DE102018128562A1

DE102018128562A1 - Batteriekühlvorrichtung für fahrzeug

Info

Publication number: DE102018128562A1
Application number: DE102018128562.0A
Authority: DE
Inventors: Yoon Cheol Jeon
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20200067152A1; CN110854463A; KR20200021654A

Abstract

Eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug ist zum Kühlen einer Batteriezelle (110) bereitgestellt. Die Vorrichtung weist ein Phasenwechselmaterial (PCM) auf, welches die Batteriezelle (110) kühlt und angeordnet ist, so dass es Wärme mit der Batteriezelle (110) austauscht, Kühlwasser (C) zum Kühlen des Phasenwechselmaterials (M) ist angeordnet, so dass es Wärme mit dem Phasenwechselmaterial (M) austauscht. Folglich wird das Phasenwechselmaterial (M) durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle (110) erwärmt und wird zur gleichen Zeit das Phasenwechselmaterial (M) durch die Wärmeabsorption des Kühlwassers (C) gekühlt, wodurch ein kontinuierlicher Phasenübergang des Phasenwechselmaterials ermöglicht wird.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug und insbesondere eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug, welche eine Batteriezelle unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials.
Beschreibung der bezogenen Technik
Jüngst erfordert ein Elektrofahrzeug ein Fahren über lange Distanz, ein Fahren mit hoher Leistung/hoher Leistungsfähigkeit und schnelles Laden. Als eine Energiequelle des Elektrofahrzeugs weist ein Batteriesystem hohe Niveaus elektrischen Stroms, welcher in dessen Batteriezellen fließt, auf, was Wärme verursacht, welche größer als die Aufnahmefähigkeit der konventionellen Batteriekühlvorrichtung, welche in existierenden Elektrofahrzeugen installiert ist, ist. Da die in den Batteriezellen erzeugte Wärme einen nachteiligen Einfluss auf die Batterielebensdauer hat, ist es erforderlich, die Wärme in einem vorbestimmten Temperaturbereich zu halten.
Zur Temperaturbeibehaltung der Batteriezellen nutzen existierende Elektrofahrzeuge ein Luftkühlungssystem oder ein Wasserkühlungssystem. Das Luftkühlungssystem liefert insbesondere Luft innerhalb einer Fahrzeugkabine an das Batteriesystem unter Verwendung eines Kühllüfters, um dadurch die Batteriezellen zu kühlen. Das Wasserkühlungssystem liefert ein Kühlmittel, welches durch eine zusätzliche Batteriekälteanlage an einer Front des Fahrzeugs gekühlt wird, mittels einer Pumpe an das Batteriesystem, um dadurch die Batteriezellen zu kühlen. Die Batteriekälteanlage arbeitet insbesondere zusammen mit einem Radiator oder einem Klimaanlagenverdichter. Ein Elektrofahrzeug nutzt jedoch hohe Niveaus elektrischen Stroms für ein Fahren über lange Distanz und ein Fahren mit hoher Leistung/hoher Leistungsfähigkeit, und, obwohl das Elektrofahrzeug ein Wasserkühlungssystem, welches eine höhere Kühlleistungsfähigkeit als die Kühlleistungsfähigkeit eines Luftkühlungssystems hat, nutzt, ist es dementsprechend unvermeidbar, die Leistungsfähigkeit des Klimaanlagenverdichters (oder des Radiators) und Leistungsfähigkeit der Batteriekälteanlage zu erhöhen, um die in den Batteriezellen erzeugte Wärme zu kühlen.
Erläuterung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug, welche eine Batteriezelle unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials (kurz PCM; abgeleitet vom Englischen „Phase Change Material“) kühlt. Das PCM kann Wärme mit der Batteriezelle austauschen und Kühlwasser zum Kühlen des Phasenwechselmaterials kann Wärme mit dem Phasenwechselmaterial austauschen, um das Phasenwechselmaterial durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle zu erwärmen. Zugleich kann das Phasenwechselmaterial durch Wärmeabsorption (Wärmeaufnahme) des Kühlwassers gekühlt werden, wodurch kontinuierlicher Phasenübergang bzw. Phasenwechsel bzw. Phasenumwandlung (nachfolgend nur noch „Phasenübergang“) des Phasenwechselmaterials ermöglicht wird. Die Batteriekühlvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Batteriezellen mittels Aufnehmens (z.B. Absorbierens) der Wärme während des Schmelzens des Phasenwechselmaterials (PCM) innerhalb der Zellenabdeckungen zu kühlen. Außerdem können die Zellenabdeckungen im Kontakt mit Kühlkanälen, durch welche hindurch Kühlwasser strömt, stehen, um das Phasenwechselmaterial zu kühlen, wodurch kontinuierlicher Phasenübergang des Phasenwechselmaterials ermöglicht wird.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug (z.B. ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug), mittels welcher ein Batteriemodul, das eine Mehrzahl/Vielzahl von Batteriezellen aufweist, gekühlt wird, bereit, wobei die Vorrichtung aufweisen kann: eine Mehrzahl von Zellenabdeckungen, welche zwischen mindestens einigen (z.B. zwischen mindestens zwei, mindestens drei, mindestens vier, etc., einschließlich allen) Batteriezellen von der Mehrzahl von Batteriezellen (z.B. von der Mehrzahl von Batteriezellenabdeckungen) angeordnet sind und welche ein Phasenwechselmaterial bzw. Phasenumwandlungsmaterial (nachfolgend auch nur noch „Phasenwechselmaterial“), welches durch die Wärmeerzeugung der Batteriezellen, die benachbart zu den Zellenabdeckungen sind, erwärmt wird, aufweisen, und eine Kühlplatte, welche angeordnet ist, so dass sie Wärme mit dem Phasenwechselmaterial über die Zellenabdeckungen austauscht, und