DE102016215851A1

DE102016215851A1 - Kühlvorrichtung für eine Batteriebaugruppe sowie Einheit aus einer Batteriebaugruppe und einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102016215851A1
Application number: DE102016215851.1A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Flahaut; Michael Huber; Sebastian Siering; Jan Mysliwietz; Andreas Ring
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN109075411A; US20190181518A1; WO2018036764A1; US11183720B2

Abstract

Eine Kühlvorrichtung (20) für eine Batteriebaugruppe (12), insbesondere einen Hochvoltspeicher, eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, hat mehrere Kühlleitungen (28), in denen ein Kühlmedium geführt ist, wobei die Kühlvorrichtung (20) ausgebildet ist, Wärme von der Batteriebaugruppe (12) auf das Kühlmedium zu übertragen. Die Kühlvorrichtung (20) weist wenigstens zwei separat ausgebildete, einer Batterie gegenüberliegende Einzelkühlelemente (22) auf, die jeweils über ein eigenes, dem jeweiligen Einzelkühlelement (22) zugeordnetes Ventil (24) mit Kühlmedium versorgt werden. Zudem wird eine Einheit (10) aus einer Batteriebaugruppe (12) und einer Kühlvorrichtung (20) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batteriebaugruppe, insbesondere einen Hochvoltspeicher, eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit mehreren Kühlleitungen, in denen ein Kühlmedium geführt ist, wobei die Kühlvorrichtung ausgebildet ist, Wärme von der Batteriebaugruppe auf das Kühlmedium zu übertragen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einheit aus einer Batteriebaugruppe und einer solchen Kühlvorrichtung.
Zur Sicherung der Reichweite, Lebensdauer und abrufbaren Leistung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (wie etwa Hybridfahrzeugen, Plug-in-Hybridfahrzeugen sowie rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen) ist ein definiertes Thermomanagement der Batterien bzw. Batteriezellen bzw. Batteriemodule erforderlich. Dabei muss insbesondere gewährleistet werden, dass sich die als Akkumulatoren ausgebildeten Batterien während des Lade- und Entladevorgangs zu jeder Zeit in einem definierten Temperaturbereich befinden, da es sonst zu einer verstärkten Degradierung der Zelleigenschaften kommt, was eine vorzeitige Alterung der Akkumulatoren begünstigt, wodurch deren Lebensdauer sinkt.
Aus diesem Grund ist es nötig, im Inneren der Batteriebaugruppe, bei der es sich insbesondere um einen Hochvoltspeicher handelt, eine als Kältemittel- oder Kühlmittelkühlung ausgebildete Kühlvorrichtung zu installieren, um die maximale Temperatur der Batteriebaugruppe zu beschränken. Weiterhin ist entscheidend, dass zwischen den einzelnen Zellen bzw. Zellmodulen der Batteriebaugruppe eine Temperaturspreizung so gering wie möglich gehalten wird.
Aktuelle Bauraumvorgaben, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, erfordern zum Teil eine mehrstöckige Anordnung der Batteriezellen bzw. Batteriemodule; darüber hinaus befinden sich die Einbauräume bei Hybridfahrzeugen oftmals in der Nähe der Abgasanlage. Dies bedingt einen zumindest teilweise asymmetrischen Wärmeeintrag in die Batteriebaugruppe und somit eine asymmetrische Aufheizung einzelner Bereiche der Batteriebaugruppe, in denen Zellen bzw. Zellmodule untergebracht sind. Da derartige Temperaturspreizungen innerhalb der Batteriebaugruppe oftmals zeitlich begrenzt sind, kann die Kühlvorrichtung für die Batteriebaugruppe nicht permanent auf die Asymmetrie ausgelegt werden. Zusätzlich ergibt sich aufgrund des mehrstöckigen Aufbaus und der Größe der Batteriebaugruppe eine hohe Anzahl an Parallelpfaden, auf die das Kühlmedium homogen aufgeteilt werden müsste, was physikalisch schwierig ist. Dies gilt insbesondere im Fall eines Kältemittels, welches nur einen sehr geringen Anteil an einer flüssigen Phase aufweist. Bei einer rein seriellen Anordnung der Kühlleitungen ist naturgemäß deren Gesamtlänge begrenzt, wodurch sich diese ebenfalls nicht für die Kühlung einer großen Batteriebaugruppe eignet. Auch eine Regelung der Kühlmedienverteilung beispielsweise über aktive Verteilaktuatoren entfällt aus