DE102011082991B4 - Battery housing, in particular for lithium-ion cells, with a temperature control medium distribution system, battery and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen, insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen, mit einem Temperiermittelverteilsystem, wobei das Temperiermittelverteilsystem im Batteriegehäuse (6) integriert ist und umfasst:einen Temperiermittelzulauf (4) und einen davon getrennten Temperiermittelrücklauf (3), welche jeweils an ihrem einen Ende im Batteriegehäuse (6) geschlossen ausgebildet und an ihrem anderen Ende aus dem Batteriegehäuse (6) herausgeführt sind und jeweils eine Mehrzahl von Anschlüssen (1) für Temperierelemente (7) aufweisen, wobei zwischen Paaren von Anschlüssen (1), bestehend aus einem Anschluss (1) des Temperiermittelzulaufs (4) und einem Anschluss (1) des Temperiermittelrücklaufs (3), Temperierelemente (7) - parallel geschaltet - anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dassder Temperiermittelzulauf (4) und der Temperiermittelrücklauf (3) im Gehäuseboden (14) ausgebildet sind und dieser mindestens eine Montagefläche (13) aufweist, in der die Anschlüsse (1) an den Temperiermittelzulauf (4) und den Temperiermittelrücklauf (3) ausgebildet sind.Battery housing for accommodating a plurality of battery cells, in particular lithium-ion cells, with a temperature control medium distribution system, the temperature control medium distribution system being integrated in the battery housing (6) and comprising: a temperature control medium inlet (4) and a temperature control medium return (3) which are separate therefrom and which are each connected to one end of which is designed to be closed in the battery housing (6) and is led out of the battery housing (6) at the other end and each has a plurality of connections (1) for temperature control elements (7), between pairs of connections (1) consisting of a connection (1) of the temperature control medium inlet (4) and a connection (1) of the temperature control medium return (3), temperature control elements (7) - connected in parallel - can be connected, characterized in that the temperature control medium inlet (4) and the temperature control medium return (3) in the housing base ( 14) and this has at least one mounting surface (13) in which the connections ( 1) are formed on the temperature control medium inlet (4) and the temperature control medium return (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen, mit einem Temperiermittelverteilsystem und eine Batterie, die mit einem derartigen Temperiermittelverteilsystem ausgestattet ist sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein Batteriegehäuse oder eine Batterie der erfindungsgemäßen Art aufweist, welche mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.The present invention relates to a battery housing, in particular for lithium-ion cells, with a temperature control medium distribution system and a battery equipped with such a temperature control medium distribution system, as well as a motor vehicle which has a battery housing or a battery of the type according to the invention which is equipped with a drive system of a motor vehicle connected is.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch im Consumer-Bereich, bei Laptops oder Mobiltelefonen vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.It is becoming apparent that in the future, new battery systems will increasingly be used both in stationary applications such as wind turbines, in motor vehicles designed as hybrid or electric vehicles, and in the consumer sector, in laptops or cell phones high demands are placed on reliability, safety, performance and service life.
Um die Sicherheit und die Funktion von Lithium-Ionen-Batteriepacks zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Lithium-Ionen-Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches zu betreiben. Während des Betriebs der Lithium-Ionen-Zellen entsteht Wärme, nämlich Joulsche Wärme, welche durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand einer Lithium-Ionen-Zelle beschrieben werden kann sowie durch eine Wärmeproduktion aufgrund reversibler Vorgänge in der Lithium-Ionen-Zelle. Diese Wärme muss abgeführt werden, um ein Aufheizen der Lithium-Ionen-Zelle über eine kritische Betriebstemperatur zu vermeiden. Für die Auslegung eines Thermomanagementsystems oder eines Temperiersystems werden in der Regel Lastzyklen herangezogen, mit denen der Temperaturanstieg innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie bei bekannten thermischen Randbedingungen vorhergesagt werden kann.In order to ensure the safety and functionality of lithium-ion battery packs, it is necessary to operate the lithium-ion cells within a specified temperature range. During the operation of the lithium-ion cells, heat is generated, namely Joule heat, which can be described by the electrical current and the internal resistance of a lithium-ion cell as well as by heat production due to reversible processes in the lithium-ion cell. This heat must be dissipated in order to prevent the lithium-ion cell from heating up above a critical operating temperature. For the design of a thermal management system or a temperature control system, load cycles are usually used, with which the temperature rise within the lithium-ion battery can be predicted with known thermal boundary conditions.