welche es Kühlwasser zum Kühlen des Phasenwechselmaterials erlaubt, durch sie hindurch zu strömen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede der Zellenabdeckungen eine erste Platte, welche zwischen den Batteriezellen, die zueinander benachbart sind, angeordnet ist, aufweisen, und das Phasenwechselmaterial kann innerhalb der ersten Platte angeordnet sein. Insbesondere kann die erste Platte darin eine Aufnahmekammer (z.B. einen Raum), in welche das Phasenwechselmaterial eingefüllt sein kann, aufweisen (z.B. kann die erste Platte derart (z.B. mit einer kastenartigen Struktur) ausgebildet sein, dass sie eine Aufnahmekammer definiert), und das Phasenwechselmaterial kann zwischen Batteriezellen, die zueinander benachbart sind, angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die erste Platte in Berührung mit Außenflächen der Batteriezellen, die zueinander benachbart sind, stehen, und das Phasenwechselmaterial in der Aufnahmekammer kann angeordnet sein, so dass es Wärme mit den gesamten Außenflächen der benachbarten Batteriezellen über die erste Platte austauscht. Die Zellenabdeckung kann sich außerdem von der ersten Platte aus senkrecht erstrecken und kann eine zweite Platte, welche an (z.B. auf) einer oberen Fläche (z.B. Oberseitenfläche) der Kühlplatte angeordnet ist, aufweisen, und die zweite Platte kann an einer unteren Fläche (z.B. Bodenfläche) einer jeden der Batteriezellen angeordnet sein.
Außerdem kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kühlplatte angeordnet sein, so dass sie aufgrund der Berührung mit der Zellenabdeckung Wärme austauscht. Die Kühlplatte kann eine Mehrzahl von Kühlwasserkanälen aufweisen, und das Kühlwasser kann in jedem der Kühlwasserkanäle strömen, um das durch die Wärmeerzeugung der Batteriezellen geschmolzene und verflüssigte Phasenwechselmaterial zum Erstarren zu bringen bzw. erstarren zu lassen (nachfolgend auch nur noch „zum Erstarren zu bringen“). Jeder der Kühlwasserkanäle kann sich in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen erstrecken.
Da gemäß der Batteriekühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, das Phasenwechselmaterial durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle erwärmt werden kann und zugleich durch das Kühlwasser gekühlt werden kann, kann der Phasenübergang (fest -> flüssig) des Phasenwechselmaterials während des Kühlens der Batteriezelle kontinuierlich wiederholt werden. Während die Batteriezelle mittels des Phasenwechselmaterials gekühlt wird, kann daher das Phasenwechselmaterial kontinuierlich latente Wärme aufgrund des Phasenübergangs erzeugen, wodurch die Batteriezelle effektiv gekühlt wird. Im Gegensatz zum Fall, wenn die Batteriezelle unter Verwendung von sensibler Wärme (fühlbarer Wärme) einer einzigen Phase gekühlt wird, erhöht sich eine Wärmemenge, welche das Phasenwechselmaterial von der Batteriezelle absorbieren kann, um ein Vielfaches, wenn die Batteriezelle unter Verwendung der durch den Phasenübergang erzeugten latenten Wärme gekühlt wird. Anders als bei dem Wasserkühlungssystem der bezogenen Technik ist es daher bei Nutzung der Batteriekühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, die Leistungsfähigkeit des Klimaanlagenverdichters und Leistungsfähigkeit der Kälteanlage zu erhöhen.
Figurenliste
Die obigen und weitere Ziele, Eigenschaften und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher verstanden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, wobei:

1 und 2 Ansichten sind, welche eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen,
3 eine Ansicht, welche von A-A in 1 aus betrachtet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
4 eine Ansicht ist, welche einen Wärmeübertragungspfad in einem Batteriemodul, auf welches eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug angewendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-...“ oder irgendein ähnlicher Begriff, welcher hier verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie z.B. Personenkraftfahrzeuge, einschließlich sogenannter Sportnutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, zahlreiche kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen einschließt und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternative Treibstoffe (z.B. Treibstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl hergestellt werden) einschließt. Ein Hybridfahrzeug, auf welches hier Bezug genommen wird, ist ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen hat, z.B. Fahrzeuge, welche sowohl mit Benzin als auch elektrisch betrieben werden.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens von bestimmten Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken. Die wie hierin verwendeten Singular-Formen „ein“, „eine“, „eines“ und „der“, „die“, „das“ sind dazu gedacht, auch die Mehrzahlformen einzuschließen, außer der Kontext weist eindeutig auf etwas Anderes hin. Ferner ist zu verstehen, dass die Begriffe „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorliegen von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Bauteilen spezifizieren, jedoch nicht die Anwesenheit oder das Hinzufügen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, weist der Begriff „und/oder“ jede sowie alle Kombinationen von einem oder mehreren der dazugehörig aufgezählten Gegenstände auf.
