DE102015201580A1 - Batteriemodul umfassend ein Gehäuse, eine Batteriezelle und eine Kühlvorrichtung sowie Verfahren zum Kühlen einer Batteriezelle - Google Patents

Batteriemodul umfassend ein Gehäuse, eine Batteriezelle und eine Kühlvorrichtung sowie Verfahren zum Kühlen einer Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1; 1‘) umfassend ein Gehäuse (2), wenigstens eine in dem Gehäuse (2) befindliche Batteriezelle (3), wenigstens eine Kühlvorrichtung (4), wenigstens eine Einlassöffnung (5) zum Einleiten eines flüssigen Kühlfluids (6) und eine Auslassöffnung (7) zum Ausleiten des Kühlfluids (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (6) ein elektrischer Isolator ist, und ein Verfahren.

Description

  • Stand der Technik
  • Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wieder aufladbare elektrische Energiespeicher (EES, electro-chemical storage system, ESS) vermehrt neue Batteriesysteme bzw. Batteriemodule, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
  • Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen beispielsweise zylindrische oder prismatische Batteriezellen oder Batteriezellen mit Elektrodenwickel (Batteriezellwickel, Zellwickel, Jerry Roll, JR). Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und / oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom und die Kapazität zu erhöhen. Somit können die Batteriezellen zu Batteriemodulen bzw. Batterieeinheiten zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden.
  • Während des Betriebs können sich die Batteriezellen erhitzen, was bei starken Veränderungen der Temperatur zu Beeinträchtigungen bzw. Störungen des Betriebs führen kann. Daher ist eine Kühlung erforderlich.
  • Im Stand der Technik werden die in einem Gehäuse angeordneten Batteriezellen mit umgewälzter Luft als Kühlmittel gekühlt. Die Batteriezellen bilden eine Kanalstruktur, durch welche das Kühlmittel hindurchströmt.
  • Die WO 2009/106393 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriemoduls, in dem Luft als Kühlmittel durch das Batteriemodul hindurchströmt.
  • Die Vorrichtungen im Stand der Technik weisen allerdings den Nachteil auf, dass die Batterien voneinander elektrisch isoliert werden müssen, was zu erhöhten Kosten führt.
  • Um die Wirtschaftlichkeit von Batteriemodulen zu erhöhen und ihre Herstellung zu vereinfachen, ist es erforderlich, verbesserte Batteriemodule bereitzustellen, die sicherer sind und darüber hinaus kostengünstiger herzustellen sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Kühlfluids keine elektrische Isolierung der Batteriezellen voneinander erforderlich ist. Ebenso wenig ist eine elektrische Isolierung der Batteriezellen von dem Kühlfluid erforderlich.
  • Die Batteriezellen in dem Batteriemodul bilden eine Kanalstruktur aus, durch welche das Kühlfluid hindurchströmen kann. Dabei sind die elektrischen Kontakte der Batteriezellen in Kontakt mit dem Kühlfluid. Die Batterien, die vorzugsweise rund ausgebildet sind, sind in der Weise angeordnet, dass sie einen langen Kanal ausbilden, der aus der äußeren Geometrie der Batteriezellen und deren Anordnung innerhalb des Batteriemoduls resultiert. Diese Kanäle unterstützen das optimale Hindurchströmen des Kühlfluids und werden durch die äußere Form der Batteriezellen gebildet. Die Batteriezellen selbst wiederum sind innerhalb eines Gitters angeordnet, das die Batteriezellen an ihren beiden Enden fixiert.
  • Während des Betriebs des Batteriemoduls fließt das Kühlfluid durch die Kanäle. Das Kühlfluid strömt durch die Kanäle und erreicht die Batteriezellen, wobei die elektrischen Verbindungsstellen der Batteriezellen in direktem Kontakt mit dem Kühlfluid stehen können.
  • Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kühlfluid eine Durchschlagsfestigkeit von 50 bis 300 kV/mm auf. Eine Durchschlagsfestigkeit von dieser Größenordnung stellt sicher, dass die im Batteriemodul befindlichen Batteriezellen ausreichend voneinander elektrisch isoliert sind.
  • Zweckmäßigerweise weist das Batteriemodul eine externe Vorrichtung zur Kühlung des Kühlfluids auf. Dies hat den Vorteil, dass je nach Bedarf die Kühlung gesteigert bzw. gedrosselt werden kann. Damit wird ein Betrieb des Batteriemoduls ermöglicht, der weitgehend unabhängig von den Außenbedingungen wie z.B. der Temperatur im Raum ist.
  • Zweckmäßigerweise ist die von dem Batteriemodul umfasste Kühlvorrichtung eine Kühlrippe. Eine Kühlrippe weist durch ihre verhältnismäßig große Oberfläche eine sehr effiziente Wärmeabfuhr auf.
  • Zweckmäßigerweise durchströmt das Kühlfluid das Gehäuse des Batteriemoduls in Gegenstromrichtung. Die Batteriezellen sind innerhalb des Gehäuses des Batteriemoduls in der Weise angeordnet, dass das Kühlfluid jede Schicht im Gegenstromprinzip durchfließt. Dies gewährleistet, dass eine möglichst große Anzahl von Batteriezellen von frischem, d. h. kühlem Kühlfluid erreicht werden und das erwärmte Kühlfluid möglichst schnell das Gehäuse durch das Auslassventil verlässt, ohne seine Wärme auf weitere Batteriezellen zu übertragen.
  • Zweckmäßigerweise sind die Batteriezellen des Batteriemoduls in Serie oder parallel geschaltet. Falls mehr als eine Schicht von Batteriezellen in dem Batteriemodul über der anderen angeordnet ist, ist die Strömungsrichtung des Kühlfluids in der einen Schicht in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung des Kühlfluids in der darüber liegenden Schicht.
  • Zweckmäßigerweise enthält das Kühlfluid wenigstens 99,5 % Methoxy-nonafluorobutan und höchstens 1,0 ppm nicht-flüchtige Reste. Ein solches Kühlfluid ist beispielsweise 3M Novec 7100DL Engineered Fluid. Dieses weist ein Molekulargewicht von 250, einen Siedepunkt von 61 °C, und einen Gefrierpunkt von –135 °C auf. Die Flüssigkeitsdichte liegt bei 1,52 g/ml, die Oberflächenspannung bei 13,6 dynes/cm. Die Löslichkeit in Wasser beträgt 12 ppmw, die Löslichkeit von Wasser in diesem Kühlmittel beträgt 95 ppmw. Der Dampfdruck beträgt 200 mmHg. Alle Werte beziehen sich, falls nicht anders angegeben, auf eine Temperatur von 25 °C.
  • Zweckmäßigerweise wird dabei das Kühlfluid durch eine externe Vorrichtung zur Kühlung gekühlt.
  • Zweckmäßigerweise wird das Kühlfluid vor dem Einleiten in das Gehäuse durch eine externe Vorrichtung gekühlt.
  • Zweckmäßigerweise enthält das Kühlfluid wenigstens 99,5 % Methoxy-nonafluorobutan und höchstens 1,0 ppm nicht-flüchtige Reste.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 zeigt ein Batteriemodul 1 umfassend ein Gehäuse 2. Das Gehäuse umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 3. Darüber hinaus weist das Batteriemodul wenigstens eine Einlassöffnung oder ein Einlassventil 5 zum Einleiten eines flüssigen Kühlfluids 6 und eine Auslassöffnung oder ein Auslassventil 7 zum Ausleiten des Kühlfluids 6 auf. Darüber hinaus umfasst das Batteriemodul eine Kühlvorrichtung 4 beispielsweise einen Wärmetauscher und / oder eine Umwälzvorrichtung 10 beispielsweise Pumpe. In 1 strömt das Kühlfluid über das Einlassventil 5 in das Batteriemodul und strömt dann in Gegenstromrichtung durch die durch die einzelnen Batteriezellen gebildeten Kanäle. Die Vorrichtung weist darüber hinaus eine externe Vorrichtung 8 zur Kühlung des Kühlfluids 6 auf.
  • 2 zeigt ein weiteres Batteriemodul 1‘. Wie bei 1 strömt ein flüssiges Kühlfluid aus der Vorrichtung zur Kühlung des Kühlfluids 8 durch ein Einlassventil 5 in das Batteriemodul 1‘ und verlässt das Batteriemodul 1‘ durch das Auslassventil 7. Die Batteriezellen 3 sind in Schichten angeordnet, wobei das Kühlfluid zwischen den durch die Batteriezellen gebildeten Schichten in Gegenstromrichtung durchströmt. Das Batteriemodul 1‘ weist zusätzlich ein Entgasungsventil 9 auf. Kommt es im Fall einer Fehlfunktion zu einem Temperaturanstieg in einer Batteriezelle 3, und beginnt das Kühlfluid bei Erreichen des Siedepunktes zu verdampfen, wird der dadurch entstehende Druckanstieg über das Entgasungsventil 9 ausgeglichen.
  • Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste“, „zweite“ usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
  • 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
    • WO 2009/106393 [0005]