Kostengründen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, die bei einfacher und kostengünstiger Herstellung eine homogene Temperaturverteilung innerhalb einer Batteriebaugruppe ermöglicht und somit eine sichere und zuverlässige Kühlung der Batteriebaugruppe gewährleistet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist hierzu bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung wenigstens zwei separat ausgebildete, einer Batterie gegenüberliegende Einzelkühlelemente aufweist, die jeweils über ein eigenes, dem jeweiligen Einzelkühlelement zugeordnetes Ventil mit Kühlmedium versorgt werden. Durch die Verwendung mehrerer Einzelkühlelemente mit je einem eigenen Ventil lassen sich insgesamt mehr Parallelpfade innerhalb der Kühlvorrichtung realisieren, was eine homogenere Kühlmedienaufteilung und somit eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Batteriebaugruppe ermöglicht. Zudem ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung vergleichsweise einfach und kostengünstig realisierbar. Unter Batterie ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein Batteriemodul bzw. eine Gruppe von Batteriemodulen zu verstehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht zwischen den Kühlleitungen eines Einzelkühlelementes keine Strömungsverbindung mit den Kühlleitungen des anderen Einzelkühlelementes. Es ist also zwischen den Einzelkühlelementen kein Austausch von Kühlmedium möglich, wodurch jedes Einzelkühlelement quasi eine eigene Kühlvorrichtung darstellt, die unabhängig von den weiteren Einzelkühlelementen ist.
Vorzugsweise ist der Kühlmedienfluss durch die Einzelkühlelemente unabhängig voneinander regelbar. Dadurch lassen sich insbesondere Temperaturunterschiede durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch Wärmeeintrag aus der Abgasanlage eines Hybridfahrzeugs, zuverlässig ausgleichen.
Dabei können die Einzelkühlelemente jeweils eine oder mehrere Kühlplatten aufweisen. Im Falle mehrerer zu einem Einzelkühlelement gehörender Kühlplatten sind diese strömungsmäßig miteinander verbunden, so dass der Kühlmedienfluss durch alle Kühlplatten durch das dem Einzelkühlelement zugeordnete Ventil geregelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Kühlmedium um ein Kältemittel, das insbesondere als zweiphasiges Gemisch mit einer flüssigen und einer gasförmigen Phase vorliegt. Es liegt also eine Direktkältemittelkühlung vor, bei der das Kältemittel selbst die Einzelkühlelemente durchströmt.
Alternativ wäre es denkbar, als Kühlmedium beispielsweise Wasser zu verwenden, das mittels eines Wärmetauschers die aufgenommene Wärme an ein Kältemittel abgibt. Auch eine reine Kühlmittelkühlung ist theoretisch möglich.
Bei den Ventilen handelt es sich bevorzugt um selbstregelnde oder geregelte Expansionsventile. Ein Beispiel für ein selbstregelndes Expansionsventil ist ein sogenanntes thermostatisches Expansionsventil (TXV); als geregelte Expansionsventile kommen beispielsweise elektro-thermostatische Expansionsventile (eTXV), elektronische Expansionsventile (EXV), Drossel-Magnetventile (DMV) oder mittels einer Formgedächtnislegierung betriebene Ventile (SXV Shape Memory Valve) infrage.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ebenso gelöst durch eine Einheit aus einer Batteriebaugruppe sowie einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, wobei die Batteriebaugruppe mehrere Batteriemodule aufweist, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Durch die Verwendung mehrerer (d.h. wenigstens zweier) Einzelkühlelemente lassen sich Temperaturunterschiede in der Batteriebaugruppe durch äußere Einflüsse besser ausgleichen, insbesondere wenn die einzelnen Einzelkühlelemente unabhängig voneinander regelbar sind. Zudem lassen sich mehr Parallelpfade realisieren, was eine homogenere Kühlmedienaufteilung und damit eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriebaugruppe ermöglicht.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist jedes Einzelkühlelement einem Batteriemodul zugeordnet. Insbesondere ist jedes Einzelkühlelement genau einem Batteriemodul zugeordnet. Dadurch wird eine besonders zuverlässige und individuell regelbare Kühlung erreicht.