Wenn nicht besonders erwähnt oder aus dem Kontext naheliegend (z.B. nichts Gegenteiliges besonders erwähnt oder aus dem Kontext naheliegend ist), ist der hierin verwendete Begriff „etwa“ (bzw. „ungefähr“) als innerhalb einer normalen Toleranz in der Technik, z.B. innerhalb 2 Standardabweichungen vom Mittelwert, zu verstehen. „Etwa“ (bzw. „ungefähr“) kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01 % vom genannten Wert verstanden werden. Wenn nichts Gegenteiliges aus dem Kontext deutlich ist, sind alle hierin bereitgestellten Zahlenwerte durch den Begriff „etwa“ modifiziert.
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wenn ein Kühlmittel bzw. Kältemittel (nachfolgend kurz „Kühlmittel“) in einem flüssigen Zustand zur Kühlung eines Batteriemoduls, welches eine Energiequelle eines Elektrofahrzeugs ist, verwendet wird, dann absorbiert das Kühlmittel die von dem Batteriemodul erzeugte Wärme, wenn das Kühlmittel durch einen Kühlmittelkanal hindurch strömt, wodurch das Batteriemodul gekühlt wird. Wenn das Kühlmittel sich in einem flüssigen Zustand befindet, kühlt das Kühlmittel das Batteriemodul, während es durch in dem Batteriemodul erzeugter Wärme verdampft wird, und das Kühlmittel ist dann in einem gasförmigen Zustand und absorbiert die Wärme des Batteriemoduls, um das Batteriemodul zu kühlen. Das Kühlmittel hat eine wesentliche Differenz zwischen einer Wärmemenge (z.B. ersten Wärmemenge), welche das Batteriemodul mittels der durch Verdampfung erzeugten latenten Wärme abkühlen kann, wenn es sich in einem flüssigen Zustand befindet, und einer Wärmemenge (z.B. zweiten Wärmemenge), welche das Batteriemodul mittels sensibler Wärme (fühlbarer Wärme) einer einzigen Phase abkühlen kann, wenn es sich in einem gasförmigen Zustand befindet. Obwohl die Differenz zwischen den Wärmemengen in Abhängigkeit von den Typen von Kühlmitteln variieren kann, beträgt die erste Wärmemenge in etwa ein Vielfaches der zweiten Wärmemenge, da das Kühlen des Batteriemoduls durch Phasenübergang ohne Änderung der Temperatur des Kühlmittels einen größeren Kühleffekt hat als das Kühlen des Batteriemoduls nur durch Verändern der Temperatur ohne Phasenübergang des Kühlmittels.
Mit anderen Worten kann die Wärmeübertragung in dem Moment, wenn der Phasenübergang in dem Kühlmittel auftritt, in ausreichendem Maße durchgeführt werden, und die Wärmeübertragungseffizienz kann rapide absinken, nachdem der Phasenübergang (flüssig -> gasförmig) auftritt. Daher gibt es eine Differenz zwischen der Wärmemenge, welche durch das Batteriemodul absorbiert werden kann, bevor das Kühlmittel verdampft wird, und der absorbierten Wärmemenge, nachdem das Kühlmittel verdampft ist, und das Kühlen des Batteriemoduls wird auf minimale Weise durchgeführt, nachdem das Kühlmittel verdampft ist. Mit anderen Worten ist im Vergleich mit dem Fall, in dem sich das Kühlmittel in einem flüssigen Zustand befindet, die Kühlleistung des Kühlmittels erheblich verringert, wenn sich das Kühlmittel in einem gasförmigen Zustand befindet. Da das Kühlmittel durch die in der Batteriezelle erzeugte Wärme erwärmt werden kann, sogar nachdem das Kühlmittel in den gasförmigen Zustand übergegangen ist, kann es ferner schwierig sein, das Kühlmittel in eine ursprüngliche Phase zurückzuführen.
Unter den Batteriezellen des Batteriemoduls tritt insbesondere eine wesentliche Differenz im Kühlungsbetrag zwischen der Batteriezelle, bei welcher das Kühlen durchgeführt wird, bevor das Kühlmittel verdampft wird, und der Batteriezelle, bei welcher das Kühlen durchgeführt wird, nachdem das Kühlmittel verdampft ist, auf. Wenn die Batteriezelle gekühlt wird, nachdem das Kühlmittel verdampft ist, wird die Kühlung auf minimale Weise durchgeführt, wodurch das gleichmäßige Kühlen der Batteriezellen des Batteriemoduls schwierig sein kann. In der vorliegenden Erfindung kann daher ein Phasenwechselmaterial (PCM) zum Kühlen der Batteriezelle angeordnet sein, so dass es Wärme mit der Batteriezelle austauscht, und kann Kühlwasser zum Kühlen des Phasenwechselmaterials angeordnet sein, so dass es Wärme mit dem Phasenwechselmaterial austauscht. Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial durch Wärmeabsorption des Kühlwassers gekühlt werden, wenn das Phasenwechselmaterial durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle erwärmt ist. Das Phasenwechselmaterial kann dementsprechend einen kontinuierlichen Phasenübergang bewirken, während es durch die Batteriezelle erwärmt wird, und folglich die Batteriezelle unter Verwendung der latenten Wärme gemäß dem Phasenübergang (fest -> flüssig) kühlen. Mit anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial die Kühlleistung für die Batteriezelle auf einem bestimmten Niveau halten, während das Phasenwechselmaterial durch die Batteriezelle erwärmt wird.
