DE102012209306B4

DE102012209306B4 - Kühlsystem für Batteriezellen

Info

Publication number: DE102012209306B4
Application number: DE102012209306.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Freese; Christian Pankiewitz; Xiaofeng Yan
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2032-06-02
Also published as: JP6226436B2; CN104364933B; CN104364933A; US20150171493A1; JP2015525442A; WO2013178578A1; DE102012209306A1

Abstract

Kühlsystem für wenigstens eine Batteriezelle (28),insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle,mit einer der wenigstens einen Batteriezelle (28) zugeordneten Kühleinrichtung mit Kühlelementen, wobei die Kühleinrichtungmit einem externen Kühlsystem so in Verbindung steht, dass das im externen Kühlsystem enthaltene Kühlmittel auchim Fehlerfall nicht zu der Batteriezelle (28) gelangen kann, wobei mehrere Batteriezellen (28) vorhanden sind, dieein Batteriepack oder eine Batterie bilden undvon einem gemeinsamen Gehäuse (31) umgeben sind, unddas externe Kühlsystem eine Kühlplatte (30) ist, welche in der Art in das Gehäuse (31) integriert ist, dassdie Kühlplatte (30) in einer Aussparung des Gehäuses (31) eingelegt ist, wobei die Batteriezellen (28) über eine wärmeleitende Feuchtigkeitsbarriere (29) mit der Kühlplatte (30) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Batteriezellen, insbesondere für Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Vielzahl von Batteriezellen
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sowie im Consumerbereich, beispielsweise bei Laptops oder Mobiltelefonen vermehrt neue Batteriesysteme mit zum Einsatz kommen, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Besonders bei Lithium-lonen-Batteriepacks ist es zur Gewährleistung von Sicherheit und Funktion erforderlich, die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während des Betriebs der Zellen entsteht Wärme, insbesondere Joulsche Wärme, die durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Außerdem entsteht Wärme aufgrund reversibler Vorgänge in der Zelle. Diese entstehende Wärme muss abgeführt werden um ein Aufheizen der Zelle über eine kritische Betriebstemperatur zu vermeiden. Es ist daher bekannt, ein Thermomanagementsystem für Lithium-Ionen-Batteriepacks heranzuziehen. Dabei werden für dessen Auslegung üblicherweise Lastzyklen herangezogen, mit denen der Temperaturanstieg innerhalb der Batterie bei bekannten thermischen Randbedingungen vorhergesagt werden kann.
Um die Batterie in optimalen Temperaturbereichen zu betreiben sind Zellen an ein Thermomanagementsystem angeschlossen. Dieses erwärmt die Zellen, wenn sie beispielsweise nach dem Start an kalten Tagen noch unterhalb einer gewünschten Temperatur liegen oder kühlt die Zellen, insbesondere während des normalen Betriebs. Dabei ist bekannt, die Zellen beziehungsweise die Zellmodule über die Zellunterseite zu temperieren. Dazu erfolgt beispielsweise eine Montage der Module auf fluiddurchströmten Platten, die abhängig vom Grad der geforderten Kühlleistung mit Wasser/Glykol-Gemischen bzw. mit verdampfenden Kältemitteln beaufschlagt werden.
In modernen Fahrzeugen sind häufig Klimaanlagen vorhanden, die ebenso wie das Kühlsystem einer Batterie mit flüssigem Kältemittel arbeiten. Hierbei handelt es sich jedoch im allgemeinen nicht um Wasser-Glykol-Gemische sondern um spezielle Kältemittel. Diese weisen teilweise unerwünschte Eigenschaften auf und können bei Verbrennung ungewünschte Fluor-Wasserstoff-Verbindungen erzeugen.
Stand der Technik hierfür sind bspw. die nachveröffentlichte Druckschrift EP 2 541 668 A1 , sowie die beiden Druckschriften DE 10 2007 010 750 B3 und EP 2 362 463 A2 .
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Temperiersystem für eine Batterie bzw. ein Batteriemodul vorgeschlagen, das einen Wärmeträger aufweist, um die Abwärme von der Batterie bei der Abkühlung abzuführen. Dieses Temperiersystem ist in vorteilhafter Weise mit einer in modernen Autos ohnehin vorhandenen Klimaanlage kombiniert. Diese auf Basis von Kältemittel arbeitende Klimaanlage ist dabei in vorteilhafter Weise so abgewandelt, dass Probleme mit der Dichtheit vermieden werden. Kältemittelkreisläufe sind wegen zahlreicher Anschluss- oder Verbindungselementen in der Kältemittel führenden Rohrleitung oder wegen möglicher Beschädigung der dünnwandigen Bauteile nicht 100 % abdichtbar, weshalb Klimaanlagen regelmäßig gewartet werden müssen.
Damit eine solche Klimaanlage mit einem entzündbaren Kühlmittel betrieben werden kann und gleichzeitig zur Kühlung von Batterien einschließlich der zugehörenden Leistungselektronik sowie der erforderlichen Verbindungen, die im Betrieb heiß werden können, sind besondere Maßnahmen zu treffen, die eine vorteilhafte sichere und zuverlässige Batteriekühlung ermöglichen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass durch diese Maßnahmen sicher verhindert wird, dass sich unabhängig vom eingesetzten Kühlmittel brennbare Gase an einer Stelle des Kühlsystems ansammeln können.
Es ist somit ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, mittels eines erweiterten Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage eine Kühlung der Batteriezellen zu ermöglichen, ohne dass die im Stand der Technik beschriebenen Probleme auftreten können.
In vorteilhafter Weise wird dieser Vorteil erzielt, indem die Kühlelemente außerhalb des Batteriegehäuses angebracht werden. Dabei stehen die Batteriezellen und /oder die Batterie selbst auf einem wärmeleitenden Material. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dient dieses wärmeleitende Material gleichzeitig als Gehäusewand.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die Kühlelemente auf der außen liegenden Seite dieser Gehäusewand angebracht. Dadurch werden die die Zellen dann durch die Gehäusewand temperieren. Da das Kühlsystem bei allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen außerhalb des Batteriesystems liegt, kann sich gegebenenfalls entweichendes Kühlmittel in die umgebende Luft verflüchtigen und es kann in vorteilhafter Weise ausgeschlossen werden, dass sich aus dem Kühlmittel heraus innerhalb des Batteriepacks Gasansammlungen bilden.
Bei der vorteilhaften Nutzung der Klimaanlage zur Kühlung der Batterien reduziert sich der Energieverbrauch zur Kühlung der Batterie und des Fahrerraums in vorteilhafter Weise.
Figurenliste