Alternativ, insbesondere bei einer Hochleistungsbatteriebaugruppe mit vielen Batteriemodulen, ist es möglich, dass ein Einzelkühlelement mehreren Batteriemodulen, insbesondere bis zu sechs Batteriemodulen, zugeordnet ist. Wie sich in Versuchen gezeigt hat, ist dadurch eine ausreichende Kühlung beispielsweise eines Hochvoltspeichers sichergestellt, wobei die Kühlvorrichtung vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist.
In einer Weiterbildung weisen die Einzelkühlelemente jeweils mehrere Kühlplatten auf, wobei jede Kühlplatte einem Batteriemodul zugeordnet und ihm gegenüberliegend angeordnet ist. Insbesondere ist jede Kühlplatte genau einem Batteriemodul zugeordnet, wodurch eine besonders zuverlässige und gleichmäßige Kühlung der Batteriebaugruppe erreicht wird. Dabei liegen die Kühlplatten insbesondere an einem Außengehäuse der Batteriemodule an.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die sich durch einen besonders platzsparenden Aufbau auszeichnet, sind die Batteriemodule bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug zumindest teilweise vertikal übereinander angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei der Batteriebaugruppe um einen mehrstöckigen Hochvoltspeicher. Bei dieser Ausgestaltung sind auch die Einzelkühlelemente bzw. deren einzelne Kühlplatten vorzugsweise vertikal übereinander angeordnet, und zwar jeweils in flächigem Kontakt mit dem zugeordneten Batteriemodul.
Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich erreichen, wenn ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen ist, in dem die Batteriemodule der Batteriebaugruppe sowie die Kühlvorrichtung angeordnet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Einheit aus einer Batteriebaugruppe sowie einer Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einheit, in der die Kühlvorrichtung aus 2 zum Einsatz kommt.
1 zeigt eine Einheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Einheit 10 weist eine Batteriebaugruppe 12 auf, bei der es sich insbesondere um einen Hochvoltspeicher eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handelt, und umfasst mehrere (hier zwei) Batteriemodule 14, die sich ihrerseits aus jeweils mehreren Batteriezellen 16 zusammensetzen.
Die Einheit 10 weist weiterhin eine Kühlvorrichtung 20 auf, die mehrere (hier ebenfalls zwei) separat ausgebildete Einzelkühlelemente 22 umfasst, die jeweils über ein eigenes, dem jeweiligen Einzelkühlelement 22 zugeordnetes Ventil 24 mit einem Kühlmedium, hier einem Kältemittel, versorgt werden. Zu diesem Zweck weist jedes Einzelkühlelement 22 einen Kühlmedieneingang 26 auf, in dem das Ventil 24, bei dem es sich um ein Expansionsventil handelt, angeordnet ist. Das Expansionsventil kann dabei selbstregelnd oder geregelt ausgeführt sein. Das als Kühlmedium eingesetzte Kältemittel liegt am Kühlmedieneingang 26 als unterkühlte Flüssigkeit und nach Expansion bzw. nach dem Expansionsventil 24 insbesondere als Zweiphasengemisch aus einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase vor.
Über den jeweiligen Kühlmedieneingang 26 und das Ventil 24 ist das Kühlmedium in Form des Kältemittels mehreren Kühlleitungen 28 zuführbar, die zusammen eine Kühlplatte 30 bilden, die einem Batteriemodul 14 gegenüber und an diesem flächig anliegt. Nachdem das Kühlmedium über die parallel angeordneten Kühlleitungen 28 Wärme von seinem zugeordneten Batteriemodul 14 aufgenommen und dieses dadurch gekühlt hat, ist es über einen Kühlmedienausgang 32 wieder an einen Kühlmedienkreislauf des Fahrzeugs abgebbar.
Wie aus 1 hervorgeht, ist jedes Einzelkühlelement 22 genau einem Batteriemodul 14 zugeordnet, wobei zwischen den Kühlleitungen 28 eines Einzelkühlelements 22 keine Strömungsverbindung mit den Kühlleitungen 28 des anderen Kühlelements 22 besteht. Es ist also kein Austausch des Kühlmediums zwischen den beiden Einzelkühlelementen 22 möglich. Darüber hinaus ist der Kühlmedienfluss durch die Einzelkühlelemente 22 mit Hilfe der Ventile 24 unabhängig voneinander regelbar.
2 zeigt eine Kühlvorrichtung 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Ausführungsform eingegangen wird.
