DE102012215171A1

DE102012215171A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102012215171A1
Application number: DE201210215171
Authority: DE
Inventors: Marcus Hildenbrand; Benjamin Kaeser; Jonas Schütz; Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2014032850A1

Abstract

Es wird ein Batteriesystem beschrieben, welches eine Batterie (10) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (12) und eine Temperiereinheit (20) zur Temperierung der Batteriezellen (12), die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf (24) beinhaltet, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperiereinheit (20) einen Sensor (30) aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (24) zu erfassen.
Ferner wird ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug und ein Wasserfahrzeug oder Schiff mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen und eine Temperiereinheit zur Temperierung der Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug, ein Schiff, ein Elektro-Kraftfahrzeug oder ein Hybrid-Kraftfahrzeug mit dem vorliegenden Batteriesystem.
Stand der Technik
Um die Sicherheit von Sekundärbatterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, zu gewährleisten, und um deren Performance und Lebensdauer zu optimieren, ist es erforderlich, die Batterie innerhalb eines definierten und für den Betrieb beziehungsweise die Lagerung optimalen Temperaturbereichs zu betreiben. Insbesondere bei hoher Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe muss das Aufheizen der Batteriezelle oberhalb einer optimalen Betriebstemperatur vermieden und die Wärmeenergie abgeführt werden, um eine Schädigung der Batterie oder eine Einschränkung deren Lebensdauer zu vermeiden.
Für die Kühlung der Batteriemodule werden üblicherweise fluide Mittel wie beispielsweise Luft, Wasser/Glykol-Gemenge oder Kältemittel (wie zum Beispiel R1234yf) als Medien eingesetzt, welche die Wärmeenergie aufnehmen und mittels Konvektion aus den Zellen abführen. Beim Einsatz von wässrigen Kühlmedien oder wasserhaltigem Kältemittel wird entweder eine Bodenplatte durchströmt, welche beispielsweise über Bleche gut leitend mit den Zellen thermisch verbunden ist, oder das Kühlmedium wird mittels Kühlplatten zwischen den Batteriezellen hindurchgeleitet.
Eine Kühlung mit Luft bedeutet einen hohen technischen Aufwand, beispielsweise zur Aufbereitung (Entfeuchtung oder Filterung) der Kühlluft oder zur Strömungsführung durch das Gehäuse zu den Zellen.
Ein kritischer Punkt bei Verwendung flüssiger Kühlmittel ist die möglichst vollständige Füllung der Kühlplatten des Kühlkreislaufs. Wie bei Kühlkörpern und Heizkörpern allgemein bekannt, kann es zur Ansammlung von Luft beziehungsweise Luftblasen kommen, welche den Wärmeübergang lokal extrem verschlechtern. Ebenso kann es durch beispielsweise in Lösung gehende oder in chemische Reaktion tretende Teilchen aus der Ummantelung des Kühlsystems zu Verunreinigungen oder Zersetzungen des Kühlmittels kommen, was mit einer Verschlechterung der Kühlwirkung einhergeht.
Aus der DE 10 2009 019 944 A1 ist ein Batterietemperatursystem zur Verwendung in einem Fahrzeug bekannt, wobei das System einen Luftabscheider umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er die dort hindurch verlaufende Strömung des flüssigen Kühlmittels empfängt und Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abscheidet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, und eine Temperiereinheit zur Temperierung der Batteriezellen, die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf beinhaltet, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperiereinheit einen Sensor aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf zu erfassen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Konvektionskühlung bei angenommen vergleichsweise konstantem Kühlkreislaufvolumen und angenommen vergleichsweise konstantem Kühlmittelumlaufvolumen desto besser Abwärme transportieren kann, je größer die Wärmekapazität des Kühlmittels ist. Gast ein flüssiges Kühlmittel aus, bilden sich also Gasblasen, dann verringert sich die Wärmekapazität des Kühlmittels, da der Anteil des somit veränderten, nämlich gasförmigen Kühlmittels, eine niedrigere Wärmekapazität besitzt als der flüssige Anteil des Kühlmittels. Analoge negative Effekte können sich einstellen, wenn das Kühlmittel verunreinigt wird oder sich zersetzt.