Wenn ein Abschnitt (z.B. ein erster Abschnitt) des Phasenwechselmaterials durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle geschmolzen und verflüssigt wird, kann die Batteriezelle gekühlt werden, während ein anderer Abschnitt des Phasenwechselmaterials verflüssigt wird, und ein Teil des verflüssigten Phasenwechselmaterials kann durch die Wärmeabsorption des Kühlwassers erneut zum Erstarren gebracht werden, während der andere Abschnitt (z.B. ein zweiter Abschnitt) des Phasenwechselmaterials die Batteriezelle kühlt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn der Phasenübergang in dem Phasenwechselmaterial zum Kühlen der Batteriezelle auftritt, das Phasenwechselmaterial insbesondere in eine ursprüngliche Phase zurückgeführt werden, wodurch die Kühlleistungsfähigkeit des Phasenwechselmaterials während des Kühlens der Batteriezelle erhalten bleibt.
1 und 2 sind Ansichten, welche eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, 3 ist eine Ansicht, welche von A-A in 1 aus betrachtet ist, und 4 ist eine Ansicht, welche einen Wärmeübertragungspfad in einem Batteriemodul, auf welches eine Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug angewendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 1 bis 3 gezeigt, ist die Batteriekühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen eines Batteriemoduls 100, welches eine Mehrzahl von Batteriezellen 110 aufweist, und das Batteriemodul 100 kann unter Verwendung einer latenten Schmelzwärme eines Phasenwechselmaterials bzw. Phasenumwandlungsmaterials (nachfolgend auch nur noch „Phasenwechselmaterial“) M kontinuierlich gekühlt werden. Das Batteriemodul 100 kann aufgebaut sein, indem eine Mehrzahl von Batteriezellen 110 elektrisch in Reihe oder parallel verbunden werden. Als eine kleinste Einheit zur Erzeugung von Elektrizität können die mehreren Batteriezellen 110 benachbart zueinander (z.B. nebeneinander) in einer Richtung angeordnet sein und kann jede der Batteriezellen 110 mittels einer Zellenabdeckung 120 von anderen Batteriezellen strukturell getrennt und (z.B. seitlich) gestützt sein.
Die Zellenabdeckung 120 kann an der Außenseite von jeder der Batteriezellen 110 angeordnet sein und kann das Phasenwechselmaterial M, welches durch Wärmeerzeugung von jeder der Batteriezellen 110 erwärmt wird, aufweisen. Insbesondere kann die Zellenabdeckung 120 eine erste Platte 121 und eine zweite Platte 122 aufweisen. Die erste Platte 121 kann zwischen zueinander benachbarten Batteriezellen 110 angeordnet sein und kann aus einer flachen Platte, welche eine Querschnittsfläche, die der Berührungsfläche zwischen den benachbarten Batteriezellen 110 entspricht, aufweist, oder einer flachen Platte, welche eine Querschnittsfläche, die geringfügig größer als die Berührungsfläche ist, aufweist, gebildet sein. Statt teilweise zwischen benachbarten Batteriezellen 110 angeordnet zu sein, kann die erste Platte 121 vollständig zwischen den benachbarten Batteriezellen 110 angeordnet sein. Die erste Platte 121 kann sich außerdem in einer Richtung, welche senkrecht zu einer Anordnungsrichtung der Batteriezellen 110 (z.B. Richtung, entlang welcher die Batteriezellen gestapelt bzw. nebeneinander angeordnet sind) ist, erstrecken. Die erste Platte 121 kann zwischen sämtlichen benachbarten Batteriezellen 110 angeordnet sein.
Das Phasenwechselmaterial M kann innerhalb der ersten Platte 121 angeordnet sein. Dementsprechend kann die erste Platte 121 eine Aufnahmekammer (z.B. einen Raum oder Hohlraum) 123, in welche das Phasenwechselmaterial M eingefüllt ist, darin aufweisen (z.B. kann die erste Platte derart (z.B. mit einer kastenartigen Struktur) ausgebildet sein, dass sie eine Aufnahmekammer definiert). Der Raum 123 kann sich in einer Richtung, welche senkrecht zur Anordnungsrichtung der Batteriezellen 110 ist, erstrecken. Der Raum 123 kann eine Querschnittsfläche, welche der Berührungsfläche der benachbarten Batteriezellen 110 entspricht, haben oder kann eine Querschnittsfläche, welche geringfügig kleiner als die Berührungsfläche ist, haben. Dementsprechend kann das Phasenwechselmaterial M vollständig zwischen benachbarten Batteriezellen 110 verteilt und angeordnet sein. Das Phasenwechselmaterial M kann in einem festen Zustand in den Raum 123 eingesetzt werden oder kann in einem flüssigen Zustand in den Raum 123 eingefüllt werden. Das Phasenwechselmaterial M ist ein Material, welches einen festen Zustand bei Raumtemperatur beibehält, und kann einem Erstarrungsprozess unterliegen, wenn es in einem flüssigen Zustand in den Raum 123 injiziert ist.
