DE102011106690A1

DE102011106690A1 - Batterien mit Phasenwechselmaterialien

Info

Publication number: DE102011106690A1
Application number: DE201110106690
Authority: DE
Inventors: Jihui Yang; Steven Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN104900937B; CN102376975A; CN104900937A; DE102011106690B4; US8936864B2; US20120171523A1

Abstract

Ein Batteriesatz mit Phasenwechselmaterialien (PCM). Die PCM würden die Erwärmungs- und Kühleigenschaften unter verschiedenen Fahrzeugbetriebsbedingungen verbessern. Es werden auch Verfahren zum Steuern der Temperatur in Batteriesätzen beschrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung, Seriennummer 61/362,058, eingereicht am 7. Juli 2010.
Diese Erfindung betrifft allgemein Batteriesätze und insbesondere Batteriesätze unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien und Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Batteriesatz unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials.
Die meisten Personenkraftfahrzeuge sind etwa 90% der Zeit geparkt. Im Allgemeinen sind sowohl Energie (Entladekapazität) als auch Leistung (Betriebsspannung) von Li-Ionen-Batterien wesentlich verringert, wenn die Temperatur unter etwa –10C fällt. Bei höherer Temperatur (über etwa 45C) ist die Batterielebensdauer wesentlich verschlechtert. Derzeitigen flüssigkeitsbasierten Li-Ionen-Batteriekühlsystemen für Fahrzeuge fehlt die Fähigkeit zu schneller Wärmeableitung während Wärmeinstabilität der Batterien.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Figur zeigt eine Ausführungsform eines Teils eines Batteriesatzes.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Eine Batterie, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, mit Phasenwechselmaterialien (PCM, kurz vom engl. Phase Change Materials) würde die Erwärmungs- und Kühleigenschaften unter verschiedenen Fahrzeugbetriebsbedingungen verbessern. Die PCM könnten dazu beitragen, unnötige Betriebstemperaturschwankungen zu minimieren, die Gleichmäßigkeit von Erwärmen und Kühlen zu verstärken und Erwärmungs- und Kühlanforderungen zu verringern.
PCM nutzende Batterien können die Temperaturausschläge steuern und die Temperaturgleichmäßigkeit ohne – oder mit verringertem Einsatz von – aktiven Kühlkomponenten wie etwa Ventilatoren, Gebläsen oder Pumpen, die sich in Luft-/Flüssigkeitskühlsystemen finden, halten. Dadurch kann ein kompaktes, leichtes und energieeffizientes System verwirklicht werden und der Energieverbrauch mit Batterielebensdauer und Leistung während des gesamten Betriebsbereichs des elektrischen Hybridfahrzeugs (HEV, kurz vom engl. Hybrid Electric Vehicle)/Steckdosenfahrzeugs (PEV, kurz vom engl. Plug-In Electric Vehicle) können optimiert werden.
Die Wärmeeigenschaften von verschiedenen PCM und Verfahren für Wärmeübertragungsverbesserung werden bei Kenisarin und Mahkamov, "Solar energy storage using Phase change materials," Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1913–1965, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben. Die Tabellen 1–3 zeigen Eigenschaften von einigen handelsüblichen PCM.
Die Figur zeigt eine Ausführungsform eines Teils eines Batteriesatzes 10. Der Batteriesatz 10 weist einen Endrahmen 15 und einen Wiederholungsrahmen 20 auf. Der Endrahmen 15 kann einen Kantenabschnitt 25 aufweisen, der eine Kühlplatte 30 umgibt. Die Kühlplatte 30 für den Endrahmen kann bei Bedarf Lamellen für zusätzliche Stabilität aufweisen. Es sind Batteriezellen 35, Kühlrippen 40 und komprimierbare Isolatorplatten 45 vorhanden. Der Batteriesatz 10 umfasst typischerweise ein oder mehrere Batteriezellen 35, ein oder mehrere komprimierbare Isolatorplatten 45, ein oder mehrere Kühlrippen 40 und ein oder mehrere Wiederholungsrahmen 15. Die komprimierbaren Isolatorplatten 45 und Kühlrippen 40 befinden sich neben den Batteriezellen 35. Die komprimierbaren Isolatorplatten 45 und Kühlrippen 40 sind wünschenswerterweise an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 35 angeordnet, wenngleich dies nicht erforderlich ist. Die komprimierbaren Isolatorplatten 45 stehen typischerweise mit der Batteriezelle 35 in Kontakt, müssen es aber nicht. Wenn zum Beispiel ein sehr großer Kühlbetrag erforderlich ist, könnte sich an beiden Seiten der Batteriezelle 35 eine Kühlrippe 40 befinden und die komprimierbare Isolatorplatte 45 könnte mit den Kühlrippen 40 in Kontakt stehen. Es könnten verschiedene Anordnungen der Komponenten des Batteriesatzes 10 verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
