DE102015220354A1 - Gehäusesystem eines Batteriemoduls, Batteriemodul mit einem solchen Gehäusesystem und Verfahren zu dessen Temperierung sowie Batterie - Google Patents

Gehäusesystem eines Batteriemoduls, Batteriemodul mit einem solchen Gehäusesystem und Verfahren zu dessen Temperierung sowie Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäusesystem eines Batteriemoduls, insbesondere einer Mitteltemperaturbatterie, mit einem Gehäuse (2) aufweisend eine von einer äußeren Gehäusewand (4) und einer inneren Gehäusewand (5) ausgebildeten Doppelwand (3), die einen zur Aufnahme zumindest einer Batteriezelle (6) eingerichteten Innenraum (7) ausbildet, wobei die Doppelwand (3) weiterhin einen Zwischenraum (9) aufweist, welcher über die innere Gehäusewand (5) wärmeleitend mit dem Innenraum (7) verbunden ist und über die äußere Gehäusewand (4) wärmeleitend mit der Umgebung (11) des Gehäuses (2) verbunden ist, und welcher ferner zur Aufnahme eines Gases eingerichtet ist, wobei das Gehäusesystem (1) zur Steuerung des Wärmeübertrags durch den Zwischenraum (9) ein zur Erhöhung und/oder Verringerung des Drucks (14) des Gases in dem Zwischenraum (9) der Doppelwand (3) eingerichtetes Verdichterelement (15) aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls mit einem solchen Gehäusesystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriemodul und eine Batterie.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, wenigstens aus einem Batteriemodul oder vorteilhaft auch aus einer Mehrzahl an Batteriemodulen bestehen. Weiterhin weist ein Batteriemodul bevorzugt eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche untereinander zu dem Batteriemodul verschaltet sind, wobei die einzelnen Batteriezellen seriell oder parallel miteinander verschaltet sein können.
  • Für eine Erhöhung der spezifischen Energiedichten der einzelnen Batteriezellen bevorzugt auf über 300Wh/kg benötigen bzw. nutzen insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, welche vorzugsweise reines Lithium als Anodenmaterial verwenden, wie beispielsweise Lithium-Schwefel-Batteriezellen oder Lithium-Metall-Polymer-Batteriezellen, aber auch Natrium-Nickelchlorid-Batteriezellen häufig Feststoffelektrolyte. Insbesondere bei Feststoffelektrolyten zeigen jedoch Ladung transportierende Ionen bei Raumtemperatur häufig eine verminderte Leitfähigkeit, und daher werden solche Batteriezellen mit einem Feststoffelektrolyten bevorzugt bei einem erhöhten Temperaturniveau betrieben, um eine ausreichende Leitfähigkeit aller Zellkomponenten, insbesondere des Lithium-Ionen leitenden Feststoffelektrolytens, ermöglichen zu können.
  • Einerseits erwärmen sich die Batteriezellen während des Betriebs aufgrund ihres elektrischen Innenwiderstandes bei einem Stromfluss, so dass ein Kühlkonzept nötig ist, damit die Temperatur zugelassene Höchstwerte der einzelnen Batteriezellen nicht übersteigt. Andererseits kühlen Batteriezellen in Ruhephasen oder bei einem nur eingeschränkten Betrieb ab, so dass ein Isolationskonzept dazu dienen kann, Wärmeverluste zu reduzieren, um so die benötigte Energie für eine Wiederaufheizung der Batteriezellen zu verringern. Insbesondere bei Batteriezellen mit Feststoffelektrolyten, welche bei erhöhter Temperatur betrieben werden, sollen Kühl- und Isolationskonzepte die Temperatur der Batteriezellen in einem bestimmten Temperaturbereich halten, um eine ausreichende Leitfähigkeit der Zellkomponenten zu gewährleisten, ohne die zulässige Höchsttemperatur zu überschreiten.
  • Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus der DE 10 2009 047 695 A1 Temperierungen von Batteriemodulen bekannt, welche zu einer Wärmeabfuhr die Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Flüssigkeit umströmen und über die Temperatur sowie die Durchflussmenge der Flüssigkeit den Wärmeabtransport steuern. Weiterhin kann dabei durch Anlegen eines Vakuums eine thermische Isolationsschicht ausgebildet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Gehäusesystem eines Batteriemoduls und das Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls mit einem solchen Gehäusesystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine verbesserte Temperaturkontrolle der zumindest einen in dem Gehäusesystem aufgenommenen Batteriezelle möglich ist. Dadurch kann insbesondere durch eine Verringerung der Werte kurzzeitig auftretender Temperaturspitzen oder sogar deren gänzlicher Vermeidung die Geschwindigkeit der Alterung einer Batteriezelle aufgrund zu hoher Temperaturen verringert werden. Weiterhin kann die für eine erneute Aufheizung der Batterie nach Ruhephasen benötigte Heizleistung verringert werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Gehäusesystem eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt mit einem Gehäuse aufweisend eine Doppelwand, die einen zur Aufnahme zumindest einer Batteriezelle eingerichteten Innenraum ausbildet. Dabei ist die Doppelwand von einer äußeren Gehäusewand und einer inneren Gehäusewand ausgebildet. Weiterhin weist die Doppelwand einen Zwischenraum auf, welcher über die innere Gehäusewand wärmeleitend mit dem Innenraum verbunden ist und über die äußere Gehäusewand wärmeleitend mit der Umgebung des Gehäuses verbunden ist. Ferner ist der Zwischenraum zur Aufnahme eines Gases eingerichtet. Dabei weist das Gehäusesystem zur Steuerung des Wärmeübertrags durch den Zwischenraum ein zur Erhöhung und/oder Verringerung des Drucks des Gases in dem Zwischenraum der Doppelwand eingerichtetes Verdichterelement auf.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung oder des im unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens möglich.
  • Der Druck des Gases innerhalb des Zwischenraums der Doppelwand bestimmt deren Wärmeleitfähigkeit, so dass das mit dem Zwischenraum der Doppelwand verbundene Verdichterelement über eine Veränderung des Drucks gleichzeitig auch die Wärmeleitfähigkeit verändern kann. Dabei erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Druck und die Wärmeleitfähigkeit verringert sich mit abnehmendem Druck.
  • Vorteilhaft kann das Verdichterelement den Druck dabei stufenlos oder zumindest mit einer kleinen Schrittweite einstellen, so dass eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit der Doppelwand einstellbar ist. Dadurch können auch verbesserte Regel- und Steuerkreise Anwendung finden, da eine genauere Einstellung der Wärmeleitfähigkeit möglich ist als im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusesystemen, welche eine Flüssigkeit zur Temperierung nutzen.
  • Mit einem erfindungsgemäßen Gehäusesystem eines Batteriemoduls kann einerseits zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums durch eine Erhöhung des Drucks des darin befindlichen Gases erhöht werden, um insbesondere während des Betriebs entstehende Wärme abzuführen, so dass die Temperatur der zumindest einen Batteriezelle zulässige Höchsttemperaturen nicht übersteigt. Andererseits kann mit einem erfindungsgemäßen Gehäusesystem eines Batteriemoduls zu einer Verbesserung der Isolationseigenschaften auch die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums durch eine Verringerung des Drucks des darin befindlichen Gases verringert werden, um beispielsweise während der Zeiten, in den die Batteriezellen durch zusätzliche Heizelemente auf Betriebstemperatur erhitzt werden oder während der Zeiten, in denen die Batteriezellen nicht oder nur eingeschränkt betrieben werden, aber dennoch bei Betriebstemperatur gehalten werden sollen, die Wärmeverluste über die Doppelwand zu reduzieren. Insbesondere in Ruhephasen kann der Zwischenraum auch evakuiert werden, so dass in diesem ein Vakuum anliegt, wodurch die Isolationseigenschaften weiter verbessert werden. Somit kann die für eine Aufheizung, insbesondere eine erneute Aufheizung nach einer Ruhephase, der Batteriezellen benötigte Energie reduziert werden.
  • Insgesamt ist es mit einem Gehäusesystem gemäß der Erfindung möglich, Batteriemodule, insbesondere Mittel- oder Hochtemperaturbatteriemodule, durch eine verbesserte Steuerung der Wärmeleitfähigkeit innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls zu betreiben, da durch die Regelung des Drucks des sich im Zwischenraum befindlichen Gases eine Veränderung der Wärmeleitfähigkeit möglich ist. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten, Flüssigkeiten nutzende Temperiersystemen ist eine schnellere und genauere Regelung der Temperatur möglich, da der Wärmetransport zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Umgebung des Gehäuses durch den Druck des Gases gesteuert werden kann. Dabei reduzieren sich insbesondere der konstruktive Aufwand und die Kosten, weil auf weitere Isolationsmaterialien verzichtet werden kann.