Die zweite Platte 122 kann sich senkrecht von der ersten Platte 121 aus erstrecken, so dass sie integral (z.B. stofflich einstückig) damit ausgebildet ist. Insbesondere kann sich die zweite Platte 122 in der Stapelrichtung (z.B. Anordnungsrichtung) der Batteriezellen 110 an dem unteren Ende der ersten Platte 121 erstrecken. Mit anderen Worten kann die zweite Platte 122 in einer Richtung, welche senkrecht zur ersten Platte 121 ist, angeordnet sein. Die zweite Platte 122 kann an der oberen Fläche (z.B. Oberseitenfläche) der Kühlplatte 130 und der unteren Fläche (z.B. Bodenfläche) der Batteriezelle 110 angeordnet sein. Die Zellenabdeckung 120, welche die erste Platte 121 und die zweite Platte 122 aufweist, kann einen „L“-förmigen Querschnitt aufweisen. Die Zellenabdeckung 120 kann an der Außenseite einer jeweiligen der Batteriezellen 110 angeordnet sein, und eine einzelne Zellenabdeckung 120 kann eine einzelne Batteriezelle 110 in einer „L“-Form aufnehmen. Die mehreren Zellenabdeckungen 120 können insbesondere in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen 110 angeordnet sein. Folglich können die in Berührung mit der unteren Fläche von jeder der Batteriezellen 110 stehenden zweiten Platten 122 kontinuierlich (z.B. unter Ausbildung einer zusammenhängenden Platte) in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen 110 an der unteren Fläche des Batteriemoduls 110 angeordnet sein.
Obwohl die Zellenabdeckung 120 in den Beispielen von 1 bis 3 zwischen allen benachbarten Batteriezellen 110 angeordnet sein kann, ist dies lediglich eine beispielhafte Ausführungsform, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Zellenabdeckung 120, welche das Phasenwechselmaterial M enthält, kann zum Beispiel zwischen einigen Batteriezellen nicht angeordnet sein. Unter Berücksichtigung der Kühlleistungsfähigkeit und der Batterie-Lade/Entlade-Leistungsfähigkeit kann jedoch die Zellenabdeckung 120, welche das Phasenwechselmaterial M aufweist, zwischen allen Batteriezellen 110 angeordnet sein, wie in 1 bis 3 gezeigt.
Die Kühlplatte 130 zum Kühlen des in der Zellenabdeckung 120 aufgenommenen Phasenwechselmaterials M kann unterhalb der Zellenabdeckung 120 (z.B. unterhalb der zweiten Platte) angeordnet sein. Zudem kann Kühlwasser C zum Aufnehmen bzw. Absorbieren von Wärme, welche aus dem Phasenwechselmaterial M abgegeben wird, durch die Kühlplatte 130 hindurchströmen. Die Kühlplatte 130 kann insbesondere eine Mehrzahl von Kühlwasserkanälen 131, in welchen das Kühlwasser C strömen kann, aufweisen. Die mehreren Kühlwasserkanäle 131 können entlang einer Richtung, welche senkrecht zu einer Stapelrichtung (z.B. einer Anordnungsrichtung) der Batteriezellen 110 ist, (z.B. nebeneinander) angeordnet sein, und jeder von den Kühlwasserkanälen 131 kann sich in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen 110 erstrecken. Außerdem kann das Kühlwasser C, welches in jedem der Kühlwasserkanäle 131 strömt, aus dem Kühlwasserkanal 131 abgeführt werden, außerhalb der Kühlplatte 130 abgekühlt werden und dann zurück zum Kühlwasserkanal 131 geleitet werden.
Ferner kann die Kühlplatte 130 so angeordnet sein, dass sie Wärme mit der Zellenabdeckung 120 austauscht, um es der aus dem Phasenwechselmaterial M in der Zellenabdeckung 120 abgegebenen Wärme zu erlauben, durch das Kühlwasser absorbiert zu werden. Mit anderen Worten kann die Kühlplatte 130 dazu eingerichtet sein, die Wärme des Phasenwechselmaterials M durch die Zellenabdeckung 120 hindurch zu erhalten und zu absorbieren. Die Kühlplatte 130 kann angeordnet sein, so dass sie Wärme mit der Zellenabdeckung aufgrund des Kontakts zwischen diesen austauscht. Mit anderen Worten kann die Kühlplatte 130 angeordnet sein, so dass sie im Kontakt mit der Zellenabdeckung 120 steht, um somit das Phasenwechselmaterial M innerhalb der Zellenabdeckung 120 zu kühlen.
Die Kühlplatte 130, welche unterhalb der Zellenabdeckung 120 angeordnet ist, kann an der unteren Fläche der Batteriezelle 110 angeordnet sein, wobei die zweite Platte 122 der Zellenabdeckung 120 dazwischen angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Kühlplatte 130 angeordnet sein, so dass sie über die zweite Platte 122 der Zellenabdeckung 120 in Berührung mit der Batteriezelle 110 steht. Dementsprechend können die Batteriezellen 110 die von den Batteriezellen 110 freigesetzte Wärme an die Kühlplatte 130 über die zweite Platte 122 übertragen. Die Menge an Wärme der Batteriezelle 110, welche über die zweite Platte 122 an die Kühlplatte 130 übertragen wird, ist minimal im Vergleich mit der Menge an Wärme der Batteriezelle 110, welche durch das Phasenwechselmaterial M an die Kühlplatte 130 übertragen wird. Mit anderen Worten kann die Kühlplatte 130 eingerichtet sein, so dass es der aus dem Phasenwechselmaterial M mittels der Zellenabdeckung 120 abgegebene Wärme erlaubt ist, absorbiert zu werden, und zugleich kann die aus der Batteriezelle 110 abgegebenen Wärme absorbiert werden. Mit anderen Worten kann die Kühlplatte 130 angeordnet sein, so dass sie in Berührung mit der Zellenabdeckung 120 steht, wodurch die Batteriezelle 110 und das Phasenwechselmaterial M simultan gekühlt werden.