Die Kühlvorrichtung 20 gemäß 2 weist ebenfalls zwei Einzelkühlelemente 22 auf, die über ein jeweils zugeordnetes Ventil 24, auch hier wieder ein geregeltes oder selbstregelndes Expansionsventil, mit Kühlmedium in Form von Kältemittel versorgt werden. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 1 hat hier jedoch jedes Einzelkühlelement 22 mehrere, nämlich drei Kühlplatten 30, die über Verbindungsleitungen 34 miteinander in Strömungsverbindung stehen. Die beiden Einzelkühlelemente 22 jedoch sind untereinander strömungsmäßig nicht verbunden, so dass kein Austausch des Kühlmediums bzw. Kältemittels zwischen ihnen stattfindet.
Bei der Ausgestaltung gemäß 2 ist jede der Kühlplatten 30 einem Batteriemodul einer als Hochvoltspeicher ausgebildeten Batteriebaugruppe zugeordnet und diesem Batteriemodul gegenüberliegend angeordnet. Jedes Einzelkühlelement 22 kühlt somit drei Batteriemodule, auf deren Darstellung in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Wie auch je zwei der drei Kühlplatten 30 jedes Einzelkühlelements 22 in 2 sind bei der zugeordneten Batteriebaugruppe die Batteriemodule bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug teilweise vertikal übereinander angeordnet, wobei sich die Kühlplatten 30 jeweils in flächigem Kontakt mit ihrem zugeordneten Batteriemodul befinden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Einheit 10, in der die Kühlvorrichtung 20 gemäß 2 verbaut ist. Bei der zugehörigen Batteriebaugruppe handelt es sich um einen mehrstöckigen Hochvoltspeicher, bei dem jeweils zwei Batteriemodule in beiden Hälften der Einheit 10 übereinander angeordnet sind. Es ist ein gemeinsames Gehäuse 36 vorgesehen, in dem sowohl die Batteriemodule der Batteriebaugruppe sowie die Kühlvorrichtung 20 mit den aus je drei Kühlplatten 30 bestehenden Einzelkühlelementen 22 angeordnet sind.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lassen sich Temperaturunterschiede durch äußere Einflüsse besser ausgleichen, da die einzelnen Einzelkühlelemente durch die zugeordneten Ventile unabhängig voneinander geregelt werden. Darüber hinaus lassen sich insgesamt mehr Parallelpfade realisieren, die eine homogenere Kältemittelaufteilung und somit eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriebaugruppe ermöglichen.

Claims

Kühlvorrichtung für eine Batteriebaugruppe (12), insbesondere einen Hochvoltspeicher, eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit mehreren Kühlleitungen (28), in denen ein Kühlmedium geführt ist, wobei die Kühlvorrichtung (20) ausgebildet ist, Wärme von der Batteriebaugruppe (12) auf das Kühlmedium zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (20) wenigstens zwei separat ausgebildete, einer Batterie gegenüberliegende Einzelkühlelemente (22) aufweist, die jeweils über ein eigenes, dem jeweiligen Einzelkühlelement (22) zugeordnetes Ventil (24) mit Kühlmedium versorgt werden.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlleitungen (28) der Einzelkühlelemente (22) keine Strömungsverbindung mit den Kühlleitungen (28) des anderen Einzelkühlelements (22) besteht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmedienfluss durch die Einzelkühlelemente (22) unabhängig voneinander regelbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkühlelemente (22) jeweils eine oder mehrere Kühlplatten (30) aufweisen.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlmedium um ein Kältemittel handelt, das insbesondere als zweiphasiges Gemisch mit einer flüssigen und einer gasförmigen Phase vorliegt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Ventilen (24) um selbstregelnde oder geregelte Expansionsventile handelt.
Einheit aus einer Batteriebaugruppe (12) und einer Kühlvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriebaugruppe (12) mehrere Batteriemodule (14) aufweist, die jeweils mehrere Batteriezellen (16) umfassen.
Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einzelkühlelement (22) einem Batteriemodul (14) zugeordnet ist.
Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelkühlelement (22) mehreren Batteriemodulen (14), insbesondere bis zu 6 Batteriemodulen (14), zugeordnet ist.
Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkühlelemente (22) jeweils mehrere Kühlplatten (30) aufweisen, wobei jede Kühlplatte (30) einem Batteriemodul (14) zugeordnet und ihm gegenüberliegend angeordnet ist.
Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (14) bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug zumindest teilweise vertikal übereinander angeordnet sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Gehäuse (36) vorgesehen ist, in dem die Batteriemodule (14) der Batteriebaugruppe (12) sowie die Kühlvorrichtung (20) angeordnet sind.