DE102016204720A1

DE102016204720A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Batteriemoduls mittels Fahrtwind

Info

Publication number: DE102016204720A1
Application number: DE102016204720.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Weydanz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Batteriekühlung, insbesondere zur Kühlung von Batterien in Schnellzügen oder elektrisch betriebenen Flugzeugen, mit wenigstens einem Batteriemodul in einer Hülle eines Fortbewegungsmittel, wobei in der Hülle in Bewegungsrichtung vorne und hinten Öffnungen angeordnet sind, und zwischen diesen Öffnungen Flusskanäle für Luft entlang der Batterie angeordnet sind, um mittels der Luft des Fahrtwinds die Batterie zu kühlen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Batteriemoduls eines elektrisch betriebenen Fortbewegungsmittels mittels Fahrtwind.
Elektrische Speichersysteme werden heute in vielen mobilen und stationären Anwendungen eingesetzt. Elektrische Speichersysteme, vor allen auf Lithium-Ionen-Basis, sind dabei von großer Bedeutung, wenn hohe Energiedichten und eine sehr gute Leistungsfähigkeit benötigt werden. In vielen mobilen Anwendungen werden hohe Leistungen aus der Batterie gefordert. Dies hat häufig eine Erwärmung der Batterie im Einsatz zur Folge, die durch eine geeignete Kühlung kompensiert werden muss.
Eine geeignete Kühlung zeichnet zum einen aus, dass die Batterie eine zulässige Höchsttemperatur nicht überschreiten darf. Die Überschreitung der zulässigen Höchsttemperatur würde zu einer übermäßigen Alterung bis hin zu einer Schädigung der Batteriezellen führen. Im Extremfall kann eine Überschreitung der zulässigen Höchsttemperatur sogar zu sicherheitskritischen Zuständen der Batterie führen. Weiterhin sollen die Temperaturen der einzelnen Zellen eines Batteriemoduls möglichst wenig voneinander abweichen. Temperaturgradienten innerhalb einzelner Zellen sind ebenso zu vermeiden, um einer Alterung entgegen zu wirken. Die Temperaturunterschiede in einem Batteriepack eines Batteriemoduls sollten 5°C, idealerweise 3°C, nicht überschreiten.
Im Stand der Technik wird als Kühlsystem häufig eine Flüssigkühlung eingesetzt. Bei dieser Art der Kühlung werden alle Zellen eines Batteriemoduls gleichermaßen in einer Flüssigkeit eingeschlossen. Je nach Anforderung an die Gleichmäßigkeit der Kühlung der Zellen wird dieses Kühlsystem dimensioniert und muss weiterhin eine Rückkühleinrichtung umfassen. Diese Kühlvorrichtung kann nachteiliger Weise groß, schwer und teuer sein. Weiterhin trägt die Leistungsaufnahme der Kühleinrichtung in nachteiliger Weise zur zusätzlichen Entladung der Batterie für rein betriebsbedingte Anwendungen bei und führt dadurch zu einer Reduzierung der Reichweite, insbesondere von elektrisch betriebenen Fahrzeugen oder Flugzeugen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung anzugeben und ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung anzugeben, welche eine energiearme Kühlung eines Batteriemoduls in einem elektrisch betriebenen Fortbewegungsmittel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Die Vorrichtung zur Batteriekühlung, insbesondere zur Kühlung von Batterien elektrisch betriebenen Fortbewegungsmitteln, umfasst wenigstens ein Batteriemodul in einer Hülle eines Fortbewegungsmittels, wobei in der Hülle in Bewegungsrichtung vorne und hinten Öffnungen angeordnet sind, und zwischen diesen Öffnungen Flusskanäle für Luft entlang der Batterie angeordnet sind, um mittels der Luft des Fahrtwindes die Batterie zu kühlen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen einer Batterie eines elektrischen Fortbewegungsmittels wird wenigstens ein Batteriemodul mit Hilfe von Luft des Fahrtwinds gekühlt.
Insbesondere bei schnell fahrenden elektrisch betriebenen Fortbewegungsmitteln, insbesondere elektrisch betriebene Schnellzüge oder Flugzeugen, mit hohem Leistungsbedarf, kann eine geregelte Kühlung durch die Umgebungsluft vorteilhaft ohne Verwendung eines aufwändigen Kühlsystems mit Rückkühlung und Flüssigkeit eingesetzt werden. Durch den starken Fahrtwind erfolgt eine ausreichend große Kühlung des Batteriemoduls. Vorteilhaft erfolgt die Kühlung ohne die Verwendung eines aktiven Rückkühlsystems und ohne Verwendung von elektrisch betriebenen Lüftern. Besonders vorteilhaft ist daher eine energiearme und dadurch auch sehr kostengünstige Kühlung des Batteriemoduls in einem elektrisch betriebenen Fortbewegungsmittel möglich.
Die Öffnungen für den Luftein- und -auslass sind insbesondere an der Front und/oder dem Heck eines Fortbewegungsmittels angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass die Öffnungen in Bewegungsrichtung vorne oder hinten seitlich am Fahrzeug oder Flugmittel angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfassen die Öffnungen Klappen, welche ausgestaltet sind, die Öffnung wenigstens teilweise zu verschließen. Das Verfahren umfasst die Möglichkeit, eine Öffnung des Flusskanals mit einer Klappe in Abhängigkeit eines Luftstroms des Fahrtwinds wenigstens teilweise zu schließen. Vorteilhaft kann dann in Abhängigkeit der Luftstromgeschwindigkeit oder in Abhängigkeit der Temperatur der Umgebungsluft die Kühlung des Batteriemoduls einstellt werden. Bei einer maximal geöffneten Position der Klappen liegt die Öffnung nicht, bei einer minimal geöffneten Position der Klappen liegt die Öffnung vollständig geöffnet vor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung umfassen die Öffnungen ein Gitter, ein Netz oder eine Lochplatte. Vorteilhaft werden die Ein- und/oder Auslassöffnung mit dem Gitter, dem Netz oder der Lochplatte vollständig verdeckt. Vorteilhaft wird dann mittels des Gitters, des Netzes oder der Lochplatte verhindert, dass Tiere, insbesondere Vögel, in die Luftkanäle fliegen, und so die Batteriekühlung beschädigen oder sogar zerstören.