DE102011080975A1 - Batteriemodul mit Luftkühlung sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel (10) mit mindestens zwei Batteriezellen (11) aufweisend beschrieben, bei dem jede Batteriezelle (11) von zumindest einem Luftkanal (12) kontaktiert wird. Der zumindest eine Luftkanal (12) ist in den Batteriezellenstapel (10) eingefügt. Dadurch ist trotz eines schlechten Wärmeübergangskoeffizienten eine ausreichende Kühlung mittels eines Luftstroms der Batteriezellen (11) möglich. Ferner wird eine Ausgestaltung des Batteriemoduls als Lithium-Ionen-Akkumulator und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel mit mindestens zwei Batteriezellen aufweisend sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Batteriemodule stellen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher dar, die beispielsweise einen breiten Einsatz in tragbaren Konsumgeräten und in automobilen Anwendungen finden, wobei insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren als Schlüsseltechnologie für die teilweise oder vollständige Elektrifizierung von Fahrzeugen gelten.
  • Diese Batteriemodule und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren dürfen je nach Leistungsanforderung für einen dauerhaft sicheren und schonenden Betrieb nur in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden. Unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit und einer möglichst langsamen Alterung ist beispielsweise, je nach Zusammensetzung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 30 °C und 40 °C gegeben.
  • Während des Betriebs von Zellen eines Batteriemoduls entsteht Wärme, nämlich Joulesche Wärme, die durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand der Zelle beschrieben werden kann, sowie Wärme, die aufgrund reversibler Vorgänge in der Zelle freigesetzt wird.
  • Diese Wärme muss abgeführt werden, um ein Aufheizen der Zelle über eine kritische Betriebstemperatur zu vermeiden. Dazu wird üblicherweise ein Thermomanagementsystem verwendet.
  • Zu dessen Auslegung werden in der Regel Lastzyklen herangezogen, mit denen der Temperaturanstieg innerhalb des Batteriemoduls bei bekannten thermischen Randbedingungen vorhergesagt werden kann. Darauf abgestimmt werden zur Einstellung der optimalen Betriebstemperatur, beispielsweise bei der Verwendung von einem Lithium-Ionen-Akkumulator in einem Kraftfahrzeug, Kühl- und Kältekreisläufe eingesetzt, um die im Betrieb erwärmten Akkumulatorzellen zu kühlen. Hierzu werden die Akkumulatorzellen bzw. deren Module üblicherweise mit ihrer Unterseite gegen eine Kühl- oder Kälteplatte gepresst, über welche die Wärme abgeführt werden kann. Dazu können diese Platten luft- oder fluiddurchströmt sein und, abhängig vom Grad der geforderten Kühlleistung, beispielsweise mit Wasser/Glykol-Gemischen bzw. verdampfendem Kältemittel beaufschlagt werden.
  • So wird in der DE 10 2007 024 869 A1 ein Batteriemodul beschrieben, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei bestimmte Bereiche, vorzugsweise Ober- und Unterseite des Gehäuses, eine poröse Struktur besitzen. Die einzelnen Zellen des Batteriemoduls sind in dem Gehäuse mit Abstand zueinander positioniert, so dass ein Kühlmedium zur Temperierung durch das Gehäuse geleitet werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel mit mindestens zwei, vorzugsweise prismatische Batteriezellen aufweisend bereitgestellt, wobei jede Batteriezelle von zumindest einem Luftkanal, vorzugsweise einem prismatischen Luftkanal, kontaktiert wird, der in den Batteriezellenstapel eingefügt ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Batteriemoduls wird eine direkte Luftkühlung innerhalb des Batteriemoduls mit geringem konstruktiven Aufwand realisiert.
  • Bei prismatischen Zellen beträgt das Verhältnis von Mantel- zu Bodenfläche bis zu 25:1. Daher ist trotz geringeren Wärmeübergangskoeffizienten bei Luftkühlung im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung eine Entwärmung durch Umströmung der Batteriezellen technisch umsetzbar.
  • Werden die Mantelflächen der Batteriezelle umströmt, stellen sich abhängig von der Geschwindigkeit des Luftstroms konvektive Wärmeübergangskoeffizienten zwischen 10 und 100 W/m2/K ein. Die gewählte Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Zellen bzw. in den Luftkanälen kann einfach je nach realisierbarem Druckverlust für jeden Anwendungsfall adaptiert werden. Bei gegebenem Luftdurchsatz kann über die freie Querschnittsfläche des Luftkanals die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden.