Die Zellenabdeckung 120 kann aus einem Metallmaterial, welches zur Wärmeleitung bevorzugt ist, ausgebildet sein und kann aus einem Metallmaterial, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie zum Beispiel Aluminium, ausgebildet sein. Außerdem kann eine Zwischenlage (z.B. Kontaktflächenlage, Grenzflächenlage, Übergangsstellenlage) 140 zwischen der zweiten Platte 122 der Zellenabdeckung 120 und der Kühlplatte 130 angeordnet sein, um die Wärmeaustauscheffizienz zwischen der Zellenabdeckung 120 und der Kühlplatte 130 zu verbessern. Die zweite Platte 122 und die Kühlplatte 130 können Flächen aufweisen, welche dazu in der Lage sind, miteinander im Flächenkontakt zu stehen. Da jedoch die zweite Platte 122 und die Kühlplatte 130 eine im Mikrobereich raue Oberfläche aufweisen können, können Grenzflächenspalte zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 ausgebildet sein. Wenn die zweite Platte 122 und die Kühlplatte 130 miteinander in Berührung kommen, ist daher die tatsächliche Berührungsfläche minimal.
Da zudem die Grenzflächenspalte mit Luft, die eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, gefüllt sein können, kann die Wärmeübertragung durch die Grenzfläche (Berührungsfläche) zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 nicht leichtgängig durchgeführt werden. Um Wärme zwischen der Zellenabdeckung 120 und der Kühlplatte 130 leichtgängiger zu transportieren, kann die Zwischenlage 140 zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 angeordnet sein, um Grenzflächenspalte zwischen der Zellenabdeckung 120 und der Kühlplatte 130 zu füllen. Die Zwischenlage 140 kann die Spalten zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 füllen, um einen thermischen Berührungswiderstand zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 zu minimieren und die Wärmeübertragung zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 zu erleichtern. Mit anderen Worten kann die Zwischenlage 140 im Kontakt stehend zwischen der zweiten Platte 122 und der Kühlplatte 130 angeordnet sein, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz zwischen der Zellenabdeckung 120 und der Kühlplatte 130 verbessert wird. Die Zwischenlage 140 kann insbesondere aus einem Wärmeübergangsstellenmaterial (z.B. einem thermischen Schnittstellenmaterial, bspw. in Form eines Wärmeleitmittels, insbesondere Wärmeleitpaste und/oder dergleichen; kurz TIM, abgeleitet vom Englischen „Thermal Interface Material“) ausgebildet sein, um den Wärmeübergangswiderstand zu minimieren.
Das Phasenwechselmaterial M kann mit einem Material, welches aus einem Feststoff in einer Flüssigkeit verändert wird und latente Schmelzwärme erzeugt, verwendet werden. Mit anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial M mit einem Material, welches in einem festen Zustand bei Raumtemperatur erhalten bleibt und in einen flüssigen Zustand übergeht, wenn es durch die Batteriezelle 110 aufgeheizt wird, verwendet werden. Das Phasenwechselmaterial M kann auch aus einem Material gefertigt sein, welches eine elektrische Isolierung aufweist, wodurch die elektrische Sicherheit sichergestellt werden kann, selbst wenn ein Elektrizitätsleck (z.B. ein potentieller elektrischer Schluss) nach außerhalb der Zellenabdeckung 120 auftritt. Bei der vorliegenden Erfindung kann das Phasenwechselmaterial M, welches in der Zellenabdeckung 120 aufgenommen ist, eine Zwischenform, bei welcher ein Phasenwechselmaterial in einem flüssigen Zustand mit einem Phasenwechselmaterial in einem festen Zustand gemischt ist, sein und kann es ein Material meinen, dass wiederholt eine Wärmeabsorptions- und Wärmeerzeugungseigenschaft des Absorbierens von Wärme, wenn die Temperatur um die Zellenabdeckung 120 ansteigt, und des Abgebens der Wärme, wenn die Temperatur um die Zellenabdeckung 120 sinkt, zeigt.
Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial M in der vorliegenden Erfindung ein Material sein, welches seine Phase innerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Batteriezelle wechseln kann, um effektiv zum Sicherstellen der Kühlleistungsfähigkeit der Batteriezelle für ein Fahrzeug beizutragen. Beispielsweise kann der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials M innerhalb des Bereichs von etwa 30°C bis 45°C liegen. Wenn das Phasenwechselmaterial mit dem oben genannten Schmelzpunkt verwendet wird, kann das Phasenwechselmaterial die Temperatur der Batteriezelle 110 mittels der latenten Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials stabil halten, bevor die Überhitzung der Batteriezelle 110 auftritt. Insbesondere in dem Fall der meisten Lithium-Ionen-Batteriezellen, welche für eine Fahrzeugbatteriezelle verwendet werden, muss die Maximaltemperatur innerhalb eines Bereichs von etwa 45°C bis 50°C gehalten werden, um eine gewünschte Lebensdauer zu gewährleisten. Zudem ist in dem Fall des Phasenwechselmaterials, welches einen Schmelzpunkt in dem obigen Bereich (z.B. etwa 30°C bis 45°C) hat, die thermische Energie, welche durch das Phasenwechselmaterial absorbiert wird, größer als die thermische Energie, welche in der Batteriezelle 110 erzeugt wird, und folglich kann die Temperatur der Batteriezelle 110 an dem Schmelzpunkt oder niedriger gehalten werden.
