DE102012220537B4 - Fahrzeugbatteriepackung mit kühlsystem sowie lithiumionenbatterie-kühlsystem - Google Patents

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Abstract

Fahrzeugbatteriepackung mit einem in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlsystem (10), umfassend:einen abgedichteten Behälter (14), der einen Innenraum (16) aufweist;eine Batteriebaugruppe (18), die in dem Innenraum (16) des Behälters (14) angeordnet ist, wobei die Batteriebaugruppe (18) eine Mehrzahl von Batteriezellen (20) aufweist, die zumindest einen dazwischen geformten Fluidkanal (26) besitzen;ein dielektrisches Fluid, das in dem zumindest einen Fluidkanal (26) in Kontakt mit den Batteriezellen (20) der Batteriebaugruppe (18) angeordnet und derart konfiguriert ist, die Batteriebaugruppe (18) zu erhitzen und zu kühlen;ein Heizelement (34), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, das dielektrische Fluid zu erhitzen; undein Kühlelement (38), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, dass dielektrische Fluid zu kühlen, wobei das Kühlelement (38) eine Metallplatte oder eine Graphitfolie ist, die mit einem elektrisch nicht leitenden Polymer imprägniert ist.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Fahrzeugbatteriepackung mit einem in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlsystem sowie ein Lithiumionenbatterie-Kühlsystem zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug.
  • Eine Batteriezelle ist als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Ein Typ von Batteriezelle ist als die Lithiumionen-Batterie bekannt. Die Lithiumionen-Batterie ist wiederaufladbar und kann zu einer Vielzahl von Gestaltungen und Größen geformt werden, um in Elektrofahrzeugen verfügbaren Raum effizient zu füllen. Die Batteriezelle kann zum Beispiel von prismatischer Form sein, um ein Stapeln der Batteriezellen zu erleichtern. In einer Batteriepackung können mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen werden, um einen zum Betreiben von Elektrofahrzeugen ausreichenden Leistungsbetrag vorzusehen.
  • Typische prismatische Batteriezellen weisen ein Paar von kunststoffbeschichteten Metallschichten auf, die um einen Umfang der Batteriezelle schmelzgeschweißt sind, um die Batteriezellenkomponenten abzudichten. Das Abdichten der Batteriezellen beginnt im Allgemeinen damit, dass eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum versehen wird, der manchmal als „Butterdosen“-Form bezeichnet wird. Die Batteriezellenkomponenten werden in dem Hohlraum der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Die andere der kunststoffbeschichteten Metallschichten wird dann oben auf die Batteriezellenkomponenten gesetzt und an dem Umfang an die eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit dem Hohlraum zum Beispiel durch Heißversiegeln um die Ränder schmelzgeschweißt. Dadurch wird die Batteriezelle für den Einbau in einer Batteriepackung vorgesehen.
  • Batteriezellen, wie etwa Lithiumionen-Batteriezellen, erzeugen bekanntermaßen während des Betriebs und infolge eines Ladezyklus beim Wiederaufladen Wärme. Werden sie überhitzt oder anderweitig Umgebungen hoher Temperatur ausgesetzt, können unerwünschte Wirkungen eine Auswirkung auf den Betrieb der Lithiumionen-Batterien haben. Bei Lithiumionen-Batteriepackungen werden typischerweise Kühlsysteme genutzt, um den unerwünschten Überhitzungsbedingungen entgegenzuwirken. Die Kühlsysteme können Kühlplatten oder -rippen aufweisen, die schichtartig zwischen einzelnen Batteriezellen in der Batteriepackung angeordnet sind. Das Kühlsystem kann Kanäle aufweisen, durch die ein Kühlmittel in einer Wärmeaustauschbeziehung mit den Batteriezellen strömt. Beispielhafte bekannte Kühlsysteme für Batteriezellen sind in der US 2011 / 0 212 355 A1 und der US 2012 / 0 021 270 A1 beschrieben.
  • Herkömmliche Kühlsysteme haben Kühlplatten oder -rippen für Luft/LuftKühlung aufgewiesen, die schichtartig zwischen einzelnen Batteriezellen in der Batteriepackung zusammen mit Wärmesenken an derselben Stelle angeordnet waren.