  • Insbesondere ist das Gehäusesystem ein Gehäusesystem einer Mitteltemperaturbatterie. Dabei ist unter Mitteltemperaturbatterie eine Batterie zu verstehen, welche in einem Temperaturbereich von 60°C bis 120°C betrieben wird. Bevorzugt ist eine Mitteltemperaturbatterie dabei eine Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise mit einem Feststoffelektrolyten oder eine Lithium-Metall-Batterie wie beispielsweise eine Lithium-Schwefel-Batterie, Lithium-Luft-Batterie oder eine Lithium-Metall-Polymer-Batterie. Batterien mit Feststoffelektrolyten, welche auch als Festkörperionenleiter bezeichnet sind, können als Kathodenmaterial Schwefel verwenden oder auch die Oxid-basierten Materialien NCA (Nickel Cobald Aluminium), NCM (Nickel Cobald Mangan) oder LFP (Lithium Eisen Phosphat).
  • Weiterhin kann die Mitteltemperaturbatterie auch eine Hochtemperaturbatterie sein, welche in einem Bereich von 270°C bis 350°C betrieben wird, beispielsweise eine Natrium-Nickelchlorid-Batterie.
  • Insbesondere wird der Druck des Gases in dem Zwischenraum zwischen dem idealen Zustand eines Vakuums bei einem minimalen Druck von 0 bar und dem Umgebungszustand bei dem für das Gehäusesystem maximalen Druck von 1,01325 bar variiert. Selbstverständlich kann der maximale Druck auch über dem Umgebungsdruck liegen, sollten die Wände des Gehäuses dafür stabil genug ausgebildet sein, so dass die Wärmeleitfähigkeit weiter gesteigert werden kann.
  • Von Vorteil ist es, wenn die äußere Gehäusewand zumindest einen Anschluss aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, das Gas in den Zwischenraum einzuleiten und/oder das Gas aus dem Zwischenraum abzuleiten. Dabei ist das Verdichterelement zur Steuerung der Einleitung des Gases in den Zwischenraum und/oder zur Ableitung des Gases aus dem Zwischenraum eingerichtet. Somit kann durch die Menge des in den Zwischenraum eingeleiteten Gases bzw. des aus dem Zwischenraum abgeleiteten Gases der Gasdruck und damit auch die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums bestimmt werden. Dadurch können vorteilhaft Regel- und Steuerkreise das Verdichterelement ansteuern.
  • Weiterhin von Vorteil ist es, wenn der Anschluss dazu eingerichtet ist, Flüssigkeitsdampf in den Zwischenraum einzuleiten und/oder aus dem Zwischenraum abzuleiten. Insbesondere kann der Flüssigkeitsdampf Wasserdampf sein. Dies hat den Vorteil, dass durch eine Anreicherung des sich in dem Zwischenraum befindlichen Gases, welches bevorzugt bei dem maximal möglichen Druck vorliegt, mit Flüssigkeitsdampf die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich erhöht werden kann, um die Wärmeabfuhr von der sich in dem Gehäusesystem befindlichen zumindest einen Batteriezelle zu erhöhen. Alternativ kann auch ein Kältemittel, welches beispielsweise aus der Anwendung in Kühlschränken bekannt ist, insbesondere dampfförmig, in den Zwischenraum eingeleitet werden.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die äußere Gehäusewand ein Ventil eingerichtet zu einem Druckausgleich zwischen dem Zwischenraum der Doppelwand und der Umgebung des Gehäuses aufweist. Somit ist ein schneller Druckausgleich mit der Umgebung auf einfache Weise möglich. Insbesondere dient das Ventil zu einer schnelleren Erhöhung des Drucks bei einem Wechsel von Isolationsbetrieb auf einen beispielsweise gesteigerten Kühlbetrieb. Insbesondere kann der Druck dabei auf den Umgebungsdruck erhöht werden.
