DE102012204832A1

DE102012204832A1 - Temperierungseinrichtung, elektrisches System, Verfahren zur Minderung der Kurzschlussgefahr an einer elektrischen Komponente, sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012204832A1
Application number: DE201210204832
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-02
Also published as: WO2013143730A1; EP2831948A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren einer elektrischen Komponente, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit wenigstens einem Hohlraum, in dem Kühlflüssigkeit aufnehmbar oder aufgenommen ist, wobei die Temperierungseinrichtung zum Ablassen der Kühlflüssigkeit (9) wenigstens ein Ventil (3) umfasst, welches mit dem Hohlraum strömungstechnisch verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrisches System, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung und eine elektrische Komponente (1) aufweist; und ein Verfahren zur Minderung der Kurzschlussgefahr an einer elektrischen Komponente (1) sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes elektrisches System aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren einer elektrischen Komponente, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, sowie ein elektrisches System, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung und eine elektrische Komponente aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Minderung der Kurzschlussgefahr an einer elektrischen Komponente und ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes elektrisches System aufweist.
Stand der Technik
Batteriezellen sowie aus Batteriezellen zusammengesetzte Batterien sind weitgehend bekannt. Dabei ist unter einer Batteriezelle sowie auch unter einer aus Batteriezellen zusammengesetzte Batterie jeweils ein Akkumulator zu verstehen, der elektrisch ladbar und entladbar ist. Die Batteriezelle ist dabei eine einzelne galvanische Zelle, die je nach Kombination der Materialien der Elektroden der Zelle eine charakteristische Spannung liefert. Zum Aufbau einer Batterie aus mehreren Batteriezellen werden diese elektrisch in Serie oder parallel geschaltet.
Derartige Energiespeicher werden auch zunehmend in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt, wie zum Beispiel in sogenannten Hybrid- oder Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen sowie in Elektrofahrzeugen.
Es sind zu diesem Zweck insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bekannt, die als wiederaufladbare Energiespeicher, aber auch in anderen mobilen Geräten oder Einrichtungen Anwendung finden. Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch insbesondere zur Elektrifizierung beziehungsweise zur Teilelektrifizierung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen vorgesehen. Die Batterien solcher Fahrzeuge können dabei über einen Generator, der gegebenenfalls auch eine Elektromotorfunktion aufweist, als auch über einen Anschluss an einem externen Netzwerk ladbar sein. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann und im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien ist die Leistungsfähigkeit der Batterie beim Laden und Entladen temperaturabhängig.
Das heißt, dass die Zellen einen definierten Temperaturbereich haben, in dem sie optimal arbeiten. Um den Betrieb in diesem optimalen Temperaturbereich zu gewährleisten, sind Batteriezellen üblicherweise an ein Thermo-Management-System angeschlossen, welches die Batteriezellen beziehungsweise die Batterie je nach Bedarf kühlt oder auch erwärmt.
Ein solches Thermo-Management-System umfasst dabei eine Kühlplatte, auf welcher in einem Modul angeordnet mehrere Zellen einer Batterie angeordnet sein können. Diese Zellen sind elektrisch miteinander verbunden, wobei ihre Unterseiten die Kühlplatte kontaktieren. Die Kühlplatte ist dabei üblicherweise hohl ausgeführt und wird von einem flüssigen Kühlmittel, wie zum Beispiel einem Gemisch aus Wasser und Glykol, durchströmt. Auf Grund des Wärmeaustausches zwischen dem Kühlmittel und den Batteriezellen können diese optimal temperiert werden.
Die meisten verwendeten Kühlmittel sind elektrisch leitfähig. Diese Eigenschaft des Kühlmittels birgt das Risiko der Entstehung eines Kurzschlusses im Fall eines Unfalles eines Kraftfahrzeuges, in dem die Batteriezellen angeordnet sind. Bei einer Undichtigkeit des Kühlsystems ist nicht auszuschließen, dass Kühlflüssigkeit Kontakte der Batteriezellen und/oder einer daraus assemblierten Batterie berühren, so dass es zu Kurzschlüssen und/oder Elektrolyse kommen kann, wobei gefährliches Wasserstoffgas entstehen kann.
Zur Verhinderung von Kurzschlüssen ist aus der DE 10 2008 059 954 A1 bekannt, ein elektrisch isolierendes und Wärme leitendes Medium, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, zwischen der Oberfläche der Kühlplatte und den Bodenflächen der Batteriezellen anzuordnen. Dabei wird jedoch nicht die Gefahr der Kurzschlussbildung bei austretender Kühlflüssigkeit gebannt.