  • Eine Verbesserung des Wärmeaustauschs, allerdings auf Kosten des Strömungswiderstands, ist durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit Reduzierung des freien Kanalquerschnitts der Luftkanäle realisierbar. Dies kann je nach Anwendungsfall einfach und modular vorgenommen werden.
  • Bevorzugt wird eine alternierende Anordnung von Batteriezellen und Luftkanälen, wobei vorzugsweise zudem an beiden Enden des Batteriezellenstapels jeweils ein Luftkanal angeordnet ist. Damit ist jede Batteriezelle nach dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen zwei Luftkanälen positioniert.
  • Die eingesetzten Luftkanäle werden durch einen Hohlkörper, vorzugsweise durch einen prismatischen Hohlkörper ausgebildet, der einen Einlass und einen Auslass für die zur Kühlung verwendete Luft aufweist. Mittels dieser Luftkanäle ist eine gezielte Luftführung innerhalb des Batteriemoduls möglich.
  • Bevorzugterweise sind die Einlässe und die Auslässe der Luftkanäle jeweils mit einer Sammeleinrichtung versehen, so dass der Luftstrom jeweils über eine einzelne Zu- bzw. Ableitung geführt werden kann. Bei der Ausgestaltung der Sammeleinrichtung für die Einlässe der Luftkanäle ist zu beachten, dass durch geeignete, dem Fachmann bekannte Mittel eine Homogenisierung der Luftströmung mit geringem Druckverlust gewährleistet werden kann, um alle Zellen gleichmäßig zu kühlen.
  • Vorzugsweise sind die beiden Sammeleinrichtungen auf entgegengesetzten Seiten des Batteriemoduls angeordnet und zudem nicht auf der Seite des Batteriemoduls, die die Kontakte der Batteriezellen aufweist, um die Konstruktion des Batteriemoduls möglichst einfach zu gestalten.
  • Durch die gekapselte Luftführung innerhalb des Moduls mittels der Luftkanäle können Maßnahmen für die Luftaufbereitung, das heißt Entfeuchtung und Filterung auf ein Minimum reduziert werden. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist dazu übliche Einrichtungen zur Luftaufbereitung auf, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Batteriezellen und die Luftkanäle derart dimensioniert, dass sich ein quaderförmiger bzw. prismatischer Batteriezellenstapel ergibt, der vorteilhafterweise einfach in ein entsprechendes Batteriegehäuse eingebracht und gegebenenfalls verspannt werden kann, um einem Anschwellen der Batteriezellen, insbesondere bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen während des Betriebs entgegenzuwirken.
  • Vorzugsweise sind die Luftkanäle im Innenraum mit Verstrebungen verstärkt, um beim Verpressen des Batteriezellenstapels bzw. bei einem Anschwellen der Batteriezellen die Formstabilität zu gewährleisten.
  • Um den Wärmeübergang zu steigern, können nach bevorzugten Ausführungsformen einerseits die Innenseiten der Luftkanäle vergrößert werden, vorzugsweise durch eingebrachte Rippenelemente, andererseits kann die Oberfläche durch Turbulatoren so modifiziert werden, dass der lokale Turbulenzgrad der Strömung an der Wandung erhöht und damit der konvektive Wärmeübergang verbessert wird. Dabei ist jedoch jeweils zu berücksichtigen, dass durch diese Maßnahmen der Strömungswiderstand erhöht wird.
  • Die Kontaktflächen der Batteriezellen und der Luftkanäle sind vorzugsweise kongruent, um eine größtmögliche Übertragung der Wärme zu gewährleisten. Die Breite der Luftkanäle wird entsprechend der aufzunehmenden Wärmemenge passend skaliert, so dass die Batteriezellen bzw. das Batteriemodul optimal temperiert werden können.
  • Die Gehäuse der Batteriezellen und die Luftkanäle bestehen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material, um einen ungehinderten Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und den Luftkanälen zu gewährleisten.
  • Vorzugsweise wird der thermische Widerstand durch Wärmeleitung innerhalb der Luftkanalwand durch eine möglichst geringe Wandstärke und eine geeignete Materialauswahl minimiert. Bevorzugterweise ist das wärmeleitfähige Material ein Metall, vorzugsweise Eisen oder Aluminium, besonders bevorzugt Aluminium, wodurch eine wirtschaftliche und problemlose Fertigung gegeben ist.