Die komprimierbare Isolatorplatte 45 absorbiert während des Zyklusverlaufs die Zellenexpansion, so dass die Zelle eine erwünschte Zellenkompression beibehalten kann. Das Material sollte langfristige Druckfestigkeit und thermische Leistung aufweisen. Geeignete Materialien umfassen komprimierbare Schaumstoffe, sind aber nicht darauf beschränkt. Geeignete komprimierbare Schaumstoffe umfassen Polystyrolschaum, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein Beispiel für einen geeigneten Schaum ist die von The Dow Chemical Co. erhältliche Isolierung Styrofoam^TM Marke Highload^TM 100 (z. B. Typ V), die eine Mindestdruckfestigkeit von 100 psi (690 kPa) aufweist.
In der komprimierbaren Isolatorplatte 45 des Batteriesatzes sind mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) und wünschenswerterweise mindestens zwei unterschiedliche PCM vorhanden, um ein thermisches Verbundelement zu bilden. Die PCM sind Materialien, die bei bestimmten Temperaturen die Phase wechseln und große Mengen an Energie speichern und freisetzen können. Wenn die Materialien die Phase wechseln, zum Beispiel von fest zu flüssig oder von flüssig zu fest, wird Wärme absorbiert oder freigesetzt. Ein PCM könnte zum Beispiel seine Phase bei einem niedrigen Temperaturgrenzwert, z. B. bei etwa Gefrieren oder darunter (z. B. unter etwa 0C oder unter etwa –5C oder unter etwa –10C oder etwa –10C oder in einem Bereich von etwa 0C bis etwa –10C) wechseln und ein anderes bei einem hohen Temperaturgrenzwert (z. B. über etwa 40C oder über etwa 45C). Die Wärmeisolierung von Batteriezellen, die PCM verwenden, kann die Batteriezellentemperatur über längere Zeiträume unter extremen Temperaturbedingungen halten. Zusätzliche PCM mit anderen Phasenwechseltemperaturen können bei Bedarf ebenfalls enthalten sein.
Die PCM haben wünschenswerterweise Phasenwechseltemperaturen nahe den Solltemperaturen und große Wärmekapazitätswerte. Auch wenn es sich bei diesen um vorgeschlagene Temperaturen (Bereiche) handelt, können bei Bedarf andere Temperaturen (Bereiche) gewählt werden, wie dem Fachmann bekannt ist. In jedem erwünschten Temperaturbereich von etwa –10C bis etwa 190C stehen eine große Zahl von PCM zur Verfügung.
Die Verwendung von PCM ermöglicht es, die Zellentemperatur in einem erwünschten Temperaturbereich zu halten, ohne von der Batterie oder einer anderen Energiequelle Leistung abzuziehen. Sie verbessert auch den Zellenzyklus/die kalendarische Lebensdauer unter extremen Parkbedingungen.
PCM in engem Kontakt mit den Batteriezellen können zu einem oder mehreren der folgenden führen: verringertes Leistungsnachlassen, verringertes Kapazitätsnachlassen, verbesserte Batterielebensdauer und -haltbarkeit, verringerte Garantiekosten, verbesserte Reichweite des Fahrzeugs und Verhindern oder Verringern von thermischer Instabilität.
Die Endrahmen 15 und die Wiederholungsrahmen 20 für den Batteriesatz 10 bestehen typischerweise aus einem nicht leitenden Material geringen Gewichts. Geeignete Materialien umfassen Kunststoffe, wie etwa Polypropylen, Nylon 6-6 und andere kostengünstige Materialien, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Rahmen 15 können bei Bedarf für bauliche Festigkeit faserverstärkt sein.
Die Kühlrippen 40 können abhängig vom Kühlbedarf der jeweiligen Anwendung einzelne Platten oder mehrschichtige Strukturen sein. Die Kühlrippen 40 können aus einem beliebigen herkömmlichen Kühlmaterial bestehen. Geeignete Materialien umfassen Wärmeleiter geringen Gewichts wie etwa Aluminium, Aluminiumoxid, Kupfer, Aluminiumsiliciumcarbid, Berylliumoxid und dergleichen, oder Sandwichstrukturen aus zwei Wärmeleitern geringen Gewichts, die durch eine Schicht aus komprimierbarem Schaum oder einem anderen Expansionskompensator getrennt sind, um ein durch den Ladezustand, das Erwärmen und Abkühlen der Zellen hervorgerufenes Ausdehnen und Zusammenziehen der Batteriezellen 35 an einer Seite der Kühlrippe 40 zu ermöglichen, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei Bedarf kann integrierte Wärmerohrtechnologie enthalten sein. Bei Bedarf kann ein Film für elektrische Isolierung auf der Kühlrippe 40 vorhanden sein. Ferner könnte eine Schaumplatte mit PCM auf den Kühlrippen 40 vorhanden sein. Das PCM in der Schaumplatte auf der Kühlrippe 40 würde wahrscheinlich die gleiche Phasenwechseltemperatur wie das PCM in der komprimierbaren Isolatorplatte 45 haben, wenngleich dies nicht erforderlich ist.
