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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Kühlen einer Batterie, insbesondere zum Kühlen einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen gehört zu den großen technologischen Entwicklungen im Automobilbau. Eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ist neben dem Elektromotor eine der Schlüsselkomponenten von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Hierbei kommen vorwiegend Metall-Hydrid-Batterien als auch teilweise Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz.
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Insbesondere bei Schnellladungen einer Batterie in einem Fahrzeug treten häufig hohe Verslustleistungen auf, die in einer starken Erwärmung resultieren. Somit besteht ein hoher Kühlbedarf.
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Für die Kühlung der Batterie und einer Leistungselektronik von Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen sollten Temperaturen in einem bestimmten Bereich liegen. Bei höheren Temperaturen treten häufig Alterungseffekte auf und dadurch sinkt die Lebensdauer der Batterie. Darüber hinaus wird auch die Leistungsfähigkeit der Batterie eingeschränkt, da eine Batterie in der Regel aus Sicherheitsgründen bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur den Strom abriegelt. Für eine optimale Schnellladung darf die Temperatur der Batterie auch nicht zu niedrig sein, da während der Ladung die im Batterie-Inneren ablaufenden Stofftransportprozesse (z.B. wie Einlagerung von Lithium in die Anode) bei höheren Temperaturen schneller ablaufen und somit höhere Ladeströme möglich sind. Der optimale Temperaturbereich für eine Schnellladung liegt bei Lithium-Ionen-Batterien in einem Bereich von 35°C bis 45°C.
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Um eine effiziente Kühlung zu erreichen, ist typischerweise ein kurzer thermischer Pfad zwischen der Batterie und dem Kühlsystem von Vorteil.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung von Batterien bekannt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine indirekte Kühlung mittels Einbindung der Batterie in einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage oder eine direkte Kühlung von Einzelzellen mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, handeln.
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Aus der
DE 10 2009 000 066 A1 sind ein Verfahren zur Kühlung von Batteriezellen und ein Batteriesystem mit in einem Gehäuse des Batteriesystems angeordnete Batteriezellen bekannt. Das Verfahren umfasst das Durchführen einer Siedebadkühlung und/oder das Erwärmen des Batteriesystems über eine Erwärmung eines Wärmeübertragungsmediums.
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Aus der
DE 10 2006 029 571 A1 ist ein Antrieb für ein Fahrzeug mit einem Bauelement, welches elektrische Energie verbraucht, und mit einem leistungselektronischen Bauelement zur entsprechenden Bereitstellung der elektrischen Energie (Leistungselektronik) bekannt, bei dem die Leistungselektronik über ein Fluid im Siedekühlverfahren gekühlt wird.
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Aus der
EP 2 816 659 A1 sind ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Kühlung des Batteriesystems bekannt. Das Batteriesystem umfasst einen Kältemittel-Verdampfer und ein Batteriemodul mit einem Gehäuse, eine Batteriezelle und eine Kühlrippe. Die Kühlrippe leitet die Wärmeenergie von der Batteriezelle zu dem Kältemittel-Verdampfer. Der Kältemittel-Verdampfer enthält ein gasförmig-flüssiges Kühlmittel und wandelt das gasförmige-flüssige Kältemittel mit Hilfe der Wärmeenergie der Kühlrippe in ein gasförmiges Kühlmittel um.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Batteriesystem zum Kühlen von Batterien und ein Kraftfahrzeug, das ein solches Batteriesystem aufweist, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Batteriesystem nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit Batteriesystem nach Anspruch 10 gelöst.
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Nach einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriesystem zum Kühlen einer Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen, umfassend:
- eine Batterie-Einhausung,
- einen Kopplungsbereich an einer Außenwand der Batterie-Einhausung zum thermischen Koppeln der Batterie-Einhausung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie,
- eine oder mehrere Batteriezellen, die in der Batterie-Einhausung angeordnet ist, und ein elektrisch nichtleitendes Füllmaterial, das in die Batterie-Einhausung eingebracht ist und die
- eine oder mehreren Batteriezellen umgibt, wobei das Füllmaterial bei einer Temperatur, die in einem für einen Schnellladevorgang der Batterie optimalen Temperaturbereich liegt, einen Phasenwechsel durchläuft.
