DE102011082565A1

DE102011082565A1 - Elektrisches Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102011082565A1
Application number: DE201110082565
Authority: DE
Inventors: Xiaofeng Yan; Christian Pankiewitz; Sylvain Guenon; Christian Loew; Achim Schmidt
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge. Das System umfasst ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodul (1), das einen geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf aufweist, sowie eine Ladestation mit einem Kühlsystem. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der interne Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls (1) und das Kühlsystem (17) über einen Wärmetauscher (4) thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Wärmetauscher (4) jeweils ein erstes, in den internen Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls (1) integriertes Bauteil und ein zweites, in das Kühlsystem (17) integriertes Bauteil umfasst und die beiden Bauteile Einzelteile des Wärmetauschers (4) bilden, die formschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul und eine Ladestation, die Bestandteile des Ladesystems sind.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batteriesysteme werden als Energiespeicher für den Antrieb in Hybrid- und Elektrofahrzeugen genutzt. Sie bestehen aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet durch ein Batteriemanagementsystem überwacht werden und die mechanisch zu einem Gesamtsystem in einer Lithium-Ionen-Batterie kombiniert sind. Die Lithium-Ionen-Zellen werden bevorzugt in einem konstant gehaltenen Temperaturfenster betrieben, um eine optimale Leistung, eine minimale Alterung und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Um dieses Temperaturfenster auch bei ungünstigen Umgebungstemperaturen und trotz einer Wärmeentwicklung in den Lithium-Ionen-Zellen zur Vermeidung eines Kapazitätsverlustes im Batteriesystem einhalten zu können, sind viele Batteriesysteme mit einem aktiven Thermomanagementsystem ausgestattet. Dieses erlaubt einen gezielten Wärmetransport von oder zu den Lithium-Ionen-Zellen, um deren Temperatur auf optimalem Niveau zu halten.
Thermomanagementsysteme für Lithium-Ionen-Batterien nutzen in einer Art von Ausführungen ein Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch, um den Wärmeaustausch mit den Lithium-Ionen-Zellen über die Systemgrenzen einer Batterie mittelbar über einen Fluidmassenstrom (Enthalpiestrom) zu realisieren. Hierzu finden sich in den Batterien typischerweise Komponenten zur Wärmeübertragung von den Lithium-Ionen-Zellen an das Fluid, beispielsweise Kühlplatten sowie Komponenten für den Transport des Fluids, beispielsweise Pumpen, Gebläse, Rohre, Kanäle, Ventile etc.
Ein allgemeines Konzept für Varianten derartiger Kühlsysteme wird z. B. in DE 10 2008 054 947 A1 beschrieben. Hier wird eine wiederaufladbare Batterie mit mindestens einem Batterieelement, einer Wärmetransporteinrichtung zum Heizen und/oder zum Kühlen der Batterie und mindestens einer Wärmeleiteinrichtung zum innerhalb der Batterie erfolgenden Wärmetransfer mittels Wärmeleitung zwischen dem Batterieelement und der Wärmetransporteinrichtung vorgeschlagen.
Nach DE 910 52 60 U1 wird ein Batteriesatz für den Antrieb eines Fahrzeuges vorgeschlagen, bei welchem die einzelnen Batterien innerhalb eines Zwischenraumes zur Gehäusewand durch ein zirkulierendes flüssiges oder gasförmiges Medium temperiert werden. Der Kreislauf des entsprechenden Mediums wird durch eine Pumpe aufrechterhalten, wobei über einen Wärmetauscher – nach Feststellung des Wärme- bzw. Kühlbedarfs – die Temperierung des Mediums und somit der Batteriezellen vornehmbar ist. Dieses System der Temperierung ist durch eine Vielzahl von sogenannten Schnellkopplungen für Rohrleitungen zwischen den einzelnen Batterien und den peripher außen um die Batterien herum verlaufenden Rohrleitungen gekennzeichnet.