Aus der DE 10 2008 059 943 A1 ist es bekannt, zur Verhinderung von Kurzschlüssen und Elektrolyse eine Kühlflüssigkeit einzusetzen, die völlig frei von Wasser sowie von molekularen Bestandteilen des Wassers ist.
Insbesondere in Elektro- und Hybridfahrzeugen werden außerdem weitere elektrische Komponenten flüssig gekühlt, wie z. B. die Leistungselektronik, Spannungswandler, Klimakompressoren und Elektromotoren.
Diese Komponenten werden üblicherweise in einem sogenannten Hochvoltsystem betrieben, das heißt mit einer Wechselspannung von mehr als 24 V bzw. einer Gleichspannung von mehr als 60 V, und sind bei Undichtigkeit des Kühlsystems anfällig für sicherheitskritische Kurzschlüsse.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren einer elektrischen Komponente, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zur Verfügung gestellt, die wenigstens einen Hohlraum aufweist, in dem Flüssigkeit aufnehmbar oder aufgenommen ist. Es ist dabei vorgesehen, dass die Temperierungseinrichtung zum Ablassen der Kühlflüssigkeit wenigstens ein Ventil umfasst, welches mit dem Hohlraum strömungstechnisch verbunden ist. Die Kühlflüssigkeit in der Temperierungseinrichtung hat dabei derartige Eigenschaften, dass sie nicht nur zum Kühlen der elektrischen Komponente, sondern gegebenenfalls auch zur Erwärmung der elektrischen Komponente genutzt werden kann. Hierfür geeignete Kühlflüssigkeiten sind an sich bekannt, z.B. ein Gemisch aus Wasser und Glykol.
Die elektrische Komponente kann dabei eine Batterie und insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein, und/oder die Leistungselektronik, ein oder mehrere Spannungswandler, Klimakompressoren sowie Elektromotoren, die vorzugsweise im Hochvoltbereich betrieben werden.
Vorteile der Erfindung
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere darin, dass im Fall nicht auszuschließender oder tatsächlicher Beschädigung der Temperierungseinrichtung in einfacher und zuverlässiger Weise die Kühlflüssigkeit aus der Temperierungseinrichtung zumindest teilweise abgelassen und mittels einer geeigneten Leitung oder eines geeigneten Abflusses von der elektrischen Komponente wegtransportiert werden kann, so dass die Gefahr einer Kurzschlussbildung durch Kontaktüberbrückung an der elektrischen Komponente wie z. B. an der Batterie oder an einzelnen Batteriezellen sowie die Gefahr der Elektrolyse stark gemindert bis ausgeschlossen ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Ventil am tiefsten Punkt der Temperierungseinrichtung angeordnet ist. Mit dem tiefsten Punkt ist dabei der geodätisch tiefste Punkt der Temperierungseinrichtung in ihrer bestimmungsgemäßen Gebrauchslage gemeint. Dadurch wird ein schwerkraftbedingtes Auslaufen der Kühlflüssigkeit aus der Temperierungseinrichtung bewirkt. Alternativ ist das Ventil nicht am tiefsten Punkt der Temperierungseinrichtung angeordnet, wobei in dieser Ausführungsvariante eine Einrichtung zum Absaugen der Kühlflüssigkeit angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung einen Aktuator zur automatischen Öffnung des Ventils. Diese Öffnung kann dabei automatisch oder manuell veranlasst sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Temperierungseinrichtung eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Aktuators aufweist. Die Steuereinrichtung dient somit zur Auslösung einer automatisiert oder manuell veranlassten Öffnung des Ventils, um somit automatisch die Kühlflüssigkeit abführen zu können. Das heißt, dass die Steuereinrichtung nach automatisiert oder manuell generiertem Befehl den Betrieb des Aktuators auslöst, der das Ventil öffnet. Die automatisierte Generierung des Öffnungsbefehls kann zum Beispiel durch eine Einheit zur Unfalldetektion erfolgen. Die manuelle Generierung des Öffnungsbefehls kann zum Beispiel durch manuelle Betätigung eines entsprechenden Schalters erfolgen.