  • Zudem können die Luftkanäle auf der Außenfläche mit einer dünnen Kunststoffschicht beschichtet sein. Diese ist derart abgestimmt, dass der thermische Widerstand im Rahmen des Gesamtsystems akzeptabel bleibt, das heißt ein zur Kühlung ausreichender Wärmeübergang gegeben ist. Vorteilhafterweise kann damit eine elektrische Isolierung zwischen den Zellen garantiert werden.
  • Auch ansonsten ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriemoduls sichergestellt, dass die zur Kühlung verwendete Luft nicht in Kontakt mit spannungsführenden Teilen kommt.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Batteriemoduls ist dieses als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet.
  • Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren erfindungsgemäßen Batteriemodul, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer Seitenansicht einen Batteriezellenstapel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls aus Batteriezellen und Luftkanälen, und
  • 2 in einer Aufsicht den Batteriezellenstapel nach 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 und 2 ist ein Batteriezellenstapel 10 für ein Batteriemodul dargestellt, das prismatische Batteriezellen 11 aufweist, zwischen denen prismatische Luftkanäle 12 angeordnet sind, wobei beide Enden des Batteriezellenstapels 10 jeweils einen Luftkanal 12 aufweisen. Daher ist jede Batteriezelle 11 auf zwei gegenüberliegenden Seiten von einem Luftkanal 12 kontaktiert. Auf der Oberseite 13 des Batteriezellenstapels 10 sind die Kontakte 14 der Batteriezellen 11 zur Verschaltung angeordnet. An zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 15, 16 des Batteriezellenstapels 10, die durch die Schmalseiten der Batteriezellen 11 und Luftkanäle 12 ausgebildet werden, sind Sammeleinrichtungen 17, 18, die in 2 schematisch dargestellt sind, befindlich. Mittels dieser Sammeleinrichtungen 17, 18 wird die zum Kühlen verwendete Luft 19 auf Einlässe 20 in den Luftkanälen 12 verteilt bzw. von den hier nicht dargestellten Auslässen auf der entgegengesetzten Seite der Luftkanäle 12 wieder zusammengeführt. Durch die räumlich getrennte Anordnung der Kontakte 14 und den Sammeleinrichtungen 17, 18 ist eine einfache Trennung der spannungführenden Teile von der zur Kühlung verwendeten Luft 19 möglich. Da der Batteriezellenstapel 10 in der Regel in einem hier nicht dargestellten Batteriegehäuse verspannt wird, sind in den Luftkanälen 12 Verstrebungen 21 vorgesehen, die eine Verformung der Luftkanäle 12 unter Druck verhindern. Ansonsten verfügt das Batteriemodul 10 über sonstige, üblicherweise vorhandene Einrichtungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beispielsweise zur Führung der Luft zum Kühlen, zur Konditionierung der Luft sowie Steuer- und Regeleinrichtungen, die jedoch in den 1 und 2 nicht dargestellt sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007024869 A1 [0007]

Claims (11)

  1. Ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel (10) mit mindestens zwei Batteriezellen (11) aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batteriezelle (11) von zumindest einem Luftkanal (12) kontaktiert ist, der in den Batteriezellenstapel (10) eingefügt ist.
  2. Das Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (11) und der zumindest eine Luftkanal (12) prismatisch sind.
  3. Das Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils zwischen zwei Batteriezellen (11) ein Luftkanal (12) angeordnet ist.
  4. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Batteriezelle (11) zwischen zwei Luftkanälen angeordnet ist.
  5. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zumindest eine Luftkanal (12) jeweils einen Einlass (20) und einen Auslass aufweist, die jeweils mit einer Sammeleinrichtung (17, 18) versehen sein können.
  6. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest eine Luftkanal (12) im Innenraum Verstrebungen (21), Rippenelemente und/oder Turbulatoren aufweist.
  7. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Gehäuse der Batteriezellen (11) und der zumindest eine Luftkanal (12) aus einem wärmeleitfähigen Material bestehen.
  8. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zumindest eine Luftkanal (12) auf der Außenfläche mit einer Kunststoffschicht versehen ist.
  9. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Batteriemodul in einem Batteriegehäuse angeordnet und gegebenenfalls verspannt ist.
  10. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Batteriemodul als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist.
  11. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
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