Um die Lithium-Ionen-Batterie in günstigen Temperaturbereichen zu betreiben, sind die Lithium-Ionen-Zellen an ein Thermomanagement oder an ein Temperiersystem angeschlossen. Dieses erwärmt die Lithium-Ionen-Zellen, beispielsweise bei einem Start an kalten Tagen oder kühlt sie, beispielsweise während des Betriebes eines Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuges. In vielen technischen Anwendungen werden die Lithium-lonen-Zellen beziehungsweise -Module über ihre Unterseite temperiert. Dazu erfolgt z. B. eine Modulmontage der Lithium-Ionen-Zellen auf fluiddurchströmten Platten, die abhängig vom Grad der geforderten Kühlleistung mit einem Wasser-/Glykolgemisch beziehungsweise mit einem verdampfenden Kältemittel beaufschlagt werden. Bauraumbedingt ist es vielfach notwendig, die Zellenmodule auf mehrere Kühlmittelplatten innerhalb eines Batteriegehäuses zu verteilen. Für den optimalen Batteriebetrieb sind diese Kühlplatten hydraulisch, entsprechend ihrer thermischen Belastungen, abzustimmen. Mittels Verteilerblöcken wird dabei der Kühlmittelmassenstrom aufgeteilt und über flexible Schlauchleitungen den einzelnen Kühlplatten zugeführt. Der Rücklauf wird dementsprechend umgekehrt von jeder Kühlplatte mittels flexibler Schläuche einem zentralen Sammler zugeführt und aus dem Batteriegehäuse geleitet.In order to operate the lithium-ion battery in favorable temperature ranges, the lithium-ion cells are connected to a thermal management system or a temperature control system. This heats the lithium-ion cells, for example when starting on cold days, or cools them, for example when a hybrid or electric vehicle is in operation. In many technical applications, the lithium-ion cells or modules are tempered on their underside. For this purpose z. B. a module assembly of the lithium-ion cells on fluid-flowed plates, which are acted upon with a water / glycol mixture or with an evaporating refrigerant depending on the degree of the required cooling capacity. Due to the installation space, it is often necessary to distribute the cell modules over several coolant plates within a battery housing. For optimal battery operation, these cooling plates must be adjusted hydraulically according to their thermal loads. The coolant mass flow is divided up by means of distributor blocks and fed to the individual cooling plates via flexible hose lines. The return flow is correspondingly fed from each cooling plate to a central collector by means of flexible hoses and guided out of the battery housing.
Nach
Stand der Technik sind bspw.
Anhand des dargestellten Standes der Technik ist ersichtlich, dass der Aufbau eines Kühlsystems innerhalb eines Moduls, bestehend aus Lithium-Ionen-Zellen, bei gleichmäßiger Bestückung mit Lithium-Ionen-Zellen und bei entsprechend unter dem/den Modul/-en angeordneten fluiddurchströmten Kühlplatten oder mittels an den Lithium-Ionen-Zellen angebrachten Rippen zur Kühlung unkompliziert lösbar ist.Based on the prior art shown, it can be seen that the structure of a cooling system within a module, consisting of lithium-ion cells, with uniform equipping with lithium-ion cells and with cooling plates or cooling plates arranged under the module (s) accordingly can be easily removed by means of ribs attached to the lithium-ion cells for cooling.
Eine asymmetrische Bestückung der Module mit Lithium-Ionen-Zellen erfordert jedoch eine möglichst unmittelbare Temperierung mit einer Wärmesenke beziehungsweise einer Wärmequelle, wobei die Verbraucher auf möglichst gleichem Temperaturniveau gehalten werden müssen. Es wäre somit unter Weglassung sonst üblicher Verrohrungen und Verschlauchungen zwischen Kühlplatten und Temperierelementen günstig, die Wärmesenke beziehungsweise -quellen innerhalb des Gehäuses eines Moduls vorzusehen, um angeschlossene Verbraucher zielgerichtet auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu bringen.However, asymmetrical equipping of the modules with lithium-ion cells requires temperature control as directly as possible with a heat sink or a heat source, with the consumers having to be kept at the same temperature level as possible. It would therefore be advantageous, omitting the otherwise usual piping and tubing between cooling plates and temperature control elements, to provide the heat sink or sources within the housing of a module in order to bring connected consumers to a desired temperature level in a targeted manner.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dazu wird ein Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen, insbesondere von. Lithium-Ionen-Zellen mit einem Temperiermittelverteilsystem vorgeschlagen, bei dem das Temperiermittelverteilsystem im Batteriegehäuse integriert ist und es einen Temperiermittelzulauf und einen davon getrennten Temperiermittelrücklauf umfasst, welche jeweils an ihrem freien Ende im Batteriegehäuse geschlossen ausgebildet und an ihrem anderen Ende aus dem Batteriegehäuse herausgeführt sind und jeweils eine Mehrzahl von Anschlüssen für Temperierelemente aufweisen, wobei zwischen Paaren von Anschlüssen, bestehend aus einem Anschluss des Temperiermittelzulaufs und einem Anschluss des Temperiermittelrücklaufs Temperierelemente - parallel geschaltet - anschließbar sind.For this purpose, a battery housing is used to accommodate a plurality of battery cells, especially from. Lithium-ion cells with a Temperiermittelverteilsystem proposed, in which the Temperiermittelverteilsystem is integrated in the battery housing and it comprises a Temperiermittelzulauf and a separate Temperiermittelrücklauf, which are each formed closed at their free end in the battery housing and led out of the battery housing at their other end and each have a plurality of connections for temperature control elements, temperature control elements - connected in parallel - being connectable between pairs of connections consisting of a connection of the temperature control medium inlet and a connection of the temperature control medium return.