Das Phasenwechselmaterial M kann insbesondere irgendeines, welches aus der Gruppe, die aus einem organischen Phasenwechselmaterial und einem anorganischen Phasenwechselmaterial besteht, ausgewählt ist, sein oder kann eine Mischung von zwei oder mehreren Ausgewählten sein. Das organische Phasenwechselmaterial kann ein auf Paraffin basierendes Phasenwechselmaterial und ein nicht auf Paraffin basierendes Phasenwechselmaterial aufweisen. Das auf Paraffin basierende Phasenwechselmaterial kann ein Paraffinwachs mit einem Schmelzpunkt von etwa 37°C umfassen, und das nicht auf Paraffin basierende Phasenwechselmaterial kann Camphenilon (Schmelzpunkt: etwa 39°C), Caprylon (Schmelzpunkt: etwa 40°C) und dergleichen umfassen. Das anorganische Phasenwechselmaterial kann Salzhydrate, Metalle und Eutektika (z.B. eutektische Legierungen) umfassen, und die Metalle können Gallium oder dergleichen mit einem Schmelzpunkt von etwa 30°C umfassen. Das Eutektikum ist eine Feststoffmischung, bei der die flüssige Phase, welche durch Schmelzen ausgebildet wird, die gleiche Zusammensetzung zeigt wie die ursprüngliche feste Phase, und kann Gallium-Gallium-Antimon-Eutektika (Schmelzpunkt: etwa 29,8°C) und dergleichen aufweisen.
Wenn es durch die Batteriezelle 110 erwärmt wird, dann absorbiert das Phasenwechselmaterial M die sensible Wärme (fühlbare Wärme) der Batteriezelle 110 ohne den Phasenübergang und steigt folglich dessen Temperatur an, bis der Schmelzpunkt erreicht wird. Wenn es durch die Batteriezelle 110 derart erwärmt wird, dass der Schmelzpunkt erreicht wird, unterliegt das Phasenwechselmaterial M einem Phasenübergang von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand. Das Phasenwechselmaterial M absorbiert die Wärme der Batteriezelle 110 aufgrund der latenten Schmelzwärme, sogar während der Phasenübergang auftritt, wobei jedoch die Temperatur des Phasenwechselmaterials M konstant gehalten wird bzw. konstant bleibt. Mit anderen Worten: wenn die Temperatur des Phasenwechselmaterials M aufgrund der Wärmeerzeugung der Batteriezelle 110 derart ansteigt, dass der Schmelzpunkt erreicht wird, dann beginnt ein Teil des Phasenwechselmaterials M zu schmelzen und kann dieser auf der Temperatur des Schmelzpunkts gehalten werden, bis das Phasenwechselmaterial M vollständig geschmolzen ist.
Das Phasenwechselmaterial M kann thermische Energie, die höher als eine maximale thermische Energie, die in der Batteriezelle 110 erzeugt wird, ist, absorbieren, wenn ein Phasenübergang aufgrund der Wärmeerzeugung der Batteriezelle 110 auftritt. Dementsprechend kann die Batteriezelle 110, welche durch die latente Schmelzwärme gemäß dem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials M gekühlt wird, auf der Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Phasenwechselmaterials M gehalten werden.
Insbesondere kann das Kühlwasser C kontinuierlich das Phasenwechselmaterial M kühlen, ungeachtet davon, ob das Phasenwechselmaterial M in der Phase verändert wird. Mit anderen Worten: wenn die Batteriezelle 110 durch die sensible Wärme des Phasenwechselmaterials M gekühlt wird und ebenso wenn die Batteriezelle 110 durch die latente Wärme des Phasenwechselmaterials M gekühlt wird, kann das Kühlwasser C das Phasenwechselmaterial M kontinuierlich kühlen. Dementsprechend kann mindestens ein Teil des Phasenwechselmaterials M einen festen Zustand beibehalten und kann als ein Ergebnis das Phasenwechselmaterial M einen Phasenübergang aufgrund der Wärmeerzeugung der Batteriezelle 110 beibehalten, und die Batteriezelle 110 kann durch die latente Wärme des Phasenwechselmaterials M fortgesetzt gekühlt werden.
Ferner wird ein Wärmeübertragungspfad in dem Batteriemodul 100 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Die in 4 gezeigten Pfeile geben die Wärmeübertragungsrichtung des Batteriemoduls 100 basierend auf der durch die Batteriezellen 110 erzeugten Wärme an. Wenn die Batteriezelle 110 auf eine hohe Temperatur durch Schnellladen oder dergleichen aufgeheizt wird, dann wird, wie in 4 gezeigt, von der Batteriezelle 110 abgestrahlte Wärme an das Phasenwechselmaterial M über die erste Platte 121 der Zellenabdeckung 120 übertragen und wird die durch das Phasenwechselmaterial M absorbierte Wärme der Batteriezelle 110 an die Kühlplatte 130 über die zweite Platte 122 der Zellenabdeckung 120 und die Zwischenlage 140 übertragen. Die an die Kühlplatte 130 übertragene Wärme der Batteriezelle 110 kann durch das Kühlwasser C absorbiert werden und folglich kann das Kühlen des Phasenwechselmaterials M kontinuierlich durch das Kühlwasser C durchgeführt werden.