In 1 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie der Anschluss einer Zellkühlung an das Klimasystem einer Klimaanlage prinzipiell erfolgen kann. In den 2 bis 4 sind drei Ausführungsbeispiele dargestellt. Dabei zeigen im Einzelnen: 2 ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem extern angebrachten Thermomanagementelement und einem Gehäuse aus wärmeleitendem Material, 3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Variante mit Feuchtigkeitsbarriere, bei dem das Thermoelement oder Thermomanagement-Element als Teil des Gehäuses ausgebildet ist und 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das Thermoelement als Teil des Gehäuses mit Vorlauf- und Rücklaufanschluss von außen ausgebildet ist.

Die drei Ausführungsbeispiele erlauben das Kühlsystem der Klimaanlage mit einem für Klimaanlagen typischen Kühlmittel zu befüllen und zur Temperierung der Batteriezellen zu nutzen, wobei kein Kühlmittel durch den Batteriepack fließt.
In 1 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie eine Zellkühlung an das Klimasystem einer Klimaanlage angeschlossen werden kann. Damit lässt sich ein Anschluss der Zellkühlung einer in einem Fahrzeug eingesetzten Batterie an das Kühlsystem der Klimaanlage des Fahrzeugs realisieren.
Im Einzelnen bezeichnet 10 ein Batteriepack, das mehrere Zellen 11 auf einer Kühlplatte aufweist. Das Kühlsystem umfasst weiterhin einen Wärmetauscher 13, beispielsweise ein Verdampfer mit Anschluss an die Innenraumlüftung, ein Regelventil 14 zwischen dem Wärmetauscher 13 und dem Kühlplattenanschluss 15a sowie ein Regelventil 16, eine Pumpe 17, einen Wärmetauscher 18, der als Kondensator arbeitet sowie einen Ventilator 19, der dem Wärmetauscher 18 einen Luftstrom zuführt. Die beiden Pfeile 20 und 21 bezeichnen den Zulauf zum Wärmetauscher 18 bzw. den Ablauf vom Wärmetauscher 18. Sie verdeutlichen auch wie die Fliessrichtung des Kühlmittels im Gesamtsystem ist.
Bei dem in 1 dargestellten Kühlsystem ist dieselbe Kühlung innerhalb des Batteriepacks 10 angeordnet und es können Gase am Kühlplattenanschluss 15a oder 15b austreten. Das in 1 darstellte Kühlsystem wird gemäß den Ausführungsbeispielen nach den 2 bis 4 abgeändert. Regel- oder Drosselventile sind gegebenenfalls ansteuerbar ausgeführt.
In 2 ist ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Installierung des Zellkühlsystems außerhalb des Batteriegehäuses liegt. Im Einzelnen zeigt 2 einen Batteriepack 22 mit dem Gehäuse 22a mit den Zellen 23, die über eine wärmeleitenden Zone 24 des Gehäuses 22a zumindest thermisch mit den Kühlplatten 25 in Verbindung stehen. Vom übrigen Kühlsystem ist lediglich noch ein Drosselventil 26 dargestellt. Die weitere Anordnung des Kühlsystems entspricht der in 1 dargestellten Kühlsystemanordnung.
Gemäß dem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Thermomanagement-Komponente oder das Thermomanagementelement extern angebracht. Das Gehäuse besteht aus wärmeleitendem Material. Zumindest ein Teil des Gehäuses ist eine wärmeleitende Zone. Bei dieser Anordnung ist das Zellkühlsystem außerhalb des Batteriegehäuses installiert. Das Batteriegehäuse selbst ist mindestens in dem Bereich wärmeleitend, in dem die Zellmodule aufgelegt sind. Auf den wärmeleitenden Zonen sind die Batteriezellen montiert und können so die Wärme nach draußen leiten. Die Zonen bestehen vorzugsweise durchgängig aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit, beispielsweise aus einer dünnen Kupferschicht. Die Dicke dieser Zone kann sich von der übrigen Gehäusewanddicken unterscheiden, um die gesamte Dicke von Wärmeleitzonen plus Kühlplatte gering zu halten.
Die Kühlleitungen 27a und 27b verlaufen nur außerhalb des Batteriegehäuses bzw. außen am Batteriegehäuse entlang. Die Kühlplatten 25 werden auf der Außenseite der wärmeleitenden Zone 24 befestigt. Bei Undichtheiten oder Lecks insbesondere in den Kühlleitungen 27a oder 27b tritt das Kühlmittel außerhalb des Batteriepacks, also außerhalb des Batteriepacks 22 aus und kann sich in der umgebenden Luft verflüchtigen. Damit ist sichergestellt, dass kein Kühlmittel durch den Batteriepack 22 bzw. das Gehäuse 22a fließt oder in den Batteriepack bzw. das Gehäuse eindringen kann.