Mit DE 102 02 807 B4 ist eine Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen vorgeschlagen worden. Hierbei dient die Vorrichtung zur Regelung der Temperatur in den vorgenannten Batterien, die auf Nickel-Metallhydrid oder Lithium basieren, in der Art, dass die Zellen Kanäle aufweisen, durch die ein Wärme transportierendes Medium strömt, wobei außerhalb des Gehäuses eine durch einen Regler gesteuerte Heiz- und Kühleinrichtung vorhanden ist, welche das Wärme transportierende Medium heizt oder kühlt, wobei der Regler mit einem Temperaturfühler im Innern des Gehäuses verbunden ist.
Nach DE 10 2009 034 675 A1 sind ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Verfahren zum Kühlen oder zum Erwärmen eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Stromableiter zum elektrischen Anschluss innerhalb einer Anwendungsumgebung durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium temperierbar sind. Ein mechanisch händelbares Stecksystem als Wärmetauscher zur Wärmeübertragung in einen Energiespeicher oder aus diesem heraus wird damit nicht realisiert.
Die beschriebenen Temperiersysteme sind dadurch charakterisiert, dass sie in einem Kühlmittel- oder Kältemittelkreis des Fahrzeugs eingebunden sind, der die notwendige Wärmesenke und/oder -quelle enthält. Insbesondere bei großen Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybride ist jedoch die thermische Masse der Batterie so hoch, dass auf eine aktive Temperierung während des Fahrbetriebs verzichtet werden kann. Es wäre ausreichend, die Batterie z. B. während des Ladens auf eine geeignete Temperatur vorzukonditionieren. Während des Fahrbetriebs ändert sich die Batterietemperatur dann nur unwesentlich. Im Fahrbetrieb stellt aber die Integration des Temperiersystems der Batterie in den Kühl-/Kältemittelkreis im Fahrzeug einen unnötigen Zusatzaufwand dar, der zu einem höheren Systemgewicht und zu höheren Systemkosten führt.
Es wäre somit günstiger, eine flüssigbasierte Temperierung einer Lithium-Ionen-Batterie bereits beim Laden zu ermöglichen, ohne die Temperierung in das fahrzeugseitige Kühlsystem einbinden zu müssen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge. Das System umfasst ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodul, das einen geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf aufweist, sowie eine Ladestation mit einem Kühlsystem. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der interne Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls und das Kühlsystem über einen Wärmetauscher thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Wärmetauscher jeweils ein erstes, in den internen Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls integriertes Bauteil und ein zweites, in das Kühlsystem integrierte Bauteil umfasst und die beiden Bauteile Einzelteile des Wärmetauschers bilden, die formschlüssig miteinander verbunden sind.
An einer Außenseite eines Gehäuses, in dem ein Batteriemodul untergebracht ist, befindet sich demnach ein Bauteil, das als Einzelteil eines Wärmetauschers mit einem zweiten Einzelteil des Wärmetauschers verbunden werden kann, wobei das zweite Einzelteil zu einem externen Kühlsystem gehört. Das Einzelteil des Wärmetauschers am Gehäuse des Batteriemoduls befindet sich dabei in Wärme leitendem Kontakt mit dem geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls. Die Einzelteile des Wärmetauschers sind während eines Ladevorgangs der Batterie formschlüssig miteinander verbunden.
Eine derartige erfindungsgemäße Ausbildung hat den Vorteil, dass eine Integrierung des Batteriemoduls in einen fahrzeugseitigen Kühl-/Kältemittelkreislauf nicht erforderlich ist und nur über eine mechanische Schnittstelle bei Bedarf, während eines Ladevorgangs, ein Wärmeaustausch zwischen den im erfindungsgemäß gestalteten Batteriemodul angeordneten Lithium-Ionen-Batteriezellen und einem externen Kühlsystem stattfinden kann. Damit sind auch keine nach außen aus dem Batteriemodul herausführenden, lösbaren, hydraulischen Anschlüsse an einen fahrzeugseitigen Kühl-/Kältemittelkreislauf mehr vorhanden und es reduziert sich daher das Risiko für mögliche Leckagen bei Integration des Batteriemoduls in ein Kühlsystem eines Elektrokraftfahrzeuges oder Hybridfahrzeuges.