Unter Betrachtung des Wärmeübertragungswegs des Batteriemoduls 100 kann, ausgehend von der Wärmeabsorption des Kühlwassers C (z.B. ausgehend vom Kühlwasser als Wärmesenke), die Wärmeübertragung in der Abfolge Kühlwasser C der Kühlplatte 130 -> die Zellenabdeckung 120 -> das Phasenwechselmaterial M -> Batteriezelle 110 durchgeführt werden. Das Phasenwechselmaterial M kann latente Schmelzwärme erzeugen, wenn es aus einer festen Phase in eine flüssige Phase aufgrund der Wärme der Batteriezelle 110 umgewandelt wird und von der flüssigen Phase in die feste Phase durch das Kühlwasser C zurückgeführt wird. Indem dieser Phasenübergangsprozess wiederholt wird, kann die Batteriezelle 110 kontinuierlich durch die latente Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials M gekühlt werden. Die Batteriekühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann mit anderen Worten das durch die Wärmeerzeugung der Batteriezelle 110 geschmolzene Phasenwechselmaterial M zurück in einen festen Zustand überführen, um es zu erlauben, dass der Phasenübergang des Phasenwechselmaterials M kontinuierlich auftritt, wodurch das Kühlen der Batteriezelle 110 unter Verwendung der latenten Wärme des Phasenwechselmaterials M weiter fortgesetzt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die (hierin) offenbarten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist. Zahlreiche Modifikationen und Verbesserungen, welche durch diejenigen Fachleute in der Technik unter Verwendung des Grundkonzepts der vorliegenden Erfindung, wie es in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden, sind ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.

Claims

Batteriekühlvorrichtung für ein Fahrzeug, welche ein Batteriemodul (100), das eine Mehrzahl von Batteriezellen (110) aufweist, kühlt, aufweisend: eine Mehrzahl von Zellenabdeckungen (120), welche zwischen mindestens einigen Batteriezellen von der Mehrzahl von Batteriezellen (110) angeordnet sind und welche ein Phasenwechselmaterial (M), welches durch die Wärmeerzeugung der Batteriezellen (110), die benachbart zu den Zellenabdeckungen (120) sind, erwärmt wird, aufweisen, und eine Kühlplatte (130), welche angeordnet ist, so dass sie Wärme mit dem Phasenwechselmaterial (M) über die Zellenabdeckungen (120) austauscht, wobei Kühlwasser (C) zum Kühlen des Phasenwechselmaterials (M) durch die Kühlplatte (130) hindurch strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Zellenabdeckungen (120) eine erste Platte (121), welche zwischen den Batteriezellen (110), die zueinander benachbart sind, angeordnet ist, aufweist und das Phasenwechselmaterial (M) innerhalb der ersten Platte (121) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Platte (121) darin einen Raum (123), in welchen das Phasenwechselmaterial (M) eingefüllt ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Platte (121) in Berührung mit Außenflächen der Batteriezellen (110), die zueinander benachbart sind, steht und wobei das in den Raum (123) gefüllte Phasenwechselmaterial (M) so angeordnet ist, dass es Wärme mit den gesamten Außenflächen der benachbarten Batteriezellen (110) über die erste Platte (121) austauscht.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Zellenabdeckung (120) sich von der ersten Platte (121) aus senkrecht erstreckt und eine zweite Platte (122), welche an einer oberen Fläche der Kühlplatte (130) angeordnet ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Platte (122) an einer unteren Fläche einer jeden der Batteriezellen (110) angeordnet ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühlplatte (130) so angeordnet ist, dass sie aufgrund der Berührung mit der Zellenabdeckung (120) Wärme austauscht.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Kühlplatte (130) eine Mehrzahl von Kühlwasserkanälen (131) aufweist und das Kühlwasser (C) in jedem der Kühlwasserkanäle (131) strömt, um das durch die Wärmeerzeugung der Batteriezellen (110) verflüssigte Phasenwechselmaterial (M) zum Erstarren zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei sich jeder der Kühlwasserkanäle (131) in der Anordnungsrichtung der Batteriezellen (110) erstreckt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Zwischenlage (140) zwischen der Zellenabdeckung (120) und der Kühlplatte (130) angeordnet ist, um Grenzflächenspalte der Zellenabdeckung (120) und der Kühlplatte (130) zu füllen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Phasenwechselmaterial (M) aus einer festen Phase in eine flüssige Phase umgewandelt wird, um eine latente Schmelzwärme zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Phasenwechselmaterial (M) einen Schmelzpunkt von etwa 30°C bis 45°C aufweist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Phasenwechselmaterial (M) irgendeines ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem organischen Phasenwechselmaterial, einem anorganischen Phasenwechselmaterial und einer Mischung von zwei oder mehreren Ausgewählten.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das organische Phasenwechselmaterial ein auf Paraffin basierendes Phasenwechselmaterial und ein nicht auf Paraffin basierendes Phasenwechselmaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das anorganische Phasenwechselmaterial Salzhydrate, Metalle und Eutektika umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Phasenwechselmaterial (M) ein Paraffinwachs ist.