Vorteil ist die erfindungsgemäße Möglichkeit, Gas detektieren zu können. Denn infolge der Eigenschaft von Gas, Wärme wenig gut mittels Konvektion ableiten zu können, da Gas eine geringere Wärmespeicherfähigkeit pro Volumen besitzt im Vergleich zu Flüssigkeiten, ist ein Detektieren von Gas möglich und wichtig, um den regulären Wärmeabtransport sicherzustellen. In gleicher Weise lassen sich stoffliche Veränderungen des Kühlmittels, wie Verunreinigungen und Zersetzungen detektieren.
Die erfindungsgemäß zu überwachende stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels bezieht sich dabei auf den Aggregatzustand (flüssig/gasförmig) oder die stoffliche Zusammensetzung des Kühlmittels (Reinheit des Kühlmittels, Zersetzungsgrad des Kühlmittels).
Vorzugsweise ist der Sensor des Batteriesystems ein elektrischer Leitfähigkeitssensor. In Bereichen des Kühlmittels, wo sich Gas sammelt, beispielsweise Gasblasen bilden, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit im entsprechenden Volumenelement des Kühlmittels. Diese veränderte elektrische Leitfähigkeit detektiert der elektrische Leitfähigkeitssensor. Vorteil ist, dass durch Detektion von Gas eine Warnmeldung ausgegeben werden kann und geeignete Schritte zur Abhilfe unternommen werden können oder gegebenenfalls die Batterie ohne Last geschaltet werden kann. Eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit ist nicht auf den Übergang von Flüssigkeit auf Gas beschränkt, sondern beispielsweise auch beim Eindringen von Salzwasser in ein Kühlsystem eines Batteriesystems für ein Schiff.
In einer besonderen Ausführungsform ist eine elektrisch sensitive Oberfläche des elektrischen Leitfähigkeitssensors des Batteriesystems mit Lotuseffekt ausgebildet. Die Grenzfläche des Sensors in Berührung zum Kühlmittel ist demnach derart gestaltet, dass die Adhäsionskraft der Kühlflüssigkeit im Kontakt zur Grenzfläche des Sensors möglichst klein ist und somit nicht von selbst an der Grenzfläche des Sensors haften bleibt. Eine ungewollte elektrische Brücke, ohne dass der Sensor in die Flüssigkeit des Kühlmittels eintaucht, wird dabei vermieden.
Ferner ist bevorzugt, wenn der Sensor des Batteriesystems ein Ultraschall-Sensor ist. Mittels Ultraschall ist eine Detektion von Bereichen der Inhomogenität des Kühlmittels möglich. Somit kann auch bei Schiffen das Eindringen von beispielsweise Salzwasser in den Kühlkreislauf detektiert werden. Mit Hilfe eines Ultraschalls können auch schon sehr kleine Bläschen im Durchfluss detektiert werden. Der Sensor muss dabei nicht direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommen, so dass Leckagen im Bereich des Sensors ausgeschlossen werden können.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Sensor des Batteriesystems ein optischer Sensor ist. Messgrößen für die Erfassung einer Veränderung des Kühlmittels im vorgenannten Sinn sind beispielsweise die Brechzahl und das Absorptions- und Emissionsverhalten.
Auch ist es möglich, dass die Temperiereinheit des Batteriesystems mindestens eine in einen das Kühlmittel ummantelnden Wandbereich hineinragende Aussparung umfasst, und die Aussparung des Wandbereichs ausgebildet ist, eine Sammelstelle für Gasblasen zu sein. Gasblasen bilden sich bevorzugt an relativ strömungsarmen und lokalen Höchstpunkten im Kühlkreislauf. Durch die Ausbildung von Aussparungen im Mantelbereich des Kühlkreislaufs in Bereichen von lokalen Höchstpunkten werden gezielt Bereiche bevorzugter Gaskonzentration geschaffen. Wenn also Gas existiert, dann mit größter Wahrscheinlichkeit in den angegebenen Bereichen. Vorteil ist, dass ein Sensor zur Gasdetektion in Bereichen des bevorzugten Entstehens von Gas angeordnet wird und somit die Wahrscheinlichkeit von Detektion im Falle von Gasentstehung möglichst groß ist und auch die Menge an zu verbauenden Sensoren möglichst klein gehalten werden kann im Sinne der Ersparnis von Herstellungs- und Materialkosten.
Die Temperiereinheit des Batteriesystems weist vorzugsweise Kühlplatten auf und der Sensor ist an zumindest einer der Kühlplatten angeordnet oder in die Kühlplatte integriert. Vorteil ist die einfachere Herstellung und das einfachere Austauschen des Sensors im Servicefall, da sich die Kühlplatten in der Regel einzeln ausbauen lassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugs und eines Wasserfahrzeugs oder Schiffs mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Batterie aus mehreren Zellen und Kühlplatten,
2 einen Schnitt durch eine Kühlplatte mit Sensor im Flächenbereich, und
3 einen Schnitt durch eine Kühlplatte mit Sensor im Randbereich.