Das hat den Vorteil, dass der Bauraum eines Batteriegehäuses frei bleibt von zwischen den Lithium-Ionen-Zellen oder Modulen zu verlegenden Verrohrungen und Verschlauchungen oder von dem Aufbau einer inneren Wärmeleitstruktur zwischen den Lithium-Ionen-Zellen, da der definiert vorgesehene Verlauf eines Temperiermittelzulaufs und eines Temperiermittelrücklaufs in die Gehäuseausbildung eingebunden ist und er es dadurch ermöglicht, Temperierelemente dort zu platzieren, wo sie gebraucht werden. Die Anordnung der Temperierelemente wird dabei zwischen die zu einem Modul zusammengefassten Lithium-Ionen Zellen so vorgesehen oder im Gehäuseinnern platziert, dass alle in einer Batterie enthaltenen Module mit ihren Lithium-Ionen-Zellen oder Bereiche im Gehäuseinnern eine gleichmäßige und technisch zum optimalen Betrieb einer Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen notwendige Umgebungstemperatur erhalten. Zur vorteilhaften Unterstützung einer derartigen variablen Wahlmöglichkeit der Anbringung von Temperierelementen verfügen der Temperiermittelzulauf und der Temperiermittelrücklauf über eine Reihe von Anschlüssen, an welche die Temperierelemente je nach Erfordernis angeschlossen werden können.This has the advantage that the installation space of a battery housing remains free of tubing and tubing to be laid between the lithium-ion cells or modules or of the construction of an internal heat conduction structure between the lithium-ion cells, since the defined course of a temperature control medium inlet and of a temperature control medium return is integrated into the housing design and thereby enables temperature control elements to be placed where they are needed. The arrangement of the temperature control elements is provided between the lithium-ion cells combined to form a module or placed inside the housing in such a way that all modules contained in a battery with their lithium-ion cells or areas inside the housing ensure a uniform and technically optimal operation of a battery maintain the necessary ambient temperature with lithium-ion cells. To advantageously support such a variable option of attaching temperature control elements, the temperature control medium inlet and the temperature control medium return have a number of connections to which the temperature control elements can be connected as required.
In einer Ausbildung zur Anordnung eines Temperiermittelzulaufs und eines Temperiermittelrücklaufs befinden sich diese in der Wandung des Batteriegehäuses, wobei die Anschlüsse an ihnen für Temperierelemente vom Inneren des Batteriegehäuses zugänglich sind.In one embodiment for the arrangement of a temperature control medium inlet and a temperature control medium return flow, these are located in the wall of the battery housing, the connections on them being accessible for temperature control elements from the interior of the battery housing.
Damit kann der Aufbau eines oder mehrerer zu temperierender Module, die aus Lithium-Ionen-Zellen zusammengesetzt sind, zu einer Batterie vorgenommen werden, wobei durch die Integration des Temperiermittelverteilsystems in eine Wandgestaltung des Batteriegehäuses Module äußerst platzsparend positioniert werden können.This means that one or more modules to be temperature-controlled, which are composed of lithium-ion cells, can be built into a battery, whereby modules can be positioned in an extremely space-saving manner by integrating the temperature control medium distribution system into a wall design of the battery housing.
Hinzukommend wird dazu vorgesehen, dass der Temperiermittelzulauf im Zentrum einer ersten Seite des Batteriegehäuses geführt ist und der Temperiermittelrücklauf entlang der diese erste Seite umschließenden Wände des Batteriegehäuses geführt wird.In addition, it is provided that the temperature control medium inlet is routed in the center of a first side of the battery housing and the temperature control medium return line is routed along the walls of the battery housing surrounding this first side.