Alternativ oder hinzukommend zur Anordnung eines Aktuators zur automatischen Öffnung des Ventils kann die Temperierungseinrichtung auch einen Aktuator zur manuellen Öffnung des Ventils aufweisen. Ein solcher Aktuator zur manuellen Öffnung des Ventils kann zum Beispiel ein kostengünstiges Handrad am Ventil sein.
Im Fall der Anordnung einer Steuereinheit ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Temperierungseinrichtung weiterhin eine mit der Steuereinrichtung signaltechnisch verbundene Eingabeeinrichtung zur Eingabe eines Ventil-Öffnungsbefehls aufweist. Mittels dieser Eingabeeinrichtung kann manuell ein Befehl an die Steuereinrichtung übermittelt werden, dass das Ventil geöffnet werden soll.
Sämtliche Einrichtungen der Temperierungseinrichtung sind dabei bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie nicht nur Befehle zum Öffnen des Ventils generieren beziehungsweise diese umsetzen können, sondern auch umgekehrt Befehle zum Schließen des Ventils generieren beziehungsweise umsetzen können. Insbesondere kann ein jeweiliger Aktuator auch zur manuellen Schließung vorgesehen sein.
Es wird weiterhin ein elektrisches System zur Verfügung gestellt, welches wenigstens eine elektrische Komponente, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, sowie wenigstens eine erfindungsgemäße Temperierungseinrichtung umfasst. Die elektrische Komponente kann dabei eine aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzte Batterie sein, und/oder die Leistungselektronik, ein oder mehrere Spannungswandler, Klimakompressoren sowie ein oder mehrere Elektromotoren.
Das elektrische System oder ein dieses umfassendes Fahrzeug kann weiterhin eine Unfalldetektionseinheit umfassen, die signaltechnisch mit der Steuereinheit gekoppelt ist und im Fall der Erkennung eines Unfalls ein diesbezügliches Signal generiert und an die Steuereinheit sendet. Die Unfalldetektionseinheit kann dabei derart ausgestaltet sein, dass sie bei Erkennung eines Impulses ab einer bestimmten Größe davon ausgeht, dass ein Unfall vorliegt und ein entsprechendes Signal generiert. Die Steuereinheit ist dann derart ausgeführt, dass sie bei Erhalt des Signals über den Unfall automatisch ein Signal zur Öffnung des Ventils generiert. Die Steuereinrichtung kann auch ein Bestandteil eines Batterie-Management-Systems sein.
Es wird außerdem erfindungsgemäß ein Verfahren zur Minderung der Kurzschlussgefahr an einer elektrischen Komponente, insbesondere an einer Lithium-Ionen-Batterie, zur Verfügung gestellt, bei dem bei Erkennung einer potentiellen Gefahrensituation ein Ventil einer zur Temperierung der elektrischen Komponente angeordneten Temperierungseinrichtung geöffnet wird und Kühlflüssigkeit aus der Temperierungseinrichtung von der elektrischen Komponente weggeleitet wird. Die Öffnung des Ventils kann dabei manuell oder auch automatisiert erfolgen. Die automatisierte Öffnung kann durch einen manuell oder auch automatisch generierten Befehl erfolgen.
Die Erfindung ergänzend wird außerdem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes elektrisches System umfasst. Insbesondere wenn das elektrische System eine Batterie ist oder eine solche umfasst, ist vorgesehen, dass diese Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert, wobei die zu temperierende elektrische Komponente beispielhaft eine Batterie 1 ist.
1 zeigt dabei ein erfindungsgemäßes elektrisches System in schematischer Darstellung, und
2 zeigt das in 1 dargestellte elektrische System, ergänzt mit einem Druckausgleichsventil 10.
Wie 1 zeigt, ist in dem erfindungsgemäßen elektrischen System eine Batterie 1 als elektrische Komponente auf einer Kühlplatte 2 angeordnet. Diese Kühlplatte 2 weist einen Hohlraum auf. An diesen Hohlraum der Kühlplatte 2 sind Leitungen 6 angeschlossen. Die Leitungen 6 verbinden den Hohlraum der Kühlplatte 2 mit einem Wärmeübertrager 4 sowie mit einer Pumpe 5. Die Kühlplatte 2 beziehungsweise deren Hohlraum, der Wärmeübertrager 4 und die Pumpe 5 sind dabei strömungstechnisch in einer ringförmigen Reihenschaltung angeordnet. Zumindest im Hohlraum der Kühlplatte 2 ist Kühlflüssigkeit 9 vorhanden, um die auf der Oberfläche der Kühlplatte 2 angeordnete Batterie 1, die üblicherweise aus mehreren Batteriezellen gebildet ist, zu kühlen.
