DE102017219792A1 - Energy storage system and method for operating the energy storage system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Energiespeichersystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriemodul (5) mit mindestens einer Batteriezelle und eine Heizvorrichtung (10) zum Erwärmen des Batteriemoduls (5). Dabei umfasst die Heizvorrichtung (10) einen Kältemittelkreislauf (46), der ein Kältemittel aufweist, und das Batteriemodul (5) ist derart mit dem Kältemittelkreislauf (46) gekoppelt, dass Wärmeenergie, die bei einer Kondensation des Kältemittels frei wird, an die mindestens eine Batteriezelle übertragbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems (1), wobei das Batteriemodul (5) von der Heizvorrichtung (10) erwärmt wird, indem Wärmeenergie, die bei einer Kondensation des Kältemittels frei wird, an die mindestens eine Batteriezelle übertragen wird. The invention relates to an energy storage system (1), in particular for a motor vehicle, comprising at least one battery module (5) with at least one battery cell and a heating device (10) for heating the battery module (5). In this case, the heating device (10) comprises a refrigerant circuit (46) having a refrigerant, and the battery module (5) is coupled to the refrigerant circuit (46) such that heat energy, which is released in a condensation of the refrigerant, at least one Battery cell is transferable. The invention also relates to a method for operating an energy storage system (1) according to the invention, wherein the battery module (5) is heated by the heating device (10) by transferring heat energy, which is released upon condensation of the refrigerant, to the at least one battery cell.
Description
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle und eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Batteriemoduls umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems.The invention relates to an energy storage system, in particular for a motor vehicle, which comprises at least one battery module with at least one battery cell and a heating device for heating the battery module. The invention also relates to a method for operating the energy storage system according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Insbesondere sind Sekundärbatterien bekannt, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, und welche wieder aufladbar sind. Batteriemodule umfassen in der Regel mehrere Batteriezellen, welche elektrische seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. In particular, secondary batteries are known, which are also referred to as accumulators, and which are rechargeable. Battery modules usually comprise a plurality of battery cells, which are electrically connected in series and / or parallel to each other.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used, inter alia, in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV).
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die beiden Elektroden sind durch einen Separator voneinander separiert. Die beiden Elektroden und der besagte Separator sind dabei von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben.Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode. The cathode and the anode each comprise a current conductor, on which an active material is applied. The two electrodes are separated by a separator. The two electrodes and the separator are surrounded by a generally liquid electrolyte.
Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Deinterkalation bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Interkalation bezeichnet wird.During operation of the battery cell, ie during a discharge process, electrons flow in an external circuit from the anode to the cathode. Within the battery cell, lithium ions migrate from the anode to the cathode during a discharge process. The lithium ions from the active material of the anode store reversibly, which is also called deintercalation. During a charging process of the battery cell, the lithium ions migrate from the cathode to the anode. In this case, the lithium ions reversibly store back into the active material of the anode, which is also referred to as intercalation.
Es sind auch Batteriezellen bekannt, welche einen Elektrolyt in fester Form aufweisen, welcher als Festkörperelektrolyt bezeichnet wird. Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyt weisen eine höhere Energiedichte als konventionelle Lithium-Ionen-Batteriezellen auf. Jedoch haben derartige Batteriezellen oft eine verhältnismäßig hohe optimale Betriebstemperatur von beispielsweise 50 °C bis 60 °C. Derartige Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyt haben bei niedrigen Temperaturen einen verhältnismäßig hohen elektrischen Innenwiderstand und können somit bei niedrigen Temperaturen nicht optimal betrieben werden.There are also known battery cells which have an electrolyte in solid form, which is referred to as a solid electrolyte. Battery cells with a solid electrolyte have a higher energy density than conventional lithium-ion battery cells. However, such battery cells often have a relatively high optimum operating temperature of, for example, 50 ° C to 60 ° C. Such battery cells with a solid electrolyte have a relatively high internal electrical resistance at low temperatures and thus can not be operated optimally at low temperatures.