  • US 2009 / 0 253 026 A1 offenbart eine elektrische Batterie mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, die in eine elastische, dichte Hülle gepackt ist. Zudem ist ein System zur mechanischen und thermischen Konditionierung der Elemente vorgesehen, wobei das Konditionierungssystem einen wärmeleitenden Strukturkörper bildet, der zwei Längsträger und mehrere Querträger aufweist, welche die Längsträger so verbinden, dass zwischen den Querträgern Aufnahmen gebildet werden, in denen jeweils eine elektrochemische Zelle angeordnet ist. Der Körper weist einen Zirkulationsweg für ein thermisch konditionierendes Fluid auf, der einen Zulaufkanal und einen Ablaufkanal umfasst, die jeweils in einem Längsträger ausgebildet sind. Ferner sind Durchlässe in jedem der Querträger ausgebildet, wobei die Durchlässe auf der einen Seite mit dem Zulaufkanal und auf der anderen Seite mit dem Ablaufkanal in Fluidverbindung stehen.
  • Weiterer Stand der Technik ist in der US 2009 / 0 142 653 A1 , der US 2009 / 0 068 547 A1 und der US 2011 / 0 262 793 A1 beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriekühlsystem und ein Verfahren zum Herstellen des Batteriekühlsystems zu schaffen, die eine effiziente Erwärmung und Kühlung der Batteriezellen mit minimalen Deltatemperaturen maximieren, während gleichzeitig gleichförmige Oberflächentemperaturen über die Batteriezellen beibehalten und effizient Wärme weg von den Zellen unter Verwendung einer Kühlung mit offenem Bad in einem Hybridfahrzeug übertragen werden soll.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
    • 1 ist eine schematische Ansicht des Batteriekühlsystems der vorliegenden Offenbarung; und
    • 2 ist eine Draufsicht mehrerer Batteriekühlsysteme der vorliegenden Offenbarung, die in Reihe verschaltet sind.
  • Mit Bezug auf 1 ist eine Fahrzeugbatteriepackung mit einem in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlsystem 10 der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das System 10 weist ein Modul 12 auf, das aus einem Behälter 14 mit einem Innenraum 16 zum Tragen einer Batteriebaugruppe 18 geformt ist. Der Behälter 14 ist ein geschlossener und abgedichteter Behälter 14 zum Formen eines in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlsystems 10. Bei einer Ausführungsform weist die Batteriebaugruppe 18 eine Mehrzahl von Batteriezellen 20, wie eine Mehrzahl von Lithiumionen-(Li-Ion)-Batterien zur Verwendung in einem Batteriefahrzeug auf. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Mehrzahl von Batteriezellen 20 Li-Ionen-Batterien zur Verwendung in einem Elektrobatteriefahrzeug (BEV). Zusätzliche Batterien zur Verwendung mit anderen kraftbetriebenen Fahrzeugen können mit dem Flüssigkeitskühlsystem 10 der vorliegenden Erfindung versehen sein, wobei jede Batteriezelle ein aktives Material zur Erzeugung von Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion in dem Innenraum 16 des Behälters 14 aufweist. Die Batteriezellen 20 werden bevorzugt gestapelt, um einen Batteriezellenstapel 22 zu bilden. Bei der gezeigten Ausführungsform liegt der Spalt 24 zwischen jeder Batteriezelle 20 zwischen 0,25 - 0,50 mm, wobei ein Fluidkanal 26 zwischen jeder Batteriezelle 20 geformt wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Spalt 24 kleiner als 0,25 mm sein. Es sei zu verstehen, dass nach Bedarf andere Spaltgrößen verwendet werden können.
  • Ein dielektrisches Kühlmittel 28 ist in dem Innenraum 16 des Behälters 14 angeordnet, und den Fluidpegel, das gezeigt ist, ist derart, dass die Batteriebaugruppe 18 vollständig in das dielektrische Kühlmittel 28 eingetaucht ist. Das dielektrische Kühlmittel 28 steht in Kontakt mit den Batteriezellen 20 durch die Fluidkanäle 26, die durch die Spalte 24 geformt sind. Bei einer Ausführungsform kann das dielektrische Kühlmittel 28 halogeniert sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann das dielektrische Kühlmittel 28 so konditioniert sein, dass es einen Siedepunkt bei oder nahe einer gewünschten Betriebstemperatur der Batteriezellen 20 aufweist.
  • Ein Heizelement 34 ist an einem Basisbereich 36 des Behälters 14 angeordnet. Das Heizelement 34, das gezeigt ist, ist ein elektrisches Heizelement. Es sei zu verstehen, dass andere Heizelementtypen verwendet werden können. Das Heizelement 34 ist als ein einzelnes Element gezeigt; jedoch können mehrere Heizelemente 34, wie Heizplatten, vorgesehen werden.