  • Ferner kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass die äußere Gehäusewand und/oder die innere Gehäusewand eine Oberflächenbeschichtung mit reduziertem Emissionsgrad der Wärmestrahlung aufweisen. Insbesondere können die Gehäusewände des Zwischenraums an der Innenseite bzw. den Innenseiten verspiegelt sein. Somit kann die Wärmeübertragung zwischen einer erwärmten inneren Gehäusewand und einer äußeren Gehäusewand mit einer im Vergleich dazu geringeren Temperatur durch Wärmestrahlung reduziert werden. Dadurch kann die Doppelwand auch beispielsweise bei evakuiertem Zwischenraum für eine gewünschte Isolation durch eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit auf ein Mindestmaß sorgen, ohne dass die Temperatur des Batteriemoduls aufgrund von Wärmestrahlungsverlusten reduziert wird.
  • Vorteilhafterweise ist in dem Zwischenraum der Doppelwand eine Stützstruktur angeordnet. Dabei kann die Stützstruktur insbesondere ein offenporiger Kunststoff, wabenförmiges Metall- oder Kunststoffgitter, auch mehrlagig zueinander versetzt, oder ein keramisches Gitter sein. Die Stützstruktur dient dazu bei wechselnden Drücken die Ausbildung der Doppelwand insbesondere der äußeren Gehäusewand aufrecht zu halten.
  • Desweiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Gehäusesystem. Dabei ist in dem Innenraum zumindest eine Batteriezelle aufgenommen, welche wärmeleitend mit der inneren Gehäusewand verbunden ist. Dabei ist der Wärmeübertrag zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Umgebung durch den Druck des Gases in dem Zwischenraum einstellbar, wobei das Verdichterelement den Druck steuert. Ein solches Batteriemodul hat den Vorteil, dass eine verbesserte Temperierung der zumindest einen in dem Gehäusesystem aufgenommenen Batteriezelle möglich ist.
  • Das erfindungsgemäße Gehäusesystem des Batteriemoduls ist dabei selbstverständlich durch die oben erwähnten Weiterbildungen verbesserbar und weist daher auch die im Zusammenhang mit dem Gehäusesystem genannten Vorteile auf. Selbiges gilt auch für das im Folgenden beschriebene Verfahren.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls, welches ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Gehäusesystem aufweist. Dabei wird in dem Innenraum des Gehäuses zumindest eine Batteriezelle aufgenommen. Die zumindest eine Batteriezelle ist dabei über die innere Gehäusewand wärmeleitend mit dem Zwischenraum verbunden. Das Verdichterelement erhöht dabei den Druck des Gases zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Gases in dem Zwischenraum oder verringert den Druck des Gases zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des Gases. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine verbesserte Temperierung der zumindest einen in dem Gehäusesystem aufgenommenen Batteriezelle möglich.
  • Dabei ist es von Vorteil, wenn zu einer weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums über den zumindest einen Anschluss der äußeren Gehäusewand Flüssigkeitsdampf in den Zwischenraum eingeleitet wird und/oder das Gehäuse weiterhin ein Gebläseelement aufweist. Dabei wird das Gebläseelement dazu eingerichtet, das im Zwischenraum enthaltene Gas bzw. den Wasserdampf in Strömung zu versetzen. Dadurch ist es möglich, insbesondere zu einer Kühlung der zumindest einen Batteriezelle des Batteriemoduls, die übertragene Wärmemenge zu erhöhen. Hierbei können die reinen Wärmeleitungsvorgänge des Gases und eventuell des Wasserdampfes zusätzlich von konvektiven Wärmeübertragungen aufgrund der Strömung überlagert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, das in dem Zwischenraum enthaltene Gas in Strömung zu versetzen, ohne das Flüssigkeitsdampf zugegeben wird.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Batteriemodul in einem Temperaturbereich von 60°C bis 100°C betrieben wird. Bevorzugt weist ein solches Mitteltemperaturbatteriemodul zumindest eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem Feststoffelektrolyten auf.
  • Gemäß noch eines weiteren Aspekts der Erfindung kann vorgesehen, dass das Batteriemodul in einem Temperaturbereich von 270°C bis 350°C betrieben wird. Bevorzugt weist ein solches Hochtemperaturbatteriemodul Natrium-Nickelchlorid-Batteriezellen auf.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Gehäusesystem. Dabei ist eine erfindungsgemäße Batterie für Batterien im mobilen Einsatz, insbesondere in Elektrofahrzeugen und E-Bikes, verwendbar und für Batterien für die Anwendung im stationären Betrieb.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit einem erfindungsmäßen Gehäusesystem und
  • 2 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäusesystems mit einer weiteren Anordnung des Verdichterelements.
  • Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit einem erfindungsgemäßen Gehäusesystem 1 anhand dessen eine erste Betriebsweise erläutert werden soll.
  • Das Gehäusesystem 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Dabei weist das Gehäuse 2 eine Doppelwand 3 auf, welche von einer äußeren Gehäusewand 4 und einer inneren Gehäusewand 5 ausgebildet wird.
  • Weiterhin bildet die Doppelwand 3 einen zur Aufnahme zumindest einer Batteriezelle 6 eingerichteten Innenraum 7 aus. Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Batteriemoduls sind in dem Innenraum 7 beispielsweise fünf Batteriezellen 6 aufgenommen, welche jeweils zwei Terminals 8 aufweisen, die zu einer seriellen oder parallelen Verschaltung der Batteriezellen 6 miteinander dienen. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Doppelwand 3 den Innenraum 7 umschließt.
  • Desweiteren weist die Doppelwand 3 einen Zwischenraum 9 auf. Dabei wird der Zwischenraum 9 durch die äußere Gehäusewand 4 und die innere Gehäusewand 5 ausgebildet. Insbesondere ist der Zwischenraum 9 von der äußeren Gehäusewand 4 und der inneren Gehäusewand 5 begrenzt und im Wesentlichen abgeschlossen, wobei im Wesentlichen in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die äußere Gehäusewand 4 sowie die innere Gehäusewand 5 Durchführungen 10 für elektrische Leitungen aufweisen können, welche gasdicht abgeschlossen und bevorzugt wärmeisoliert durch den Zwischenraum 9 hindurch von einer Umgebung 11 des Gehäusesystems 1 in den Innenraum 7 geführt werden. Ferner bedeutet im Wesentlichen in diesem Zusammenhang, dass insbesondere die äußere Gehäusewand 4 noch zu beschreibende Anschlüsse aufweisen kann.
  • Der Zwischenraum 9 ist dabei über die innere Gehäusewand 5 wärmeleitend mit dem Innenraum 7 verbunden, so dass ein Wärmestrom 13, wie in 1 gezeigt, von dem Zwischenraum 9 an den Innenraum 7 übertragen werden kann und umgekehrt, was in 1 nicht dargestellt ist. Weiterhin ist der Zwischenraum 9 über die äußere Gehäusewand 4 wärmeleitend mit der Umgebung 11 des Gehäuses 2 verbunden, so dass ein Wärmestrom 12, wie in 1 gezeigt, von dem Zwischenraum 9 an die Umgebung 11 übertragen werden kann und umgekehrt, was in 1 nicht dargestellt ist. Die Wärmeströme 12, 13 können an jeder Stelle der Gehäusewände 4, 5, insbesondere gleichmäßig verteilt über die Gehäusewände 4, 5, übertragen werden.
  • Der Zwischenraum 9 ist zur Aufnahme eines Gases eingerichtet, welches in dem Zwischenraum 9 den Druck 14 aufweist. Der Druck 14 des sich in dem Zwischenraum 9 befindlichen Gases bestimmt dessen Wärmeleitfähigkeit und damit auch die Größe der übertragenen Wärmeströme 12, 13. Insbesondere kann das Gas Luft, Kohlendioxid, ein Edelgas, Schwefelhexafluorid oder eine Mischung der genannten Gase sein.
  • Das Gehäusesystem 1 weist ein Verdichterelement 15 auf, welches über einen Anschluss 16 der äußeren Gehäusewand 4 mit dem Zwischenraum 9 der Doppelwand 3 verbunden ist. Dabei ist das Verdichterelement 15 zur Erhöhung und/oder Verringerung des Drucks 14 des Gases in dem Zwischenraum 9 der Doppelwand 3 eingerichtet. Damit kann das Verdichterelement 15 über eine Veränderung des Drucks 14 die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums 9 steuern. Desweiteren umfasst der Begriff Verdichterelement den Begriff Vakuumpumpe.
  • Desweiteren ist aus der 1 zu erkennen, dass die äußere Gehäusewand 4 ein mit einem Ventil 191 verbundenen Anschluss 19 aufweist, welcher zu einem Druckausgleich zwischen dem Zwischenraum 9 der Doppelwand 3 und der Umgebung 11 des Gehäuses 2 eingerichtet ist. Dabei kann das Ventil 191 auch direkt mit der äußeren Gehäusewand 4 verbunden sein, insbesondere in die äußere Gehäusewand 4 integriert sein.