Die Kühlrippen 40 können durch Luft oder Flüssigkeit gekühlt/erwärmt sein. Für Luftkühlen/-erwärmung kann die Kühlrippe einfach eine flache Metallplatte sein. Für Flüssigkeitskühlung/-erwärmung weisen die Rippen Kühlmittelkanäle zwischen zwei verschweißten Metallplatten sowie Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe auf. Die Kühlmitteleinlässe und -auslässe können einzeln mit einem Verteiler für Kühlmittelumwälzung verbunden sein oder sie können sich von den Rippen in ohrförmigen Merkmalen 50 erstrecken, wie in der U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/774,873, die am 6. Mai 2010 mit dem Titel Ease-To-Assemble Battery Pack With Prismatic Battery Cells eingereicht wurde; und der U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/853620, die am 10. August 2010 mit dem Titel Integrated Cooling Fin And Frame eingereicht wurde, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, beschrieben ist. Um den Spalt zwischen den Kühlrippen 40 zu füllen und eine ordnungsgemäße Kühlmittelabdichtung vorzusehen, können die ohrartigen Verlängerungen 50 mit Kunststoff geformt sein, der abdichtbar ist, oder Gummidichtungen um die Öffnungen für Kühlmittel aufweisen. Das Kühlmittel kann so leicht in Endplatten des Stapels eingeleitet und daraus abgeführt werden. An den Fluideinlässen und -auslässen sind Fluidverteiler angebracht, um das Kühlfluid durch die Kühlkanäle zu verteilen. Die Verteiler können nach Bedarf an die Fluideinlässe und -auslässe hartgelötet werden. Alternativ können die Verteiler unter Verwendung einer abnehmbaren Verbindung, etwa mit Dichtungen, verbunden werden. Die Verwendung von abnehmbaren Verbindungen verbessert die Wartungsfreundlichkeit.
PCM können in dem flüssigen Kühlmittel mit einer bei einer höheren Temperatur (z. B. über etwa 100C oder über etwa 150C oder etwa 100C bis etwa 200C oder etwa 150C bis etwa 200C) liegenden Phasenwechseltemperatur enthalten sein. Das flüssige Kühlmittel mit PCM-Zusätzen, die bei bestimmten Temperaturen schmelzen und fest werden, die große Mengen an Energie speichern und freisetzen können, kann einen katastrophalen Batterieausfall verhindern.
In einer anderen Ausführungsform können aufgrund höherer Steifigkeit die Kühlrippen 40 die primären strukturellen und positionierenden Elemente des Stapels zum Halten von Batteriezellen sein (statt Verwenden der Wiederholungsrahmen), wie in der U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/774,873 beschrieben ist. Bei dieser Anordnung kann der Stapel nach dem Zusammenpressen in abnehmbaren Fixierungen aufgenommen werden, einschließlich aber nicht ausschließlich Festklemmen mit Bolzen oder Zugankern, Umwickeln mit Metallstreifen oder Verpacken in einer harten Schale für die Endmontage, was das Gewicht und die Kosten von Wiederholungsrahmen sowie Montagezeit einspart. Beim Wiederaufarbeiten kann der Stapel aufgrund der schweißfreien Montage mühelos zerlegt werden, und etwaige defekte Zeilen oder andere Komponenten können bei minimalem Zeit- und Kostenaufwand ausgetauscht werden.
Ferner könnten PCM für verschiedene Leistungselektronikbauteile für den Batteriesatz 10 enthalten sein, einschließlich aber nicht ausschließlich der Batterie-Trenneinheit (BDU, kurz vom engl. Battery Disconnect Unit), das Batteriemanagementsystem (BMS) und dergleichen. Derzeit werden diese Bauteile in flüssigkeitsgekühlten Batteriesätzen nicht gekühlt. Sie befinden sich aber sehr nahe an den Batteriezellenmodulen, die nahe gelegene Zellen aufheizen könnten. Dies kannte dadurch eine ungleichmäßige Verschlechterung der Zellen erzeugen und ein Ungleichgewicht zwischen ihnen hervorrufen. Eine PCM enthaltende Unterlage könnte unter die Steuerhardware der BDU oder des BMS gesetzt werden.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, einen Batteriesatz zu kühlen, wenn ein den Batteriesatz 10 enthaltendes Fahrzeug bei hoher Temperatur längere Zeit geparkt wird (z. B. im Sommer auf einem nicht überdachten Langzeitparkplatz in Arizona). Ein anderer Vorteil ist das Mindern oder Aufheben der Notwendigkeit eines Flüssigkeits- oder Luftkühlsystems in dem Batteriesatz. Der Verzicht auf das Kühlsystem würde das Entfernen von Komponenten wie etwa des Kühlmittelbehälters, der Kühlmittelpumpe und von Kühlmittelschläuchen für ein flüssigkeitsgekühltes System oder von Ventilatoren und Luftkanälen für ein luftgekühltes System ermöglichen.
Zu beachten ist, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht genutzt werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggebend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, aber nicht genutzt werden missen.
Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin genutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße ”Vorrichtung” eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hierin genutzt wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zugeordnet sein kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch genutzt, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem genannten Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen.
Nach erfolgter ausführlicher Beschreibung der Erfindung unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen derselben versteht sich, dass Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen. Auch wenn im Einzelnen einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, soll die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt sein.
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 Nicht-Patentliteratur

