bilden.
Die 3 zeigt ein Draufsicht auf ein Strömungsverteilerelement 11 eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems, welches plattenförmig ausgebildet ist und welches eine Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ aufweist. Das Strömungsverteilerelement 11 ist als Spritzgussteil ausgebildet. Die Darstellung entspricht der Schnittdarstellung X-X in 1 oder 2, wobei die Gehäusewandungen 3' nicht explizit darstellbar sind, da diese mit den Seiten des Strömungsverteilerelements 11 zusammenfallen.
Die 4 zeigt eine weitere Draufsicht eines Strömungsverteilerelements 11 sowie darübergelegt eine Mehrzahl von Batteriemodulen 8 – in gestrichelten Linien dargestellte Schnittdarstellung Y-Y der 1 oder 2 – angeordnet innerhalb eines Gehäuses 1. Die Öffnungen 12a, 12b, 12c des Strömungsverteilerelements 11 sind im Bereich der Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie im Bereich der Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und der Gehäusewandung 3' angeordnet. Die jeweiligen Öffnungen 12a, 12b, 12c weisen von der Mitte des Strömungsverteilerelements 11 ausgehend nach außen hin in Richtung auf die Gehäusewandungen 3' kleiner werdende Querschnittsflächen A₁, A₂, A₃ auf. In vorteilhafter Weise lässt sich hierüber insbesondere im mittleren Bereich des Gehäuses 1 bzw. der Batteriemodulgruppe 7 die Bildung von Wärmekonzentrationsbereichen (als Hotspot 14 schematisch angedeutet) wirksam vermeiden. Da insbesondere in der Mitte des Gehäuses 1 bzw. in der Mitte des Strömungsverteilerelementes 11 diejenigen Batteriemodule angeordnet sind, welche eine besondere bzw. erhöhte Temperierleistung erfordern, lässt sich durch von der Mitte des Strömungsverteilerelements 11 ausgehend nach außen hin kleiner werdenden Querschnittsflächen 12a, 12b, 12c insbesondere diese Bereiche 14 gezielt mit einer höheren Temperierleistung versorgen. In der 4 ist die Schnittlinie Z-Z dargestellt, welche die Schnittebene der 1 oder der 2 darstellt.
Die 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Teils des Batterietemperiersystems mit einem Gehäuse 1, welches von einem Temperierfluid 2 durchströmbar ist und mit einem Temperierfluideinlass 4a und mit einem Temperierfluidauslass 4b versehen ist. Innerhalb des Gehäuses ist eine Batteriemodulgruppe 7 derart angeordnet, dass eine Temperierfluidströmung 6 in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule 8 durch die Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie durch die Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und der Gehäusewandung 3, 3' strömt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die einen Deckel bildende Gehäusewandung 3 nur im Eckbereich dargestellt.
Die 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Teils des Batterietemperiersystems mit einem Gehäuse 1, welches von einem Temperierfluid 2 durchströmbar ist und mit einem Temperierfluideinlass 4a und mit einem Temperierfluidauslass 4b versehen ist. Innerhalb des Gehäuses ist eine Batteriemodulgruppe 7 derart angeordnet, dass eine Temperierfluidströmung 6 in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule 8 durch die Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie durch die Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und der Gehäusewandung 3, 3' strömt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die einen Boden bildende Gehäusewandung 3 nur im Eckbereich dargestellt. Zudem ist das Strömungsverteilerelement 11 ebenfalls geschnitten dargestellt um eine Sicht auf die darüber angeordneten Batteriemodule 8 zu ermöglichen.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems, umfassend ein fluiddicht verschließbares Gehäuse 1 begrenzt durch mindestens eine Gehäusewandung 3, 3', eine Batteriemodulgruppe 7, bestehend aus einer Mehrzahl von stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen 8 (hier nicht näher dargestellt) und eine Temperierfluidfördereinheit 5. Das Gehäuse 1 ist von einem Temperierfluid 2 durchströmbar und mit mindestens einem Temperierfluideinlass 4a und mindestens einem Temperierfluidauslass 4b versehen. Mittels der Temperierfluidfördereinheit 5 ist zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b eine Temperierfluidströmung 6 innerhalb des Gehäuses ausbildbar. Wie in den vorstehenden Figuren erläutert, ist die Batteriemodulgruppe 7 innerhalb des Gehäuses 1 derart angeordnet, dass die Temperierfluidströmung 6 in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule 8 durch die Freiräume 9 zwischen den Batteriemodulen 8 sowie durch die Freiräume 10 zwischen den Batteriemodulen 8 und der Gehäusewandung 3, 3' strömt. Zwischen dem Temperierfluideinlass 4a und dem Temperierfluidauslass 4b ist mindestens ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement 11, 11' angeordnet, welches eine Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ aufweist. Die Temperierfluidfördereinheit 5 und das Gehäuse 1 sind über Fluidleitungen 15a, 15b fluidleitend