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst das Batteriemodul eine Flüssigkeitskühlungsvorrichtung. Vorteilhaft kann diese Flüssigkeitskühlungsvorrichtung kleiner dimensioniert werden, als läge keine Luftkühlungsvorrichtung vor. Vorteilhaft wird im Vergleich zur Flüssigkühlung Energie gespart.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens in einem der Kühlkanäle eine Gebläsevorrichtung angeordnet. Vorteilhaft kann dadurch auch bei langsamen Fortbewegungsgeschwindigkeiten oder bei Stillstand des Fortbewegungsmittels gewährleistet werden, dass ausreichend hoher Luftstrom um das Batteriemodul fliest und dieses kühlt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Fahrtwind durch Flusskanäle an dem Batteriemodul vorbeigeführt. Vorteilhaft wird der Fahrtwind derart vorbeigeführt, dass die Kontaktfläche zwischen Fahrtwind und Batteriemodul möglichst groß ist. Vorteilhaft können die Flusskanäle Kühlrippen umfassen, um eine möglichst große Fläche zum Kühlen des Batteriemoduls bereit zu stellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens eine in Bewegungsrichtung vorne angeordnete Öffnung mit der Klappe wenigstens teilweise verschlossen.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein beispielhafte Ausgestaltungsformen und Merkmalskombinationen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches bedeuten. Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht eines elektrisch betriebenen Schnellzugs,
2 eine Frontansicht eines elektrisch betriebenen Schnellzugs.
1 zeigt einen elektrisch betriebenen Schnellzug 1. Der elektrisch betriebene Schnellzug 1 umfasst eine Fahrerkabine 2 und ein Batteriemodul 3. Der Einfachheit halber wird lediglich ein Batteriemodul 3 gezeigt. Typischerweise sind mehrere dieser Batteriemodule hintereinander oder nebeneinander in dem elektrisch betriebenen Schnellzug 1 angeordnet. Das Batteriemodul 3 wird von einem ersten Flusskanal 4 umgeben. Dabei kann ein Batteriemodul 3 von mehreren Flusskanälen parallel umgeben sein oder eine Vielzahl von Flusskanälen an dem Batteriemodul direkt oder indirekt vorbei führen, so dass die Luft das Batteriemodul 3 von mehreren Seiten kühlt. In den Kühlkanälen können Kühlrippen angeordnet sein, um die Wärmeaustauschoberfläche zwischen dem Batteriemodul 3 und der Luft vorteilhaft zu vergrößern. An der Eingangsöffnung 11 des ersten Flusskanals 4 ist ein Gitter 6 angeordnet. Auch an der Auslassöffnung 10 ist ein Gitter 6 angeordnet. Weiterhin ist an der Einlassöffnung 11 eine Klappe 7 angeordnet, welche es ermöglicht die Einlassöffnung 11 wenigstens teilweise zu verschließen.
Typischerweise durchströmt die Umgebungsluft bei Fahrbetrieb des elektrisch betriebenen Schnellzugs 1 die Luftflusskanäle 4, 5. Die Luft wird so in Fahrtrichtung gesehen vorne in den Schnellzug geführt, wird dann an dem Batteriemodul 3 vorbeigeführt, wo eine Kühlung erfolgt, und anschließend durch die Auslassöffnung 10 aus dem Schnellzug 1 herausgeführt. Die Öffnungen sind jeweils mit Gittern 6 verdeckt. Dies gewährleistet, dass keine Tiere oder größere Gegenstände in einen der Lüftungsflusskanäle 4, 5 eindringen, und diesen versperren. Ein versperren des Flusskanals kann zu einem Überhitzen des Batteriemoduls, bis hin zur Zerstörung des Antriebs des Schnellzugs führen. Die Einlassöffnung 11 für die Luft ist mit einer Klappe 7 teilweise verschließbar. In der komplett geöffneten Position der Klappe 7 ist die Einlassöffnung 11 komplett geöffnet. In der maximal geschlossenen Position der Klappe 7 ist die Einlassöffnung 11 komplett verschlossen. Typischerweise wird eine Position zwischen diesen Beiden Extrempositionen gewählt, um die Luftzufuhr in den Flusskanals einstellen zu können. Die Fließgeschwindigkeit der Luft wird in Anhängigkeit des Fahrtwinds, das heißt auch in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit des Schnellzugs, und in Abhängigkeit der Außentemperatur eingestellt. Auch Parameter wie die relative Luftfeuchte der Luft können beim Einstellen des Luftstroms berücksichtigt werden. In 1 ist exemplarisch ein Schnellzug abgebildet. Ebenso eignet sich das Kühlen eines Batteriemoduls mit Luft aber auch für das Kühlen eines Batteriemoduls in einem elektrisch betriebenen Flugzeug und weiteren elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
2 zeigt eine Frontansicht des elektrisch betriebenen Schnellzugs 1. Der elektrisch betriebene Schnellzug 1 umfasst eine Fahrerkabine 2. Der Schnellzug 1 umfasst weiterhin wenigstens zwei Flusskanäle, einen ersten Flusskanal 4 und einen zweiten Flusskanal 5, für die Luft zum Kühlen des Batteriemoduls 3. Die Eintrittsöffnungen 11 für die Luft können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein. Es ist ebenso denkbar, dass die Einlassöffnungen 11 für die Luft in Bewegungsrichtung seitlich vorne am Zug angeordnet sind.