Damit sind optimale Anordnungen von Temperierelementen, die auch ohne unmittelbaren Kontakt mit Lithium-Ionen-Zellen im Batteriegehäuse notwendig sein können, möglich und es ist immer eine gleichmäßige Temperierung der Temperierelemente - durch ihre parallele Verschaltung zueinander - gegeben. This enables optimal arrangements of temperature control elements, which may also be necessary without direct contact with lithium-ion cells in the battery housing, and the temperature control elements are always evenly controlled due to their parallel interconnection.
Die im Batteriegehäuse zueinander parallel beabstandeten Verläufe von Temperiermittelzulauf und Temperiermittelrücklauf sind derart vorgenommen, dass damit der Ausdehnung eines Temperierelementes entlang einer ersten Achse entsprochen wird. Das heißt, dass die Auslegung eines Temperierelementes vorteilhafterweise immer einen Anschluss am Temperiermittelzulauf und am Temperiermittelrücklauf erreicht, sei es, dass ein Temperierelement in alleiniger Anordnung in den Kühlmittelkreislauf oder gemeinsam mit Lithium-Ionen-Zellen in einem Modul eingebunden ist.The courses of temperature control medium inlet and temperature control medium return, which are spaced parallel to one another in the battery housing, are made in such a way that the expansion of a temperature control element along a first axis is corresponded to. This means that the design of a temperature control element advantageously always achieves a connection to the temperature control medium inlet and the temperature control medium return, be it that a temperature control element is integrated into the coolant circuit alone or together with lithium-ion cells in a module.
Alternative Verläufe sowohl von Temperiermittelzulauf als auch von Temperiermittelrücklauf bieten ihre Ausbildungen in U- oder in I-Form. Dadurch ist es möglich, in vorteilhafter Weise die Anordnung von Modulen, bestehend aus Lithium-Ionen-Zellen, entweder in die Nähe einer Wand eines Batteriegehäuses auszurichten (I-Form) oder durch eine Einbindung des Temperiermittelzulaufes und des Temperiermittelrücklaufes in einen Gehäuseboden (U-Form) parallele Reihen von Modulen und mit ihnen in Wirkverbindung stehende Temperierelemente zu schaffen.Alternative courses of both the temperature control medium supply and the temperature control medium return flow are U- or I-shaped. This makes it possible, in an advantageous manner, to align the arrangement of modules, consisting of lithium-ion cells, either in the vicinity of a wall of a battery housing (I-shape) or by integrating the temperature control medium inlet and the temperature control medium return in a housing base (U- Form) to create parallel rows of modules and temperature control elements that are operatively connected to them.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung stellt die Integrierung von Ventilen in die Anschlüsse für die Temperierelemente dar.Another embodiment of the invention is the integration of valves in the connections for the temperature control elements.
Damit kann ein Modul, welches durch ein Thermomanagement überwacht wird, bedarfsweise durch Öffnen oder Schließen erwärmt oder gekühlt werden, damit einheitlich in gegebenenfalls weiteren Modulen und in der Umgebung des/der Moduls/-e gleiche Temperaturverhältnisse herrschen.In this way, a module that is monitored by thermal management can be heated or cooled if necessary by opening or closing so that the same temperature conditions prevail uniformly in any further modules and in the vicinity of the module (s).
Zur Realisierung einer solchen Zuschaltbarkeit sind die Ventile als separat ansteuerbare Drosselventile ausgebildet.In order to realize such connectability, the valves are designed as separately controllable throttle valves.
Das Batteriegehäuse ist derart in erfinderischer Weise ausgelegt, dass das Temperiermittelverteilsystem genau einen Temperiermittelzulauf und genau einen Temperiermittelrücklauf aufweist.The battery housing is designed in an inventive manner in such a way that the temperature control medium distribution system has exactly one temperature control medium inlet and exactly one temperature control medium return.
Dabei ist das Batteriegehäuse erfindungsgemäß in seinem Gehäuseboden so ausgelegt sein, dass sich Temperiermittelzulauf und Temperiermittelrücklauf im Gehäuseboden befinden und diese in eine Montagefläche eingebunden sind, in welcher die Anschlüsse an den Temperiermittelzulauf und den Temperiermittelrücklauf vorhanden sind. Es ist dann möglich, dass Montageflächen für einen weiteren Moduleinbau im Gehäuseboden vorbereitet sein können, wobei die bereits vorhandenen Anschlüsse für einen Temperiermittelzulauf und einen Temperiermittelrücklauf blind geschlossen oder an ihnen wärmetechnisch isolierte Dummies angebracht sind.According to the invention, the battery housing is designed in its housing base so that the temperature control medium supply and The temperature control medium return is located in the bottom of the housing and these are integrated into a mounting surface in which the connections to the temperature control medium inlet and the temperature control medium return are available. It is then possible that mounting surfaces can be prepared for a further module installation in the housing base, the existing connections for a temperature control medium inlet and a temperature control medium return being blindly closed or thermally insulated dummies attached to them.