  • Ein Kühlelement 38 ist an einem oberen Bereich 40 des Behälters 14 angeordnet. Das Kühlelement 38 kann ein gekühlter Wasserkondensator sein, der einen Einlass 42 und einen Auslass 44 aufweist, die sich über die Wände des abgedichteten Behälters 14 hinaus zum Eintrag und Austrag von Wasser für das Kühlelement 38 erstrecken. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Kühlelement 38 eine gekühlte Wasserplatte sein. Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann das Kühlelement 38 ein dünner Aluminiumkühlkörper sein, der externes gekühltes Wasser aufweist, das durch das Kühlelement 38 verläuft. Das Kühlelement 38 kann eine Graphitfolie sein, die mit einem elektrisch nichtleitenden Polymer imprägniert ist. Das Kühlelement kann auch aus Kupfer geformt sein.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform geben die Pfeile „A“ und „B“ eine Strömung des dielektrischen Kühlmittels 28 an. Beim Erhitzen jeder Batteriezelle 20 durch das Heizelement 34 siedet das dielektrische Kühlmittel 28, das einer vorderen Oberfläche 30 und einer rückwärtigen Oberfläche 32 der Batteriezellen 20 ausgesetzt ist. Das erhitzte dielektrische Kühlmittel 28 steigt an und strömt zu dem oberen Bereich des Batteriezellenstapels 22, um durch das Kühlelement 38 gekühlt zu werden. Das gekühlte dielektrische Kühlmittel 28 kehrt zu dem Basisbereich 36 zurück, wobei er allgemein entweder den Kühlmittelpfaden „A“ oder „B“ folgt. Wenn der allgemeine Ort des dielektrischen Kühlmittels 28 zum Zeitpunkt des Siedens innerhalb der Fluidkanäle 26 der Batteriezellen 20 in dem Zentralbereich und zu einer Seite 50 des Behälters 14 angeordnet ist, neigt das dielektrische Kühlmittel 28 dazu, dem Pfad „A“ zu folgen. Wenn ähnlicherweise der allgemeine Ort des dielektrischen Kühlmittels 28 zu dem Zeitpunkt des Siedens in den Fluidkanälen 26 der Batteriezellen 20 in dem Zentralbereich und zu einer gegenüberliegenden Seite 52 des Behälters 14 angeordnet ist, neigt das dielektrische Kühlmittel 28 dazu, dem Pfad „B“ zu folgen.
  • Ein Kühlmitteltemperatursensor 46 ist an oder nahe dem Kühlelement 38 angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Temperatursensor 46 in dem Bereich des Auslasses 44 des Kühlelements 38 angeordnet und misst eine Temperatur des dielektrischen Kühlmittels 28 an einem Kontaktpunkt zu dem Kühlelement. Der Temperatursensor 46 kann nach Bedarf irgendwo in dem Batteriezellenstapel 22 angeordnet sein.
  • Ein Kühlmittelpegelsensor 48 ist ebenfalls vorgesehen und nahe dem oberen Bereich 40 des Behälters 14 angeordnet, um den Fluidpegel des dielektrischen Kühlmittels 28 in dem Behälter 14 zu messen, wodurch ein vollständiges Eintauchen der Batteriebaugruppe 18 in das dielektrische Kühlmittel 28 sichergestellt wird.