miteinander verbunden. In der Fluidleitung 15b ist ein Kondensattrockner 16 bzw. ein Temperierfluidtrockner 16 zwischengeschaltet. Die Batteriemodulgruppe 7 innerhalb des Gehäuses 1 bildet einen Teil einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges (Kraftfahrzeug hier nicht näher dargestellt). Die Batteriemodulgruppe 7 ist mit einem elektrischen Antrieb 17 des Kraftfahrzeuges über elektrisch leitende Verbindungsleitungen 19a, 19b verbunden. In die elektrischen Verbindungsleitung 19b ist eine Steuer- und Kontrolleinheit 18 integriert welche Teile oder die gesamte Batteriekontrolle und Batteriesteuerung übernehmen. Eine Steuer- und Kontrolleinheit 25 übernimmt die Leistungsregelung und Betriebssteuerung der Temperierfluidfördereinheit 5. In die Fluidleitung 15a integriert und/oder wärmeleitend verbunden ist eine Temperiereinheit 30 welche dem Temperierfluid 2 bedarfsweise Wärmeenergie entzieht (kühlt) oder Wärmeenergie zuführt (heizt). Die Temperiereinheit 30 ist vorzugsweise durch eine CO₂-Wärmepumpe gebildet. In Abhängigkeit zu den von Sensoren erfassten Temperaturen der Batteriemodule 8 wird die Kühlleistung bzw. Geschwindigkeit der Temperierfluidströmung 6 angepasst bzw. das Temperierfluid 2 vortemperiert um den Batteriemodulen 8 Wärmeenergie zuzuführen (z. B. im Winter bei niedrigen Außentemperaturen).
Die 8 zeigt ein Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Strömungsverteilerelementes 11 eines erfindungsgemäßen Batterietemperiersystems, welches plattenförmig ausgebildet ist und welches eine Mehrzahl von Öffnungen 12a, 12b, 12c mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen A₁ A₂, A₃ aufweist. Das Strömungsverteilerelement 11 ist als polymeres Frästeil ausgebildet. Die Öffnungen 12a, 12b, 12c (entlang der gestrichelt dargestellten Schnittlinie A-A) verjüngen sich. Die Verjüngung erfolgt im Einbauzustand vorzugsweise in Richtung 6a der Temperierfluidströmung 6. An dem Strömungsverteilerelement 11 sind ferner Öffnungseinsätze 20 befestigt, die die Geometrie der weiteren Öffnungen 12a, 12b, 12c (entlang der gestrichelt dargestellten Schnittlinie B-B) bestimmen. Diese Öffnungseinsätze 20 sind hier über eine Schraubverbindung befestigt.
Die 9a zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus 8. Deutlich sind die sich verjüngenden Öffnungen 12a, 12b, 12c erkennbar. Diese sind so ausgeführt bzw. das Strömungsverteilerelement ist vorzugsweise so angeordnet, dass sich die Öffnungen 12a, 12b, 12c in Richtung 6a der Temperierfluidströmung 6 verjüngen.
Die 9b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B aus 8. An dem Strömungsverteilerelement 11 sind Öffnungseinsätze 20 befestigt, die die Geometrie der weiteren Öffnungen 12a, 12b, 12c bestimmen. Diese Öffnungseinsätze 20 sind über eine Schraubverbindung befestigt und können so einfach gewechselt oder ausgetauscht werden.
Die 9c zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Strömungsverteilerelementes 11 mit sich verjüngenden Öffnungen 12a, 12b, 12c deren Geometrie über an dem Strömungsverteilerelement 11 befestigte Öffnungseinsätze 20 bestimmt ist. Der sich verjüngende Bereich der Öffnungen 12a, 12b, 12c steht in diesem Ausführungsbeispiel von der Oberfläche des Strömungsverteilerelement 11 ab. Alternativ kann der sich verjüngende Bereich der Öffnungen 12a, 12b, 12c bzw. der Öffnungseinsätze 20 ganz oder teilweise innerhalb des Strömungsverteilerelementes 11 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1458049 B1 [0004]
US 5866276 A [0005]
DE 102009013651 A1 [0006]
EP 1026770 A1 [0007]

Claims

Batterietemperiersystem, umfassend: – ein fluiddicht verschließbares Gehäuse (1) begrenzt durch mindestens eine Gehäusewandung (3, 3'), – eine Batteriemodulgruppe (7) bestehend aus einer Mehrzahl von stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen (8), – eine Temperierfluidfördereinheit (5), wobei das Gehäuse (1) von einem Temperierfluid (2) durchströmbar ist und mit mindestens einem Temperierfluideinlass (4a) und mit mindestens einem Temperierfluidauslass (4b) versehen ist und mittels der Temperierfluidfördereinheit (5) zwischen dem Temperierfluideinlass (4a) und dem Temperierfluidauslass (4b) eine Temperierfluidströmung (6) innerhalb des Gehäuse (1) ausbildbar ist und, wobei die Batteriemodulgruppe (7) innerhalb des Gehäuses (1) derart angeordnet ist, dass die Temperierfluidströmung (6) in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule (8) durch die Freiräume (9) zwischen den Batteriemodulen (8) sowie durch die Freiräume (10) zwischen den Batteriemodulen (8) und der Gehäusewandung (3, 3') strömt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Temperierfluideinlass (4a) und dem Temperierfluidauslass (4b) mindestens ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement (11, 11') angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von Öffnungen (12a, 12b, 12c) mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen (Al, A2, A3) aufweist.
Batterietemperiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (12a, 12b, 12c) im Bereich der Freiräume (9, 10) angeordnet sind, wobei die jeweiligen Öffnungen (12a, 12b, 12c) von der Mitte des Stömungsverteilerelements (11, 11') ausgehend nach außen hin kleiner werdende Querschnittsflächen (A1, A2, A3) aufweisen.
Batterietemperiersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (12a, 12b, 12c) in Richtung (6a) der Temperierfluidströmung (6) verjüngen.
Batterietemperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Strömungsverteilerelement (11, 11') Öffnungseinsätze (20) befestigt sind, die die Geometrie der Öffnungen (12a, 12b, 12c) bestimmen.
Batterietemperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strömungsverteilerelemente (11, 11') vorgesehen sind, wobei in Richtung (6a) der Temperierfluidströmung (6) ein Strömungsverteilerelement (11') vor der Batteriemodulgruppe (7) und ein Strömungsverteilerelement (11) hinter der Batteriemodulgruppe (7) angeordnet ist.
Batterietemperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem faserverstärktem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist, vorzugsweise aus UD-faserverstärktem thermoplastischen Kunststoffmaterial.
Batterietemperiersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodulgruppe (7) einen Teil einer Traktionsbatterie oder die gesamte Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges bildet.
Kraftfahrzeug mit einem Batterietemperiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems, wobei das Batterietemperiersystem ein fluiddicht verschließbares Gehäuse (1), begrenzt durch mindestens eine Gehäusewandung (3), eine Batteriemodulgruppe (7) bestehend aus einer Mehrzahl von stangenförmig ausgebildeten Batteriemodulen (8) und eine Temperierfluidfördereinheit (5) aufweist und wobei das Gehäuse (1) von einem Temperierfluid (2) durchströmbar ist und mit mindestens einem Temperierfluideinlass (4a) und mit mindestens einem Temperierfluidauslass (4b) versehen ist und mittels der Temperierfluidfördereinheit (5) zwischen dem Temperierfluideinlass (4a) und dem Temperierfluidauslass (4b) ein Temperierfluid (2) gefördert und eine Temperierfluidströmung (6) innerhalb des Gehäuse (1) ausgebildet wird, wobei die Batteriemodulgruppe (7) innerhalb des Gehäuses (1) derart angeordnet ist, dass die Temperierfluidströmung (6) in Längserstreckungsrichtung der Batteriemodule (8) durch die Freiräume (9) zwischen den Batteriemodulen (8) sowie durch die Freiräume (10) zwischen den Batteriemodulen (8) und der Gehäusewandung (3, 3') strömt und zwischen dem Temperierfluideinlass (4a) und dem Temperierfluidauslass (4b) mindestens ein plattenförmiges Strömungsverteilerelement (11) angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von Öffnungen (12a, 12b, 12c) mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen (A1, A2, A3) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverteilerelement (11) in Richtung (6a) der Temperierfluidströmung (6) hinter der Batteriemodulgruppe (7) angeordnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverteilerelement (11') in Richtung (6a) der Temperierfluidströmung (6) vor der Batteriemodulgruppe (7) angeordnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierfluid (2) über den Temperierfluidauslass (4b) mittels der Temperierfluidfördereinheit (4) abgesaugt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierfluid (2) ein Gas oder ein Gasgemisch ist, vorzugsweise gebildet durch oder aufweisend Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton und/oder Luft.
Verfahren zum Betreiben eines Batterietemperiersystems nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierfluid (2) eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch ist, vorzugsweise gebildet durch oder aufweisend ein Öl, einen Alkohol, eine Perfluorkohlenstoff-Verbindung und/oder demineralisiertes Wasser.