  • An den dem Zwischenraum 9 zugewandten Oberflächen 20, 21 weisen die äußere Gehäusewand 4 bzw. die innere Gehäusewand 5 auf ihrer Außenseite bzw. gegebenenfalls auf ihrer Innenseite bevorzugt jeweils eine Oberflächenbeschichtung mit einem reduzierten Emissionsgrad auf, um die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung zwischen der äußeren Gehäusewand 4 und der inneren Gehäusewand 5 zu verringern. Insbesondere bei Anliegen eines niedrigen Drucks 14 dienen die Oberflächenbeschichtung dazu, die gewünschten Isolationseigenschaften des Gehäusesystems 1 aufrecht zu erhalten.
  • Die Doppelwand 3 des Gehäuses 2 kann dabei derart ausgebildet sein, dass die innere Gehäusewand 5 und die äußere Gehäusewand 4 derart mechanisch stabil sind, dass diese den wechselnden Belastungen bei einer Veränderung des Drucks 14 standhalten können. Dazu kann der Zwischenraum 9 der Doppelwand 3 eine mechanische Stützstruktur 22 aufweisen, welche derart ausgebildet ist, dass das Volumen der Zwischenwand 9 im Wesentlichen konstant bleibt. Somit wirkt die mechanische Stützstruktur 22 den bei einer Verringerung des Drucks 14 aufgrund des Umgebungsdrucks wirkenden Kräften entgegen. Weiterhin weist die mechanische Stützstruktur 22 bevorzugt eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit auf und weist solche Öffnungen auf, die bevorzugt ohne Druckverluste mit dem Gas befüllbar sind und eine Strömung des Gases innerhalb des Zwischenraums 9 ermöglichen. Insbesondere offenporige Kunststoffschäume sind hierfür geeignet.
  • Aus der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass in dem Zwischenraum 9 ein Gebläseelement 23 angeordnet ist, welches dazu dient das in dem Zwischenraum 9 befindliche Gas in Strömung zu versetzen.
  • Es ist, wie aus der 1 ersichtlich wird, ferner möglich, dass das Gehäuse 2 einen Ablaufanschluss 17 aufweist, durch welchen das Gas aus dem Zwischenraum 9 abströmen kann. Dabei ist der Ablaufanschluss 17 mit einem Ventil 171 verbunden. Bevorzugt weist das Gehäusesystem 2 eine Mehrzahl an Ablaufanschlüssen 17 auf, um eine schnellere Einstellung des Drucks 14 zu ermöglichen. Dazu ist der Ablaufanschluss 17 bzw. die Mehrzahl an Ablaufanschlüssen 17 derart mit dem Verdichterelement 15 wirkverbunden, was in 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, dass das Ausströmen des Gases zur Reduzierung des Drucks 14 durch das Verdichterelement 15 gesteuert werden kann.
  • In einer ersten Betriebsweise des erfindungsgemäßen Gehäusesystems 1 saugt das Verdichterelement 15 zu einer Verringerung des Drucks 14 bei geschlossenem Ventil 191 das Gas aus dem Zwischenraum 9 ab. Insbesondere kann das Gas in die Umgebung abströmen. Bevorzugt strömt das Gas auch durch den Ablaufanschluss 17, welcher wirkverbunden mit dem Verdichterelement 15 ist, bei geöffnetem Ventil 171 ab. Insbesondere kann die wirkverbundene Verbindung in der Art ausgebildet sein, dass das Ventil 17 und eine Saugseite des Verdichterelements 15 durch eine Leitung verbunden sind. Weiterhin kann in der ersten Betriebsweise des erfindungsgemäßen Gehäusesystems 1 der Druck 14 durch Öffnen des Ventils 191 bei ausgeschaltetem Verdichterelement 15 erhöht werden, bis der Umgebungsdruck erreicht ist. Jedoch ist es auch möglich, durch Schließen des Ventils 191 einen bestimmten von dem Umgebungsdruck abweichenden Druck 14 einzustellen.