Eine Batterie, bestehend aus insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, umfasst dabei: ein Batteriegehäuse mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Temperierelemente, wobei ein erster Anschluss eines Temperierelementes mit einem Anschluss des Temperiermittelzulaufs und ein zweiter Anschluss eines Temperierelementes mit einem Anschluss des Temperiermittelrücklaufs verbunden ist; und mindestens eine Lithium-Ionen-Zelle in direktem Kontakt mit einem Temperierelement steht.A battery, consisting in particular of lithium-ion cells, comprises: a battery housing with a plurality of temperature control elements connected in parallel, a first connection of a temperature control element being connected to a connection of the temperature control medium inlet and a second connection of a temperature control element being connected to a connection of the temperature control medium return flow; and at least one lithium-ion cell is in direct contact with a temperature control element.
Das Batteriegehäuse einer erfindungsgemäß gestalteten Batterie nimmt vorteilhafterweise parallel geschaltete Temperierelemente in einem festgelegten Verlauf des Temperiermittelzulaufs und des Temperiermittelrücklaufs so auf, dass ihre Temperierfunktion in unmittelbaren Kontakt mit mindestens einer Lithium-Ionen-Zelle stattfindet oder der zur Verfügung stehende Bauraum allein durch den Einbau eines Temperierelementes an den Anschlüssen des Temperiermittelzulaufs und Temperiermittelrücklaufs gekühlt oder erwärmt wird. Damit wird ein nicht erwünschtes Temperaturgefälle innerhalb des Bauraums eines Batteriegehäuses der Batterie ausgeschlossen.The battery housing of a battery designed according to the invention advantageously accommodates temperature control elements connected in parallel in a defined course of the temperature control medium inlet and the temperature control medium return flow in such a way that their temperature control function takes place in direct contact with at least one lithium-ion cell or the available installation space is solely due to the installation of a temperature control element is cooled or heated at the connections of the temperature control medium inlet and temperature control medium return. In this way, an undesired temperature gradient within the installation space of a battery housing of the battery is excluded.
Die Erfindung wird ergänzt durch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch antreibbares, welches ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse für ein oder mehrere Modul/-e einer Batterie, bestehend aus Lithium-Ionen-Zellen, umfasst, wobei eine solche Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.The invention is supplemented by a motor vehicle, in particular one that can be driven by an electric motor, which comprises a battery housing according to the invention for one or more modules of a battery consisting of lithium-ion cells, such a battery being connected to a drive system of the motor vehicle.
Ein mit einer erfindungsgemäß ausgelegten Batterie ausgerüstetes Kraftfahrzeug erlangt einen höheren Gebrauchswert und es werden Kosten bei der Instandhaltung und/oder Wiederbeschaffung einer solchen Batterie eingespart.A motor vehicle equipped with a battery designed according to the invention has a higher utility value and costs are saved in the maintenance and / or replacement of such a battery.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Innenansicht als Aufsicht für ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse in Form eines U-Verlaufes von Temperiermittelzulauf und Temperiermittelrücklauf, -
2 eine Innenansicht als Aufsicht für ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse in Form eines I-Verlaufes von Temperiermittelzulauf und Temperiermittelrücklauf, und -
3 eine Seitenansicht im Schnitt eines Batteriegehäuses mit der Anordnung von Lithium-Ionen-Zellen im U-Verlauf von Temperiermittelzulauf und Temperiermittelrücklauf.
-
1 an interior view as a plan view for a battery housing according to the invention in the form of a U-profile of temperature control medium inlet and temperature control medium return, -
2 an interior view as a plan view of a battery housing according to the invention in the form of an I-course of temperature control medium inlet and temperature control medium return, and -
3 a side view in section of a battery housing with the arrangement of lithium-ion cells in the U-course of temperature control medium inlet and temperature control medium return.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Nach
Die Abstände zwischen den jeweiligen Anschlüssen
In
Aus
Auf den Temperierelementen
In direktem Kontakt mit den Lithium-Ionen-Zellen
Die stationär in der Wandung des Batteriegehäuses
In
Erfindungsgemäß ist also ein Batteriegehäuse
An Temperiermittelzulauf beziehungsweise Temperiermittelrücklauf
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