Beispielsweise sind ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activities) Batterien bekannt, die einen Festkörperelektrolyt und eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur aufweisen. Solche Batterien werden beispielsweise durch elektrisch betriebene Heizvorrichtungen auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt.For example, Zebra (Zero Emission Battery Research Activities) batteries are known, which have a solid electrolyte and a relatively high operating temperature. Such batteries are heated, for example, by electrically operated heaters to their optimum operating temperature.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Energiespeichersystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, welches mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle und eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Batteriemoduls umfasst. Das Batteriemodul weist vorzugsweise mehrere Batteriezellen auf, die seriell oder parallel miteinander verschaltet sind. Die Batteriezellen des Batteriemoduls umfassen beispielsweise einen Festkörperelektrolyt und weisen eine verhältnismäßig hohe optimale Betriebstemperatur von beispielsweise 50 °C bis 60 °C auf.An energy storage system, in particular for a motor vehicle, is proposed which comprises at least one battery module with at least one battery cell and a heating device for heating the battery module. The battery module preferably has a plurality of battery cells, which are connected in series or in parallel with each other. The battery cells of the battery module include, for example, a solid electrolyte and have a relatively high optimum operating temperature, for example, 50 ° C to 60 ° C.
Erfindungsgemäß umfasst die Heizvorrichtung einen Kältemittelkreislauf, der ein Kältemittel aufweist, und das Batteriemodul ist derart mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt, dass Wärmeenergie, die bei einer Kondensation des Kältemittels frei wird, an die mindestens eine Batteriezelle übertragbar ist. Bei dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs handelt es sich beispielsweise um Kohlenstoffdioxid (CO2), welches auch als R-744 bezeichnet wird. Im Betrieb der Heizvorrichtung strömt das Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf.According to the invention, the heating device comprises a refrigerant circuit which has a refrigerant, and the battery module is coupled to the refrigerant circuit in such a way that heat energy, which is released upon condensation of the refrigerant, can be transmitted to the at least one battery cell. The refrigerant of the refrigerant circuit is, for example, carbon dioxide (CO 2 ), which is also referred to as R-744. During operation of the heater, the refrigerant flows through the refrigerant circuit.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Heizvorrichtung mindestens einen Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, einen Fahrzeugkondensator, in welchem das Kältemittel abkühlt und kondensiert, ein Expansionsorgan, in welchem das Kältemittel expandiert, und einen Verdampfer, in welchem das flüssige Kältemittel verdampft. Der Verdichter, der Fahrzeugkondensator, das Expansionsorgan und der Verdampfer sind dabei in dem Kältemittelkreislauf angeordnet und von dem Kältemittel durchströmbar.According to a preferred embodiment of the invention, the heating device comprises at least one compressor for compressing the refrigerant, a vehicle condenser in which the refrigerant cools and condenses, an expansion element in which the refrigerant expands, and a Evaporator in which the liquid refrigerant evaporates. The compressor, the vehicle condenser, the expansion element and the evaporator are arranged in the refrigerant circuit and can be flowed through by the refrigerant.
Der Kältemittelkreislauf ist beispielsweise Teil einer Klimaanlage, welche in handelsüblichen Fahrzeugen vorhanden ist. Dem Verdichter, der beispielsweise als elektrisch betreibbarer Kompressor ausgestaltet ist, ist hochdruckseitig der Fahrzeugkondensator nachgeschaltet, der auch als Gaskühler bezeichnet wird. Dem Fahrzeugkondensator schließt sich das Expansionsorgan an, welches auch als Entspannungsvorrichtung bezeichnet wird. An das Expansionsorgan schließt sich der Verdampfer an, welcher an einer Saugseite an den Verdichter angeschlossen ist.The refrigerant circuit, for example, part of an air conditioner, which is available in commercial vehicles. The compressor, which is configured, for example, as an electrically operable compressor, the high-pressure side of the vehicle capacitor is connected downstream, which is also referred to as a gas cooler. The vehicle capacitor is followed by the expansion element, which is also referred to as a relaxation device. The expander is followed by the evaporator, which is connected to the compressor on a suction side.