Kenisarin und Mahkamov, ”Solar energy storage using Phase change materials,” Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1913–1965 [0007]

Claims

Batteriesatz, umfassend: eine Batteriezelle; und eine ein Phasenwechselmaterial enthaltende komprimierbare Isolatorplatte neben der Batteriezelle.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von flüssig zu fest bei einer Temperatur von unter etwa 0C aufweist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von fest zu flüssig bei einer Temperatur von über etwa 40C aufweist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die komprimierbare Isolatorplatte mindestens zwei Phasenwechselmaterialien enthält.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei das erste Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von flüssig zu fest bei einer Temperatur von unter etwa 0C aufweist und das zweite Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von fest zu flüssig bei einer Temperatur von über etwa 40C aufweist.
Verfahren zum Steuern von Temperatur in einem Batteriesatz, umfassend: Vorsehen einer Batteriezelle; Vorsehen einer ein Phasenwechselmaterial enthaltenden komprimierbaren Isolatorplatte neben der Batteriezelle.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von flüssig zu fest bei einer Temperatur von unter etwa 0C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von fest zu flüssig bei einer Temperatur von über etwa 40C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die komprimierbare Isolatorplatte mindestens zwei Phasenwechselmaterialien enthält.
Batteriesatz, umfassend: eine Batteriezelle; eine Batterie-Trenneinheit oder ein Batteriemanagementsystem oder beides; und eine ein Phasenwechselmaterial enthaltende Unterlage in Kontakt mit der Batterie-Trenneinheit oder dem Batteriemanagementsystem oder beiden.