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Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem nach dem ersten Aspekt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Kühlen einer Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen. Das Batteriesystem umfasst eine Batterie-Einhausung und einen Kopplungsbereich zum thermischen Koppeln der Batterie-Einhausung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie vorzugsweise während eines Ladevorgangs und/oder eines Entladevorgangs der Batterie, beispielweise in einem regulären Fahrbetrieb. Der Kopplungsbereich befindet sich an einer Außenwand der Batterie-Einhausung. Die Batterie-Einhausung ermöglicht einen einfachen Austausch des Batteriesystems. Der Kopplungsbereich kann eine äußere Oberfläche der Batterie-Einhausung sein, die thermisch leitend sein kann und mit einer kühlenden Oberfläche der Kühlvorrichtung in direkten Kontakt gebracht werden kann. Die Kühlvorrichtung kann eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs sein oder mit dieser gekoppelt sein.
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Das Batteriesystem umfasst weiterhin eine oder mehrere Batteriezellen (nachfolgend auch als „mindestens eine Batteriezelle“ bezeichnet), die in der Batterie-Einhausung angeordnet sind. Mehrere Batteriezellen können elektrisch miteinander verschaltet sein, beispielsweise in Reihe oder parallel, um die Batterie zu bilden. Die mindestens eine Batteriezelle kann eine Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, sein. Die mindestens eine Batteriezelle kann zum Beispiel als prismatische Batteriezelle, als Rundbatteriezelle oder als Pouch-Batteriezelle ausgebildet sein. Vorzugsweise kann die mindestens eine Batteriezelle als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, eine Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle (NiMH) oder eine Festkörperbatteriezelle ausgebildet sein.
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Das Batteriesystem umfasst weiterhin ein elektrisch nichtleitendes Füllmaterial, das in die Batterie-Einhausung eingebracht ist und die mindestens eine Batteriezelle umgibt, insbesondere teilweise oder vollständig umgibt. Das Füllmaterial ist vorzugsweise mit der mindestens einen Batteriezelle in direktem Kontakt, um so von der Batterie abgestrahlte Wärme schnell aufnehmen zu können. Das Füllmaterial durchläuft dabei bei einer Temperatur, die in einem für einen Schnellladevorgang der Batterie optimalen Temperaturbereich liegt, einen Phasenwechsel. Der Phasenwechsel des elektrisch nichtleitenden Füllmaterials findet vorzugsweise bei einer Temperatur statt, die von einer Materialwahl der zu kühlenden Batterie abhängig ist. Die Temperatur kann eine Schmelztemperatur oder eine Siedemitteltemperatur des elektrisch nichtleitenden Füllmaterials sein.
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Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem entstehen zwei parallele thermische Pfade zum Kühlen der Batterie. So wird die Batterie unterhalb der Temperatur des Phasenwechsels über die Kühlvorrichtung gekühlt (erster Pfad), und beim Erreichen der Temperatur des Phasenwechsels wird die Batterie zusätzlich durch den Phasenwechsel des Füllmaterials gekühlt (zweiter Pfad). Somit kann beispielsweise eine Kältemittel-Verdampfungskühlung als Kühlkonzept für die Batterie auch dann ermöglicht werden, wenn Schnellladeprozesse mit sehr hohen Leistungen gefordert sind, da mit den hohen Leistungen einhergehende hohe Temperaturen durch eine Siedemittelkühlung abgefangen werden können.