  • Die 2 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäusesystems 1 mit einer weiteren Anordnung des Verdichterelements 15 anhand dessen eine zweite Betriebsweise erläutert werden soll. Die nicht in dem Ausschnitt der 2 gezeigten Komponenten sind dabei gleich wie in der 1 angeordnet. An dieser Stelle sei jedoch noch angemerkt, dass auf den Ablaufanschluss 17 mit dem Ventil 171, wie später noch beschrieben, unter Umständen verzichtet werden kann.
  • Bei der in 2 gezeigten weiteren Ausführungsform weist das Gehäusesystem 1 einen parallel zu dem Verdichterelement 15 geschalteten Einlassanschluss 25 auf. Der Einlassanschluss 25 kann dabei in den Zwischenraum 9 oder, wie in 2 gezeigt, an der Stelle 252 in den Anschluss 16 münden. Weiterhin weist der Einlassanschluss 25 ein Ventil 251 auf. Ferner dient der Einlassanschluss 25 einem Zuströmen des Gases in den Zwischenraum 9 bzw. den Anschluss 16 zu einer Erhöhung des Drucks 14.
  • Desweiteren können das Verdichterelement 15 und das Ventil 251 mit einem Gastank 24, welcher das als Temperiermittel verwendete Gas enthält, verbunden sein. Insbesondere sind das Verdichterelement 15 und das Ventil 251 über Strömungskanäle 163 bzw. 253 mit dem Gastank 24 verbunden. Die Verwendung eines Gastanks 24 hat den Vorteil, dass auch von der Umgebungsluft verschiedene Gase verwendbar sind.
  • Bei einer zweiten Betriebsweise ist zu einer Erhöhung des Drucks 14 das Verdichterelement 15 ausgeschaltet und das Ventil 251 geöffnet, so dass Gas aus dem Gastank 24 oder alternativ auch der Umgebung 11 in den Zwischenraum 9 einströmen kann. Das einem Druckausgleich dienende Ventil 191 kann dabei geöffnet sein, um eine schnellere Druckerhöhung zu ermöglichen. Weiterhin kann das Ventil 191 bei einer Erhöhung des Drucks 14 auch geschlossen sein, insbesondere wenn ein von der Umgebungsluft verschiedenes Gas als Temperiermittel verwendet wird. Insbesondere ist dabei auch das Ventil 171 geschlossen. Dadurch strömt Gas aus dem Gastank 24 oder der Umgebung 11 nacheinander durch den Strömungskanal 253, das geöffnete Ventil 251, den Einlassanschluss 25 und insbesondere durch den Anschluss 16 in den Zwischenraum 9 und erhöht somit den Druck 14 bis der im Gastank 24 vorliegende Druck oder der Umgebungsdruck erreicht sind.
  • Zu einer Verringerung des Drucks 14 ist bei der zweiten Betriebsweise das Verdichterelement 15 eingeschaltet und das Ventil 251 geschlossen, so dass Gas aus dem Zwischenraum 9 durch das Verdichterelement 15 in den Gastank 24 abströmen kann oder alternativ auch in die Umgebung 11 abströmen kann. Insbesondere ist dabei auch das Ventil 171 geöffnet und der Ablaufkanal 17 wirkverbunden mit dem Verdichterelement 15 angeordnet, wobei auch auf den Ablaufkanal 17 verzichtet werden kann. Das Ventil 191 ist dabei geschlossen. Dadurch kann das Gas nacheinander durch den Anschluss 16, das Verdichterelement 15 und den Strömungskanal 163 in den Gastank oder alternativ auch in die Umgebung 11 abströmen.
  • Insbesondere sind das Verdichterelement 15 und das Ventil 251 regelungstechnisch derart miteinander gekoppelt, dass eine schnellere Einstellung des Drucks 14 möglich ist. Desweiteren kann der Zwischenraum 9 Sensorelemente zur Messung des Drucks 14 aufweisen. Dadurch können Steuer- und Regeleinheiten basierend auf den gemessenen Werten des Drucks 14 und/oder der Temperaturwerte der Batteriezellen 6 das Verdichterelement 15 und das Ventil 251 ansteuern.