Claims (11)

  1. Batteriemodul (1; 1‘) umfassend ein Gehäuse (2), wenigstens eine in dem Gehäuse (2) befindliche Batteriezelle (3), wenigstens eine Kühlvorrichtung (4), wenigstens eine Einlassöffnung (5) zum Einleiten eines flüssigen Kühlfluids (6) und eine Auslassöffnung (7) zum Ausleiten des Kühlfluids (6), dadurch gekennzeichnet, dass: – das Kühlfluid (6) ein elektrischer Isolator ist.
  2. Batteriemodul (1; 1‘) nach Anspruch 1, wobei: – das Kühlfluid (6) eine Durchschlagsfestigkeit von 50–300 kV/mm aufweist.
  3. Batteriemodul (1; 1‘) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – das Batteriemodul (1; 1‘) eine externe Vorrichtung (8) zur Kühlung des Kühlfluids (6) aufweist.
  4. Batteriemodul (1; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – die Kühlvorrichtung (4) eine Kühlrippe ist.
  5. Batteriemodul (1; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – das Kühlfluid (6) das Gehäuse (2) in Gegenstromrichtung durchfließt.
  6. Batteriemodul (1; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens zwei Batteriezellen (3), wobei: – die Batteriezellen (3) in Serie oder parallel geschaltet sind.
  7. Batteriemodul (1; 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – das Kühlfluid wenigstens 99,5% Methoxy-nonafluorobutan und höchstens 1.0 ppm nicht-flüchtige Reste enthält.
  8. Verfahren zum Kühlen wenigstens einer in einem Gehäuse (2) angeordneten Batteriezelle (3), umfassend: – Einleiten eines flüssigen Kühlfluids (6) in das Gehäuse (2), – Kühlen der wenigstens einen Batteriezelle (3) mit dem Kühlfluid (6), – Ausleiten des Kühlfluids (6) aus dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Kühlfluid ein elektrischer Isolator ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei: – das Kühlfluid (6) durch eine externe Vorrichtung (8) zur Kühlung gekühlt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei: – das Kühlfluid (6) vor dem Einleiten in das Gehäuse (2) durch eine externe Vorrichtung (8) gekühlt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – das Kühlfluid wenigstens 99,5% Methoxy-nonafluorobutan und höchstens 1.0 ppm nicht-flüchtige Reste enthält.
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