  • 2 zeigt eine Mehrzahl in sich geschlossener Flüssigkeitskühlmodule 12, die in Reihe über eine Leitung 60 verbunden sind und ein Kühlsystem 100 zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug oder BEV bilden. Bei einer Ausführungsform steht der Einlass 42 des Kühlelements 38 für jedes Modul 12 durch eine Leitung 70 in Fluidkommunikation mit dem Klimaanlagen-(AC)-System 120 des Fahrzeugs. Seinerseits kann die von jedem Kühlmodul 12 erzeugte Wärme durch den Auslass 44 zu dem Kühlmittel 130 durch eine Leitung 80 ausgestoßen werden. Das Kühlmittel 130 sieht einen externen Wärmeaustausch mit dem Fahrzeug vor, wenn das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug ist. Alternativ dazu kann die von jedem Kühlmodul 12 erzeugte Wärme durch den Auslass 44 und die Leitung 80 an das Kühlmittel 130, wie eine elektrische Kühlschleife, wenn das Antriebsaggregat ein BEV ist, typischerweise durch ein Ventil, wie ein 3-Wege-Ventil 140 ausgetragen werden.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Kühlen einer Fahrzeugbatteriepackung. Das Verfahren umfasst die Schritte zum Bereitstellen eines geschlossenen und abgedichteten Behälters 14. Der Behälter 14 weist einen Innenraum 16 auf. Eine Batteriebaugruppe 18 ist in dem Innenraum 16 des Behälters 14 angeordnet. Die Batteriebaugruppe 18 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 20 auf, die zwischen den gestapelten Zellen 20 geformte Fluidkanäle 26 besitzen. Die gestapelten Zellen 20 behalten einen Spalt 24 zwischen Batteriezellen 20 von nicht größer als 0,50 mm und nicht kleiner als 0,25 mm bei einer Ausführungsform bei. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Spalt 24 kleiner als 0,25 mm sein. Jeder Spalt 24 bildet den Fluidkanal 26 zwischen benachbarten Batteriezellen 20. Ein dielektrisches Kühlmittel 28 ist in dem Innenraum 16 des Behälters 14 angeordnet. Die Batteriebaugruppe 18 ist typischerweise vollständig in das dielektrische Kühlmittel 28 eingetaucht und das dielektrische Kühlmittel 28 ist in den Fluidkanälen 26 aufgenommen, wobei es mit jeder der Batteriezellen 20 vollständig in Kontakt steht. Durch Füllen des Spalts 24 mit dem dielektrischen Kühlmittel 28 kann sowohl Erwärmung als auch Kühlung erreicht werden.
  • Während des Starts eines Fahrzeugs kann ein Heizelement 34, das entlang des Basisbereichs 36 des Behälters 14 angeordnet ist, das dielektrische Fluid 28 zum Sieden erhitzen. Bei einer Ausführungsform kann das dielektrische Fluid 28 so konditioniert sein, dass es einen Siedepunkt bei oder nahe der gewünschten Betriebstemperatur der Batteriezellen 20 besitzt. Dämpfe steigen zwischen den Fluidkanälen 26 auf, die die Batteriezellen 20 auf die Betriebstemperatur erhitzen. Eine Kondensationserhitzung stellt eine effiziente Wärmeübertragung mit gleichförmiger Temperatur ohne Überschreiten der Temperaturen der Batteriezellen dar. Wenn die Batteriezellen 20 arbeiten, siedet das dielektrische Kühlmittel 28 an den Flächen der Batteriezelle 20, wobei Temperaturen der Oberflächen gleichförmig gehalten werden und Wärme effizient an das Kühlelement 38 übertragen wird. Das erhitzte Kühlmittel 28 steigt, wobei es durch die Fluidkanäle 26 von dem Basisbereich 36 des Behälters 14 zu dem oberen Bereich 40 verläuft und vollständig über jede Batteriezelle 20 über den gesamten Innenraum 16 des Behälters 14 strömt, wie durch die Pfeile „A“ und „B“ gezeigt ist. Das gekühlte dielektrische Kühlmittel 28 kehrt zu dem Basisbereich 36 zurück, wobei es allgemein entweder dem Kühlmittelpfad „A“ oder „B“ folgt. Wenn der allgemeine Ort des dielektrischen Kühlmittels 28 zum Zeitpunkt des Siedens in den Fluidkanälen 26 der Batteriezellen 20 in dem Zentralbereich und zu einer Seite 50 des Batteriezellenstapels 22 angeordnet ist, neigt das dielektrische Kühlmittel 28 dazu, dem Strömungspfad „A“ zu folgen. Wenn ähnlicherweise der allgemeine Ort des dielektrischen Kühlmittels 28 zum Zeitpunkt des Siedens in den Fluidkanälen 26 der Batteriezellen 20 in dem Zentralbereich und zu einer gegenüberliegenden Seite 52 des Batteriezellenstapels 22 angeordnet ist, neigt das dielektrische Kühlmittel 28 dazu, dem Strömungspfad „B“ zu folgen. Während des Betriebs sieht das entlang der Fluidkanäle 26 strömende Kühlmittel 28 eine im Wesentlichen gleichförmige Oberflächentemperatur über jede der Mehrzahl von Batteriezellen 20 vor, während Wärme weg von jeder der Batteriezellen 20 durch das strömende dielektrische Kühlmittel 28 übertragen wird.