Bei Überhitzung der Batterie 1 wird Wärme der Batterie 1 von der Kühlflüssigkeit 9 in der Kühlplatte 2 aufgenommen und über den Wärmeübertrager 4 an ein weiteres Medium übertragen.
Das in 1 dargestellte Batteriesystem ohne die Batterie 1 entspricht dem erfindungsgemäßen elektrischen System.
Es ist vorgesehen, dass das Temperierungssystem ein Ventil 3 aufweist, mit welchem die Kühlflüssigkeit 9 aus dem Temperierungssystem abgelassen und weggeleitet werden kann.
Es bietet sich dabei an, das Ventil 3 am tiefsten Punkt 8 des Systems anzuordnen. Zu diesem Zweck kann in einer Leitung 6 ein Abzweig 7 integriert sein, in dem das Ventil 3 angeordnet ist.
Bei Erkennung eines Unfalls oder auch einer Unfallgefahr kann das Ventil 3 geöffnet werden, so dass Kühlflüssigkeit 9 aus dem Temperierungssystem beziehungsweise aus dem Batteriesystem herausgelassen und abgeleitet wird. Bei einer unfallbedingten derartigen mechanischen Beschädigung des Temperierungssystems, dass dieses ein Leck aufweist, besteht somit keine Gefahr der Elektrolyse oder eines Kurzschlusses an Kontakten der Batterie 1, da die Kühlflüssigkeit 9 abgeleitet wurde und somit nicht mehr an die Kontakte der Batterie 1 gelangen kann.
In einer weiteren Ausführung kann, wie in 2 dargestellt, vorzugsweise an der höchsten Stelle im Kühlkreislauf ein Druckausgleichsventil 10 angebracht sein, das sich ebenfalls im Falle eines Unfalls oder einer Detektion von Undichtigkeit innerhalb des Gehäuses einer elektrischen Komponente öffnet. Das heißt, dass auch dieses Druckausgleichsventil 10 signaltechnisch mit der Steuerungseinheit gekoppelt sein kann.
Dieses Druckausgleichsventil 10 erlaubt ein schnelles Ablassen der Kühlflüssigkeit durch einen entsprechenden Druckausgleich.
Alternativ oder hinzukommend kann auch eine Druckpatrone das Austreiben der Kühlflüssigkeit aus dem System beschleunigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059954 A1 [0010]
DE 102008059943 A1 [0011]

Claims

Temperierungseinrichtung zum Temperieren einer elektrischen Komponente, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit wenigstens einem Hohlraum, in dem Kühlflüssigkeit aufnehmbar oder aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung zum Ablassen der Kühlflüssigkeit (9) wenigstens ein Ventil (3) umfasst, welches mit dem Hohlraum strömungstechnisch verbunden ist.
Temperierungseinrichtung nach Anspruch 1, an deren tiefsten Punkt (8) das Ventil (3) angeordnet ist.
Temperierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperierungseinrichtung einen Aktuator zur automatischen Öffnung des Ventils (3) aufweist.
Temperierungseinrichtung nach Anspruch 3, die eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Aktuators aufweist.
Temperierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperierungseinrichtung einen Aktuator zur manuellen Öffnung des Ventils (9) aufweist.
Temperierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, die eine mit der Steuereinrichtung signaltechnisch verbundene Eingabeeinrichtung zur Eingabe eines Ventil-Öffnungsbefehls aufweist.
Elektrisches System, umfassend wenigstens eine elektrische Komponente, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, sowie wenigstens eine Temperierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrisches System nach Anspruch 7, welches eine Unfalldetektionseinheit umfasst, die signaltechnisch mit der Steuereinheit gekoppelt ist und im Fall der Erkennung eines Unfalls ein diesbezügliches Signal generiert und an die Steuereinheit sendet.
Verfahren zur Minderung der Kurzschlussgefahr an einer elektrischen Komponente, insbesondere an einer Lithium-Ionen-Batterie, bei dem bei Erkennung einer potentiellen Gefahrensituation ein Ventil (3) einer zur Temperierung der elektrische Komponente (1) angeordneten Temperierungseinrichtung geöffnet wird und Kühlflüssigkeit (9) aus der Temperierungseinrichtung von der elektrischen Komponente (1) weggeleitet wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens ein elektrisches System nach einem der Ansprüche 7 und 8.