In der 1 ist in schematischer Darstellung eine Batterie 10 für ein Fahrzeug mit einer Stapelanordnung aus mehreren Zellen 12 – hier Lithium-Ionen-Batteriezellen – und Kühlplatten 22 gezeigt. Die Kühlplatten 22 werden üblicherweise aus Schichtblechen oder Flachrohren geformt und weisen einen Hohlraum/Leitungen auf, durch den ein flüssiges Kühlmittel fließen kann, sowie Anschlussstellen für das Kühlmittel. Die Kühlplatten 22 stehen vorliegend untereinander im fluiden Kontakt. Die Temperiereinheit 20 wiederum steht in Verbindung mit den Kühlplatten 22 und bildet einen Kühlmittelkreislauf 24 aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen 12 sollen beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 30 °C und maximal 40 °C gehalten werden. Im Stillstand sind auch 45 °C zulässig. Ein Sensor 30, zum Beispiel ein Leitfähigkeitssensor, ist in eine Wandung einer der Kühlplatten 22 integriert, das heißt, seine Sensorfläche liegt im Kühlmittelkreislauf 24. Der Sensor 30 ist mit einem Batteriemanagementsystem 40 verbunden, in dem eine Auswertung des Messsignals in üblicher Weise erfolgt.
2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine das Kühlmittel 24 ummantelnde Kühlplatte 22, wobei die Fließrichtung des Kühlmittels 24 orthogonal zur dargestellten Schnittfläche durch die Kühlplatte 22 verläuft. Der obere Bereich der Kühlplatte 22 weist eine konvexe kreisschnittartige Aussparung 28 im Bereich der Kühlplatte 22 auf, welche geeignet ist, hoch steigendes parasitäres Gas zu sammeln, um mittels Sensor 30 detektiert werden zu können. Eine solche Gas-Sammelstelle ist vorzugsweise in einem von Kühlmittel 24 vergleichsweise schwach durchströmten Bereich angeordnet, damit eine Gaskonzentration nicht durch Strömung verhindert wird. Simulationen helfen bei der Ermittlung solcher Sammelstellen, auch als Totzonen bezeichnet, in denen die Durchströmung eher gering ist. Die Kühlplatte 22 enthält einen Gas-Auslass. Der Auslass ist vorzugsweise in der Nähe der Aussparung 28 mit Sensor 30, da gegebenenfalls auch beim Auslass eine Gas-Konzentration stattfinden soll und keine Durchmischung des Gases mit der Flüssigkeit. Bei niedrigem Füllstand oder schlechter Befüllung oder Gasbildung sammelt sich bevorzugt im Bereich des Auslasses und des Sensors eine Luftblase. Der Sensor 30 detektiert diese Luftblase beispielsweise mittels elektrischer Widerstandsmessung (Gas elektrisch nicht leitfähig, Kühlflüssigkeit leitfähig). Damit keine Flüssigkeit an dem Sensor 30 anhaftet, wird dessen Oberfläche mit Lotuseffekt ausgebildet.
3 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Alternative zur Ausführung in 2, mit Aussparungen 28, 32 und Sensor 30. Bei einigen Kühlgeometrien kann auf eine separate Aussparung verzichtet werden, da sich in den Ecken schon eine entsprechende Zone bildet, die nur schwach durchströmt wird und in der sich bevorzugt Gas ansammelt.
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 Patentliteratur

DE 102009019944 A1 [0006]

Claims

Batteriesystem, umfassend (i) eine Batterie (10) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (12); und (ii) eine Temperiereinheit (20) zur Temperierung der Batteriezellen (12), die einen mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelkreislauf (24) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (20) einen Sensor (30) aufweist, der ausgelegt ist, eine stoffliche Beschaffenheit des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (24) zu erfassen.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (30) ein elektrischer Leitfähigkeitssensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (30) ein Ultraschall-Sensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (30) ein elektro-optischer Sensor ist.
Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei die elektrisch sensitive Oberfläche des elektrischen Leitfähigkeitssensors (30) mit Lotuseffekt ausgebildet ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperiereinheit (20) mindestens eine in einen das Kühlmittel (24) ummantelnden Wandbereich hinein ragende Aussparung (28) umfasst, und die Aussparung (28) ausgebildet ist, eine Sammelstelle für Gasblasen zu sein.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperiereinheit (20) Kühlplatten (22) aufweist und der Sensor (30) an zumindest einer der Kühlplatten (22) angeordnet ist oder der Sensor (30) in die Kühlplatte (22) integriert ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (12) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Wasserfahrzeug oder Schiff mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.