Im Betrieb der Heizvorrichtung wird das Kältemittel von dem Verdichter komprimiert und dabei erhitzt. Das Kältemittel strömt dann von dem Verdichter zu dem Fahrzeugkondensator, wo das Kältemittel abgekühlt wird und zumindest teilweise kondensiert. Von dem Fahrzeugkondensator strömt das Kältemittel zu dem Expansionsorgan, wo es expandiert und somit der Druck und die Temperatur reduziert werden. Von dem Expansionsorgan strömt das Kältemittel weiter zu dem Verdampfer, wo der flüssige Anteil des Kältemittels wieder verdampft und somit gasförmig wird. In dem Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme auf, die der Umwelt, insbesondere einem Innenraum des Kraftfahrzeugs entzogen wird. Das aus dem Verdampfer austretende gasförmige Kältemittel wird von dem Verdichter wieder angesaugt und komprimiert.During operation of the heater, the refrigerant is compressed by the compressor and thereby heated. The refrigerant then flows from the compressor to the vehicle condenser where the refrigerant is cooled and at least partially condensed. From the vehicle condenser, the refrigerant flows to the expansion device, where it expands and thus the pressure and the temperature are reduced. From the expansion device, the refrigerant continues to flow to the evaporator, where the liquid portion of the refrigerant evaporates again and thus becomes gaseous. In the evaporator, the refrigerant absorbs heat, which is removed from the environment, in particular an interior of the motor vehicle. The exiting from the evaporator gaseous refrigerant is sucked in again by the compressor and compressed.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Heizvorrichtung einen Batteriekondensator, welcher in dem Kältemittelkreislauf angeordnet ist, und in welchem eine Kondensation des Kältemittels stattfindet. Dabei ist der Batteriekondensator mittels eines Batteriekühlkreislaufs, welcher ein Kühlmittel aufweist, mit dem Batteriemodul verbunden. Bei dem Kühlmittel handelt es beispielsweise um Kühlwasser mit Glykol.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating device comprises a battery capacitor, which is arranged in the refrigerant circuit, and in which a condensation of the refrigerant takes place. In this case, the battery capacitor is connected to the battery module by means of a battery cooling circuit, which has a coolant. The coolant is, for example, cooling water with glycol.
Vorzugsweise weist das Batteriemodul dabei eine Temperierplatte auf, welche in thermischem Kontakt zu der mindestens einen Batteriezelle steht. Die Temperierplatte ist dabei von dem Kühlmittel des Batteriekühlkreislaufs durchströmbar. Somit kann das Kühlmittel beim Durchströmen der Temperierplatte Wärmeenergie über die Temperierplatte an die mindestens eine Batteriezelle abgeben, wodurch die mindestens eine Batteriezelle erwärmt wird.In this case, the battery module preferably has a temperature control plate, which is in thermal contact with the at least one battery cell. The tempering plate can be flowed through by the coolant of the battery cooling circuit. Thus, the coolant can pass heat energy through the tempering to the at least one battery cell when flowing through the tempering, whereby the at least one battery cell is heated.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul einen Innenkondensator auf, welcher in thermischem Kontakt zu der mindestens einer Batteriezelle steht, und welcher in dem Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Dabei findet in dem Innenkondensator eine Kondensation des Kältemittels statt. Wärmeenergie, die bei der Kondensation des Kältemittels in dem Innenkondensator frei wird, kann somit unmittelbar an die mindestens eine Batteriezelle übertragen werden.According to another advantageous embodiment of the invention, the battery module to an inner capacitor, which is in thermal contact with the at least one battery cell, and which is arranged in the refrigerant circuit. In this case, a condensation of the refrigerant takes place in the inner condenser. Heat energy that is released during the condensation of the refrigerant in the inner condenser can thus be transmitted directly to the at least one battery cell.
Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems vorgeschlagen. Dabei wird das Batteriemodul von der Heizvorrichtung erwärmt, indem Wärmeenergie, die bei einer Kondensation des Kältemittels frei wird, an die mindestens eine Batteriezelle übertragen wird.A method for operating an energy storage system according to the invention is also proposed. In this case, the battery module is heated by the heater by thermal energy, which is released in a condensation of the refrigerant, is transmitted to the at least one battery cell.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Heizvorrichtung einen Batteriekondensator, welcher in dem Kältemittelkreislauf angeordnet ist, und in welchem eine Kondensation des Kältemittels stattfindet. Dabei wird Wärmeenergie, die bei der Kondensation des Kältemittels in dem Batteriekondensator frei wird, mittels eines Batteriekühlkreislaufs, welcher ein Kühlmittel aufweist, zu dem Batteriemodul übertragen.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating device comprises a battery capacitor, which is arranged in the refrigerant circuit, and in which a condensation of the refrigerant takes place. In this case, heat energy that is released in the condensation of the refrigerant in the battery capacitor, by means of a battery cooling circuit, which has a coolant, transferred to the battery module.