Die am externen Kühlsystem angebrachte Kontaktfläche, die als Einzelteil eine zweite Hälfte des Wärmetauschers darstellt, trägt dazu bei, dass das externe Kühlsystem als Teil einer Ladeinfrastruktur besser genutzt werden kann, so dass hier lediglich eine einmalige Investition getätigt werden muss, wobei durch eine relativ einfache Umgestaltung an den Kontaktflächen der Batteriemodule von Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugen zur Wärmeübertragung somit auch eine Vielzahl von Fahrzeugen bedienbar ist. Dadurch reduzieren sich nicht nur die Komponentenkosten für ein einzelnes Fahrzeug, sondern auch die Gesamtsystemkosten für eine Flotte von Elektrokraftfahrzeugen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die den Wärmetauscher umfassenden Bauteile als Einzelteile im Formschluss zueinander stehen und sie dabei lösbar miteinander verbunden sind. Damit soll herausgestellt werden, dass eine mechanische Zusammenführung der Einzelteile des Wärmetauschers zur Fixierung ihrer Lage, während eines vorübergehenden Ladevorganges eines Batteriemoduls erfolgt. Dabei wird durch die als flächige Elemente ausgebildeten Einzelteile des Wärmetauschers ein unkompliziertes Ineinanderschieben als mechanische Passung, ohne Einsatz komplizierter Verschlussmechanismen und ohne Verwendung von Werkzeugen, erreicht.
Die den Formschluss bewirkenden Einzelteile des Wärmetauschers umfassen Wärmeleitbleche oder Wärmetauscherplatten. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, durch einen direkten Oberflächenkontakt der aneinanderliegenden Wärmeleitbleche oder der Wärmetauscherplatten eine Wärmeübertragung bzw. eine Kühlung herbeizuführen, wobei dieser Effekt durch die fluiddurchströmten Wärmetauscherplatten noch gesteigert wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Batteriemoduls für ein Kraftfahrzeug ist in besonderer Weise in einem Batteriemodul realisierbar, welches Lithium-Ionen-Zellen enthält.
Es ist bekannt, dass der Betrieb eines Elektrokraftfahrzeuges oder Hybridfahrzeuges wesentlich durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird, wobei zu hohe oder zu niedrige Temperaturen die Batterie schädigen, ihre Lebensdauer vermindern oder ihren Ladezustand schnell verschlechtern können. Die Einhaltung eines optimalen Temperaturfensters ist mit der erfindungsgemäßen Lösung auf einfachem Wege durchführbar.
Damit sind Kraftfahrzeuge, die mit einem Batteriemodul der erfindungsgemäßen Art ausgerüstet sind, als ausschließliche Elektrofahrzeuge oder als Hybridfahrzeuge ökonomisch betreibbar, das heißt, dass die Nutzungsdauer von Batterien auf der Basis von Lithium-Ionen-Zellen verlängert werden kann. Das Batteriemodul ist dabei mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Batteriemoduls mit einem geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, bei dem der geschlossene, interne Kühlmittekreislauf ein Bauteil aufweist, das ausgelegt ist, einen Teil eines Wärmetauschers zu bilden.
Das hat den Vorteil, dass der Wärmetauscher als Bauteil, bestehend aus zwei Einzelteilen, als Bindeglied zwischen dem geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf und einem externen Kühlsystem auftritt, wobei seitens des Batteriemoduls ein Einzelteil an einer seiner Seiten aus dem ihn umgebenden Gehäuse heraustritt und sich dieses Einzelteil in direkter Wärme leitender Verbindung und/oder zur Kühlung mit dem internen, geschlossenen Kühlmittelkreislauf befindet.