  • Der Schritt zum Kondensieren der Dämpfe umfasst den Gebrauch des Kühlelements 38, wie eine gekühlten Wasserplatte, die über den Batteriezellen 20 in dem oberen Bereich 40 des Behälters 14 angeordnet ist. Mehrere Batteriezellen 20 bilden mehrere Module 12. Die Module 12 sind in Reihe verschaltet. Die erhitzten Dämpfe steigen zu dem oberen Bereich 40 des Behälters und werden durch das Kühlelement 38 gekühlt. Das Wasser in dem Kühlelement 38 wird durch einen existierenden Kühler eines Klimaanlagensystems des Fahrzeugs gekühlt und von dem Einlass 42 zu dem Auslass 44 des Kühlelements 38 umgewälzt. Ein Kühlmitteltemperatursensor 46 misst die Temperatur des dielektrischen Kühlmittels 28 an dem Auslass 44 des Kühlelements 38. Ein Kühlmittelpegelsensor 48 misst den Pegel des dielektrischen Kühlmittels 28 in dem Behälter 14.

Claims (9)

  1. Fahrzeugbatteriepackung mit einem in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlsystem (10), umfassend: einen abgedichteten Behälter (14), der einen Innenraum (16) aufweist; eine Batteriebaugruppe (18), die in dem Innenraum (16) des Behälters (14) angeordnet ist, wobei die Batteriebaugruppe (18) eine Mehrzahl von Batteriezellen (20) aufweist, die zumindest einen dazwischen geformten Fluidkanal (26) besitzen; ein dielektrisches Fluid, das in dem zumindest einen Fluidkanal (26) in Kontakt mit den Batteriezellen (20) der Batteriebaugruppe (18) angeordnet und derart konfiguriert ist, die Batteriebaugruppe (18) zu erhitzen und zu kühlen; ein Heizelement (34), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, das dielektrische Fluid zu erhitzen; und ein Kühlelement (38), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, dass dielektrische Fluid zu kühlen, wobei das Kühlelement (38) eine Metallplatte oder eine Graphitfolie ist, die mit einem elektrisch nicht leitenden Polymer imprägniert ist.
  2. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Fluidkanal (26) derart konfiguriert ist, das dielektrische Fluid durch die Mehrzahl von Batteriezellen (20) in dem Innenraum (16) des Behälters (14) zu lenken.
  3. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (20) der Batteriebaugruppe (18) vollständig in das dielektrische Fluid eingetaucht sind.
  4. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Fluid derart konfiguriert ist, dass es einen gewünschten Siedepunkt aufweist.
  5. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei das Kühlelement (38) aus Kupfer oder Aluminium geformt ist.
  6. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei das Kühlelement (38) über den Batteriezellen (20) angeordnet ist.
  7. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (34) unter den Batteriezellen (20) angeordnet ist.
  8. Fahrzeugbatteriepackung nach Anspruch 1, ferner mit einem Temperatursensor (46) für dielektrisches Fluid und/oder einem Pegelsensor (48) für dielektrisches Fluid, der in dem Behälter (14) angeordnet ist.
  9. Lithiumionenbatterie-Kühlsystem (10) zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug, umfassend: eine Mehrzahl in sich geschlossener Flüssigkeitskühlmodule (12), wobei jedes der Flüssigkeitskühlmodule (12) ferner umfasst: einen abgedichteten Behälter (14), der einen Innenraum (16) aufweist; eine Batteriebaugruppe (18), die in dem Innenraum (16) des Behälters (14) angeordnet ist und eine Mehrzahl von Batteriezellen (20) aufweist, die zumindest einen dazwischen geformten Fluidkanal (26) besitzen; ein dielektrisches Fluid, das in dem zumindest einen Fluidkanal (26) in Kontakt mit den Batteriezellen (20) der Batteriebaugruppe (18) angeordnet und derart konfiguriert ist, die Batteriebaugruppe (18) zu erhitzen und zu kühlen; ein Heizelement (34), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, das dielektrische Fluid zu erhitzen; und ein Kühlelement (38), das in dem Innenraum (16) angeordnet und derart konfiguriert ist, das dielektrische Fluid zu kühlen, wobei das Kühlelement (38) eine Metallplatte oder eine Graphitfolie ist, die mit einem elektrisch nicht leitenden Polymer imprägniert ist.
DE102012220537.3A 2011-11-15 2012-11-12 Fahrzeugbatteriepackung mit kühlsystem sowie lithiumionenbatterie-kühlsystem Active DE102012220537B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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US13/296,632 US8852772B2 (en) 2011-11-15 2011-11-15 Lithium ion battery cooling system comprising dielectric fluid
US13/296,632 2011-11-15

Publications (2)

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