Claims

Vorrichtung zur Batteriekühlung, insbesondere zur Kühlung von Batterien in Schnellzügen (1) oder elektrisch betriebenen Flugzeugen, mit wenigstens einem Batteriemodul (3) in einer Hülle eines Fortbewegungsmittel, wobei in der Hülle in Bewegungsrichtung vorne und hinten Öffnungen (10, 11) angeordnet sind, und zwischen diesen Öffnungen (10, 11) Flusskanäle (4, 5) für Luft entlang des Batteriemoduls (3) angeordnet sind, um mittels der Luft des Fahrtwinds das Batteriemodul (3) zu kühlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Öffnungen (10, 11) Klappen (7) umfassen, welche ausgestaltet sind, die Öffnung (10, 11) wenigstens teilweise zu verschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Batteriemodul (3) eine Flüssigkeitskühlungsvorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Öffnungen (10, 11) ein Gitter (6), ein Netz oder eine Lochplatte angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in wenigstens einem Flusskanal (4, 5) eine Gebläsevorrichtung angeordnet ist.
Verfahren zum Kühlen eines Batteriemoduls (3) in einem elektrisch betriebenen Flugzeug oder Schnellzug (1) bei der wenigstens ein Batteriemodul (3) mit Hilfe von Luft des Fahrtwinds gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fahrtwind durch Flusskanäle (4, 5) an dem Batteriemodul (3) vorbei geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei wenigstens eine Öffnung (10, 11) des Flusskanals (4, 5) mit einer Klappe (7) wenigstens teilweise verschlossen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei wenigstens die in Bewegungsrichtung vorne angeordnete Öffnung (11) mit der Klappe (7) wenigstens teilweise verschlossen werden kann.