Eine die Erfindung ergänzende Ausbildung betrifft eine Ladestation für ein Batteriemodul eines Kraftfahrzeugs mit einem Kühlsystem zur Kühlung oder zur Erwärmung eines Batteriemoduls für ein Kraftfahrzeug, bei dem das Kühlsystem ein Bauteil aufweist, das ausgelegt ist, einen Teil eines Wärmetauschers zu bilden.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladesystems für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge,
2 einen Wärmetauscher zwischen Batteriemodul und externem Kühlsystem, bestehend aus Wärmeleitblechen, angebracht an Flüssigkeit durchströmten Rohren,
3 einen Schnitt A-A gemäß 2,
4 einen Wärmetauscher zwischen Batteriemodul und externem Kühlsystem, bestehend aus Wärmetauscherplatten, die mit Flüssigkeit durchströmt sind, und
5 einen Schnitt B-B gemäß 4.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 sind Bestandteile eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladesystems für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge dargestellt. Die Figur zeigt ein Batteriemodul 1 eines Kraftfahrzeugs. Seitlich am Gehäuse 2 des Batteriemoduls 1 befindet sich ein Wärmetauscher 4. Der Wärmeaustauscher 4 umfasst ein erstes Einzelteil, das Bestandteil des Batteriemoduls 1 ist, und ein zweites Einzelteil, das Bestandteil eines externen Kühlsystems 17 ist. Das externe Kühlsystem 17 wiederum ist Bestandteil einer hier nicht dargestellten Ladestation, mit der das Batteriemodul 1 des Kraftfahrzeugs aufgeladen werden kann. Im Batteriemodul 1 befinden sich seriell oder in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Zellen 7, die mit ihren Zellenböden in Wärme übertragendem Kontakt zu einer Kühlplatte 16 stehen. Letztere ist in einen internen, geschlossenen Kühlmittelkreislauf eingebunden, das heißt, dass ein Fluid die Kühlplatte 16 umströmt. Ferner ist auch das erste Einzelteil des Wärmetauschers 4, das sich außen am Gehäuse 2 des Batteriemoduls 1 befindet, in diesem internen, geschlossenen Kreislauf eingebunden. Der interne, geschlossene Kreislauf beinhaltet eine Umwälzpumpe 6 und einen Ausgleichsbehälter 5, Letzterer zur Niveauhaltung des Flüssigkeitsstandes innerhalb des internen, geschlossenen Kühlmittelkreislaufs.
Ein Batteriemanagementsystem 3 sorgt innerhalb des Batteriemoduls 1 dafür, dass – insbesondere über Thermosensoren (nicht näher dargestellt) – abgenommene Temperaturbedingungen über eine Kommunikationsschnittstelle (nicht näher dargestellt) zum externen Kühlsystem 17 führbar sind, damit Letzteres seine Funktion als Wärmequelle oder Wärmesenke erfüllen kann. Gleichzeitig steuert das Batteriemanagementsystem 3 die In- bzw. Außerbetriebsetzung der Umwälzpumpe 6.
Zwischen den Zellenböden der Lithium-Ionen-Zellen 7 und der Kühlplatte 16 kann gegebenenfalls eine Wärme leitende, verformbare Schicht (ein Elastomer, ein Metallschaum o. a.) oder eine Wärmeleitpaste zur Verbesserung des thermischen Kontaktes eingebracht sein.
Zur Sicherung des Formschlusses der ineinander gesteckten Einzelteile des Wärmetauschers 4, während eines Ladevorganges, können Spannbügel, Clipverschlüsse eine vorübergehende den Formschluss zwischen den Einzelteilen des Wärmetauschers 4 sichernde und/oder verstärkende Haltefunktion übernehmen.