Alternativ kann auch das ganze Gehäuse aus wärmeleitendem Material gebaut werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Zellen 28 über eine wärmeleitende Feuchtigkeitsbarriere 29 mit einer Kühlplatte 30 verbunden. Die Kühlplatte 30 ist in ein Gehäuse 31 integriert. Eine Dichtung 32 liegt in einer Nut des Gehäuses 31 und dichtet das Gesamtsystem ab. Der Zu- und Ablauf 33a bzw. 33b befindet sich außerhalb des Gehäuses 31.
Bei der Lösung nach 3 ist die Kühlplatte 30, beispielsweise als Verdampferplatte oder als kühlmediendurchströmte Kühlplatte 30 ein externer Teil des Gehäuses 31. Die Abdichtung des Gehäuses 31 nach außen übernimmt eine abdichtende Schicht als wärmeleitende Gassperre oder Feuchtigkeitsbarriere 29. Diese abdichtende Schicht weist eine Druckfestigkeit auf, die dem Betriebsdruck während der Lebensdauer stand hält. Die Kühlplatte 30 wird modular in das Gehäuse 31 verbaut und von außen an das Kühlsystem, beispielsweise das Kühlsystem eines Fahrzeugs angeschlossen.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung abgebildet. Dabei ist ein Batteriepack 34 mit den Batteriezellen 35 gezeigt, bei dem die Kühlplatte ein integraler Teil des Gehäuses 36 ist. Die Kühlplatte bzw. eine entsprechende wärmeleitende Zone 38 wird dabei in das Gehäuse 36 beispielsweise eingeschweißt oder dicht verklebt und erfordert keine weitere Abdichtung. Auch hier liegen die Anschlüsse für das Kühlsystem 37a bzw. 37b außerhalb des Gehäuses. Mittels eines Drosselventils 40 oder eines ansteuerbaren Regelventils kann der Kühlmittelfluss beeinflusst werden.
Sind mehrere wärmeleitende Zonen 38 vorgesehen, wie in der 4 aufgezeigt wird, ist eine Dichtung 39 zwischen den wärmeleitenden Zonen vorgesehen. Eine dann benötigte Verbindung 37c zwischen den beiden wärmeleitenden Zonen liegt dabei ebenfalls außerhalb des Gehäuses 36.
Das Gehäuse 36 kann beispielsweise aus Verbundmaterial hergestellt werden. Hochbelastende tragende Teile wie die Kühlplatte sind aus Metall, die restlichen Stellen mit Deckel und Seitenwand je nach Bedarf aus Kunststoff oder ähnlichem Material, das einen gleichen Bau und eine Gewichtsreduzierung ermöglicht. Die Bodenplatte, die aus den Kühlplatten und restlichen Bodenplatten aus Kunststoff besteht, kann einmalig mittels eines Kunststoffspritzgießverfahrens oder eines vergleichbaren Verfahren hergestellt werden. Eine extra Dichtung ist dann nicht erforderlich.
Mit den vorstehend genannten Ausführungsformen können die Wärmeleitplatte bzw. Kühlplatte oder Kühlplatten und die Zellen bzw. entsprechende Zellmodule als eine Montageeinheit vormontiert werden. Dies ermöglicht eine flexible Montagereihe, bei der zuerst die Isolierplatte in ein Gehäuse, das die Zellen umfasst, verbaut wird. Dann wird die Kühlplatte in eine Aussparung des Gehäuses eingelegt. Je nach Bauraumanspruch der Batteriebauteile kann auch eine umgekehrte Montage durchgeführt werden, wodurch sich eine große Erleichterung bei der Montage des Batteriepacks ergibt.
Weiterhin kann die Kühlplatte von unten angebracht werden, womit sich eine einfache Austauschbarkeit der Kühlplatte ergibt, die wartungsfreundlich ist, da beim Umtausch das Gehäuse des Batteriepacks nicht zwingend geöffnet werden muss. Dies ergibt eine besonders vorteilhafte Lösung und standardisierte Kühlplatten mit unterschiedlichen Kühlmedien, beispielsweise Luft, Kühlwasser, Kältemittel usw. können in Einsatz kommen. Es kann das Thermomanagementsystem mit Kühlplatten für die existierende Batterie nachträglich angepasst werden. Dies ermöglicht beispielsweise einen Umstieg von Wasserkühlung auf Kältemittelkühlung.
Eine weitere Ausgestaltung ist ein Kühlsystem , bei dem das externe Kühlsystem ein „stand-alone“ batterieeigenes Kühlsystem ist. Damit ist es möglich, die Einkopplung zur Fahrzeug Klimaanlage gezielt nicht umzusetzen.