Bevorzugt weist das Batteriemodul dabei eine Temperierplatte auf, welche in thermischem Kontakt zu der mindestens einer Batteriezelle steht, und welche von dem Kühlmittel des Batteriekühlkreislaufs durchströmt wird. Dabei wird Wärmeenergie von dem Kühlmittel des Batteriekühlkreislaufs an die mindestens eine Batteriezelle übertragen.In this case, the battery module preferably has a temperature control plate, which is in thermal contact with the at least one battery cell, and which is flowed through by the coolant of the battery cooling circuit. In this case, heat energy is transferred from the coolant of the battery cooling circuit to the at least one battery cell.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul einen Innenkondensator auf, welcher in thermischem Kontakt zu der mindestens einer Batteriezelle steht, und welcher in dem Kältemittelkreislauf angeordnet ist. Dabei findet in dem Innenkondensator eine Kondensation des Kältemittels statt, und Wärmeenergie, die bei der Kondensation des Kältemittels in dem Innenkondensator frei wird, wird unmittelbar an die mindestens eine Batteriezelle übertragen.According to another advantageous embodiment of the invention, the battery module to an inner capacitor, which is in thermal contact with the at least one battery cell, and which is arranged in the refrigerant circuit. In this case, takes place in the inner condenser, a condensation of the refrigerant, and heat energy, which is released in the condensation of the refrigerant in the inner condenser, is transmitted directly to the at least one battery cell.
Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Energiespeichersystems finden vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).An inventive energy storage system and a method according to the invention for operating the energy storage system are advantageously used in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV) or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
In einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem können die Batteriezellen des Batteriemoduls verhältnismäßig einfach und kostengünstig auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt werden. Die Wärmeenergie, die zum Erwärmen der Batteriezellen erforderlich ist, muss nicht separat in einer elektrischen Heizvorrichtung, welche beispielsweise Heizwiderstände aufweist, erzeugt werden, sondern wird einem Kältemittelkreislauf, insbesondere einer Klimaanlage, entnommen. Klimaanlagen sind in handelsüblichen Fahrzeugen vorhanden und geben Wärmeenergie über einen Fahrzeugkondensator an die Umwelt ab. Diese Wärmenergie kann auch zur Erwärmung der Batteriezellen genutzt werden. Dadurch verringert sich signifikant die Menge der eingesetzten Wärmeenergie zum Erwärmen der Batteriezellen, nahezu um den Betrag der in dem Verdampfer der Klimaanlage aufgenommenen Wärmeenergie. Innerhalb des Batteriemoduls ergibt sich ferner eine verhältnismäßig homogene und konstante Temperaturverteilung, insbesondere bedingt durch eine konstante Kondensationstemperatur des Kältemittels in dem Fahrzeugkondensator sowie in dem Batteriekondensator des Kältemittelkreislaufs.In an energy storage system according to the invention, the battery cells of the battery module can be relatively easily and inexpensively heated to its optimum operating temperature. The heat energy required to heat the battery cells need not be separated in an electric heater, which for example Has heating resistors, are generated, but is a refrigerant circuit, in particular an air conditioner taken. Air conditioning systems are available in commercially available vehicles and emit heat energy via a vehicle capacitor to the environment. This heat energy can also be used to heat the battery cells. This significantly reduces the amount of heat energy used to heat the battery cells, almost by the amount of heat energy absorbed in the evaporator of the air conditioner. Within the battery module also results in a relatively homogeneous and constant temperature distribution, in particular due to a constant condensation temperature of the refrigerant in the vehicle capacitor and in the battery capacitor of the refrigerant circuit.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
3 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß der ersten Ausführungsform und -
4 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
-
1 a schematic representation of an energy storage system according to a first embodiment, -
2 a schematic representation of an energy storage system according to a second embodiment, -
3 a schematic representation of a battery module according to the first embodiment and -
4 a schematic representation of a battery module according to the first embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
Die Heizvorrichtung
Dem Fahrzeugkondensator
Der Batteriekondensator
Im Betrieb der Heizvorrichtung
Durch die Kondensation des Kältemittels in dem Batteriekondensator
Durch das Kühlmittel in dem Batteriekühlkreislauf
Ferner ist ein Fahrzeugkühlkreislauf
Der Batteriekühlkreislauf
Die Heizvorrichtung
Dem Fahrzeugkondensator
Im Betrieb der Heizvorrichtung
Durch die Kondensation des Kältemittels in dem Batteriemodul
Das Batteriemodul
Ferner ist ein Fahrzeugkühlkreislauf
Der Batteriekühlkreislauf
Das Batteriemodul
Das Batteriemodul
Das Batteriemodul
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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