Nach 2 ist ein Beispiel für einen mechanisch händelbaren Wärmetauscher 4 angegeben. Zwischen Fluid durchströmten Rohrleitungen mit Zu- und Abfluss 8, 11 sind an einer jeden Hälfte des Wärmetauschers 4 zueinander seitlich versetzt angeordnete Wärmeleitbleche 9, 10 vorhanden, die an den vorgenannten Rohrleitungen fest angebracht sind. Der Kontakt der Wärmeleitbleche 9, 10 findet, mechanisch gesehen, als Spielpassung statt, wodurch der Wärmeübergang in das Batteriemodul 1 hinein oder heraus begünstigt wird.
3 zeigt eine Schnittdarstellung A-A gemäß der 2.
4 illustriert eine Variante des Wärmetauschers 4, bei der die vorher als Kontaktelemente aus Vollmaterial gearbeiteten Wärmeleitbleche 9, 10 zu Wärmetauscherplatten 12, 13 mit einem Anschluss an Rohrleitungen als Einzelteile des Wärmetauschers 4 gestaltet sind. Die Wärmetauscherplatten 12, 13 sind, jeweils in Verbindung mit den vorgenannten Rohrleitungen, durch ein Fluid des internen, geschlossenen Kühlmittelkreislaufes einerseits und durch ein Fluid des externen Kühlsystems 17 andererseits durchströmbar.
Im Schnitt B-B der 5 ist die Situation nach 4 ebenfalls aus anderer Sicht nochmals dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass die mechanische Verbindung der in einem Batteriemodul 1 untergebrachten Lithium-Ionen-Zellen 7 mit einem externen Kühlsystem 17 über einen Wärmetauscher 4 eine erhebliche Gewichtsreduzierung für Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge erbringt, wobei dennoch, bei Ladevorgängen, eine effektive Wärmeleitung und/oder Wärmeübertragung zu den Lithium-Ionen-Zellen 7 oder von ihnen weg gewährleistet wird, damit eine zielgerichtete Temperierung derselben gesichert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054947 A1 [0004]
DE 9105260 U1 [0005]
DE 10202807 B4 [0006]
DE 102009034675 A1 [0007]

Claims

Elektrisches Ladesystem für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge umfassend ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodul (1), das einen geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf aufweist, und eine Ladestation mit einem Kühlsystem (17), dadurch gekennzeichnet, dass der interne Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls (1) und das Kühlsystem (17) über einen Wärmetauscher (4) thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Wärmetauscher (4) jeweils ein erstes, in den internen Kühlmittelkreislauf des Batteriemoduls (1) integriertes Bauteil und ein zweites, in das Kühlsystem (17) integriertes Bauteil umfasst und die beiden Bauteile Einzelteile des Wärmetauschers (4) bilden, die formschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrisches Ladesystem nach Anspruch 1, bei dem die den Wärmetauscher (4) umfassenden Bauteile, die als Einzelteile im Formschluss zueinander stehen, lösbar miteinander verbunden sind.
Elektrisches Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die den Formschluss bewirkenden Einzelteile des Wärmetauschers (4) Wärmeleitbleche (9, 10) oder Wärmtauscherplatten (12, 13) umfassen.
Elektrisches Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Batteriemodul (1) Lithium-Ionen-Zellen (7) enthält.
Elektrisches Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kraftfahrzeug ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ist.
Batteriemodul (1) mit einem geschlossenen, internen Kühlmittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, wobei der geschlossene, interne Kühlmittelkreislauf ein Bauteil aufweist, das ausgelegt ist, einen Teil des Wärmetauschers (4) zu bilden.
Ladestation für ein Batteriemodul (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Kühlsystem (17) zur Kühlung oder zur Erwärmung des Batteriemoduls (1), wobei das Kühlsystem (17) ein Bauteil aufweist, das ausgelegt ist, einen Teil des Wärmetauschers (4) zu bilden.