Claims

Kühlsystem für wenigstens eine Batteriezelle (28), insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle, mit einer der wenigstens einen Batteriezelle (28) zugeordneten Kühleinrichtung mit Kühlelementen, wobei die Kühleinrichtung mit einem externen Kühlsystem so in Verbindung steht, dass das im externen Kühlsystem enthaltene Kühlmittel auch im Fehlerfall nicht zu der Batteriezelle (28) gelangen kann, wobei mehrere Batteriezellen (28) vorhanden sind, die ein Batteriepack oder eine Batterie bilden und von einem gemeinsamen Gehäuse (31) umgeben sind, und das externe Kühlsystem eine Kühlplatte (30) ist, welche in der Art in das Gehäuse (31) integriert ist, dass die Kühlplatte (30) in einer Aussparung des Gehäuses (31) eingelegt ist, wobei die Batteriezellen (28) über eine wärmeleitende Feuchtigkeitsbarriere (29) mit der Kühlplatte (30) verbunden sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (30) mit dem externen Kühlsystem in Verbindung steht und von dessen Kühlmittel durchströmt wird.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Seite der Batteriezellen (28) der wärmeleitenden Feuchtigkeitsbarriere (29) zugeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von Kühlmittel durchströmten Kühlelemente außerhalb des Gehäuses (31) sind.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Kühlsystem das Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs ist.
Kühlsystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs mittels einer Klimaanlage gekühlt wird und so die Klimaanlage zur Kühlung des Batteriepacks oder der Batterie genutzt wird.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vor- und Rücklaufanschluss der Kühleinrichtung außerhalb des Gehäuses (31) liegt.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Kühlsystem ein „stand-alone“ batterieeigenes Kühlsystem ist, falls die Einkopplung zur Fahrzeug Klimaanlage gezielt nicht umgesetzt werden soll.