  • Vorzugsweise ist das Ventil 251 samt Strömungskanälen 163, 253 und Anschlüssen 16, 25 in das Verdichterelement 15 integriert, wobei die in 2 gezeigte Gesamtheit als Verdichterelement 15 bezeichnet ist. Dadurch kann das Verdichterelement 15 die Erhöhung und die Reduzierung des Drucks 14 in dem Zwischenraum 9 steuern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009047695 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Gehäusesystem eines Batteriemoduls, insbesondere einer Mitteltemperaturbatterie oder einer Hochtemperaturbatterie, mit einem Gehäuse (2) aufweisend eine von einer äußeren Gehäusewand (4) und einer inneren Gehäusewand (5) ausgebildeten Doppelwand (3), die einen zur Aufnahme zumindest einer Batteriezelle (6) eingerichteten Innenraum (7) ausbildet, wobei die Doppelwand (3) weiterhin einen Zwischenraum (9) aufweist, welcher über die innere Gehäusewand (5) wärmeleitend mit dem Innenraum (7) verbunden ist und über die äußere Gehäusewand (4) wärmeleitend mit einer Umgebung (11) des Gehäuses (2) verbunden ist, und welcher ferner zur Aufnahme eines Gases eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusesystem (1) zur Steuerung des Wärmeübertrags durch den Zwischenraum (9) ein zur Erhöhung und/oder Verringerung des Drucks (14) des Gases in dem Zwischenraum (9) der Doppelwand (3) eingerichtetes Verdichterelement (15) aufweist.
  2. Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach Anspruch 1, wobei die äußere Gehäusewand (4) zumindest einen Anschluss (16, 17, 25) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, das Gas in den Zwischenraum (9) einzuleiten und/oder das Gas aus dem Zwischenraum (9) abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterelement (15) zur Steuerung der Einleitung des Gases in den Zwischenraum (9) und/oder zur Ableitung des Gases aus dem Zwischenraum (9) eingerichtet ist.
  3. Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anschluss (16, 17, 25) weiterhin dazu eingerichtet ist, Flüssigkeitsdampf, insbesondere Wasserdampf, in den Zwischenraum (9) einzuleiten und/oder aus dem Zwischenraum (9) abzuleiten.
  4. Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Gehäusewand (4) ein Ventil (191) eingerichtet zu einem Druckausgleich zwischen dem Zwischenraum (9) der Doppelwand (3) und der Umgebung (11) des Gehäuses (2) aufweist.
  5. Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Gehäusewand (4) und/oder die innere Gehäusewand (5) eine Oberflächenbeschichtung mit reduziertem Emissionsgrad der Wärmestrahlung aufweisen.
  6. Gehäusesystem eines Batteriemoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (9) der Doppelwand (3) eine Stützstruktur (22) angeordnet ist, wobei die Stützstruktur (22) insbesondere ein offenporiger Kunststoffschaum, wabenförmiges Metall- oder Kunststoffgitter, auch mehrlagig zueinander versetzt, oder ein keramisches Gitter ist.
  7. Batteriemodul mit einem Gehäusesystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Innenraum (7) zumindest eine Batteriezelle (6) aufgenommen ist, welche wärmeleitend mit der inneren Gehäusewand (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrag zwischen der zumindest einen Batteriezelle (6) und der Umgebung (11) durch den Druck (14) des Gases in dem Zwischenraum (9) einstellbar ist, wobei das Verdichterelement (15) den Druck (14) steuert.
  8. Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls mit einem Gehäusesystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Innenraum (7) des Gehäuses (2) zumindest eine Batteriezelle (6) aufgenommen wird und die zumindest eine Batteriezelle (6) über die innere Gehäusewand (5) wärmeleitend mit dem Zwischenraum (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterelement (15) den Druck (14) des Gases zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Gases in dem Zwischenraum (9) erhöht oder den Druck (14) des Gases zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des Gases verringert.
  9. Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Zwischenraums (9) über den zumindest einen Anschluss (16, 25) der äußeren Gehäusewand (4) Flüssigkeitsdampf, insbesondere Wasserdampf, in den Zwischenraum (9) eingeleitet wird und/oder das Gehäuse (2) weiterhin ein Gebläseelement (23) aufweist, welches dazu eingerichtet wird, das im Zwischenraum (9) enthaltene Gas bzw. den Wasserdampf in Strömung zu versetzen.
  10. Verfahren zur Temperierung eines Batteriemoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie in einem Temperaturbereich von 60°C bis 100°C oder 270°C bis 350°C betrieben wird.
  11. Batterie mit einem Gehäusesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mit einem Batteriemodul nach Anspruch 7 oder welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 betrieben wird.
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