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Durch die Kombination einer Kühlung über die Kühlvorrichtung mit einer Kühlung über das Füllmaterial kann darauf verzichtet werden, dass eine Kältemittelkühlung batterienah umgesetzt wird, und die Konstruktion der Kühlung kann deutlich vereinfacht werden. Durch die Auswahl des Füllmaterials kann die Kühlung auf die optimale Batterietemperatur für die Schnellladung abgestimmt werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann das elektrisch nichtleichtende Füllmaterial ein festes Phasenwechselmaterial, das einen Phasenwechsel von fest zu flüssig durchläuft, und/oder ein flüssiges Phasenwechselmaterial, das einen Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig durchläuft, umfassen. Das feste Phasenwechselmaterial kann ein paraffin-basiertes Material und/oder ein fettsäurebasiertes Material sein oder enthalten. Das flüssige Phasenwechselmaterial kann ein Ether, beispielsweise Hydrofluorether (HFE), ein Keton, beispielsweise Hydrofluorketone (FK), und/oder ein anderes flüssiges Phasenwechselmaterial sein oder enthalten. Das Phasenwechselmaterial, das auch als Latentwärmespeicher bezeichnet wird, nimmt beim Phasenwechsel Wärmeenergie auf und speichert diese. An den Wänden der Batterie-Einhausung wird das Phasenwechselmaterial abgekühlt und durchläuft wiederum einen Phasenwechsel, bei dem die von dem Füllmaterial zwischengespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird und über die Wände der Batterie-Einhausung und insbesondere die Kühlvorrichtung abgeführt wird.
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Vorzugsweise kann in der Batterie-Einhausung so viel Füllmaterial vorgehalten werden, dass während des gesamten Schnellladevorgangs immer genug Füllmaterial in der festen Phase (bei festen Phasenwechselmaterialien) bzw. in der flüssigen Phase (bei flüssigen Phasenwechselmaterialien) zur Verfügung steht.
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Da es während des Phasenwechsels des Füllmaterials, also beim Verflüssigen oder beim Verdampfen des Phasenwechselmaterials, zu einer Volumenzunahme kommt, kann das Batteriesystem weiterhin ein Volumenausgleichselement in der Batterie-Einhausung aufweisen, das diese Volumenzunahme kompensiert. Das Volumenausgleichselement kann zum Beispiel eine Membran, ein Zylinder und/oder ein anderes Volumenausgleichselement sein oder enthalten.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die Temperatur des Phasenwechsels beispielsweise in einem Bereich von 30°C bis 50°C liegen. Für Lithium-Ionen-Batterien kann die Temperatur des Phasenwechsels vorzugsweise in einem Bereich von 35 °C bis 45 °C liegen. In diesem Temperaturbereich laufen die Stofftransportprozesse innerhalb des Batterieinneren typischerweise schnell ab und es treten noch keine Schädigungen der Batterie auf. Bei hoher thermischer Belastung, die zum Beispiel durch eine Schnellladung der Batterie bedingt sein kann, beginnt der Phasenwechsel des elektrisch nichtleichtenden Füllmaterials rechtzeitig und effektiv vor Erreichen einer für die Batterie kritischen Temperatur. Bei Erreichen der kritischen Temperatur, die üblicherweise über der Temperatur des Phasenwechsels liegt, kann es zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Batterie kommen, die zumeist irreversibel ist. Da das Füllmaterial vorzugsweise in Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle der Batterie steht, erfolgt der Phasenwechsel des elektrisch nichtleitenden Füllmaterials direkt an der Oberfläche der Batteriezelle. Somit wird eine effiziente Kühlung der Batterie erreicht.
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Die Batterie kann weiterhin thermisch an die Batterie-Einhausung gekoppelt sein. Dazu kann die mindestens eine Batteriezelle direkt mit der Batterie-Einhausung in Kontakt stehen oder es kann zwischen der mindestens einen Batteriezelle und der Batterie-Einhausung ein wärmeleitendes Material, beispielsweise eine Wärmeleitmatte bzw. ein Wärmeleitpad, eine Wärmeleitpaste und/oder ein anderes wärmeleitendes Mittel, vorgesehen sein. Eine Kühlung bei geringer bis mittlerer Last der Batterie, beispielsweise während eines Normallade-Vorgangs der Batterie, kann somit mittels einer solchen thermischen Ankopplung der Batterie über die Batterie-Einhausung erfolgen, wobei die Wärme von der Batterie-Einhausung weiter an die Kühlvorrichtung abgegeben werden kann. Da die Wärmeentwicklung bei geringer bis mittlerer Last üblicherweise unter der Temperatur des Phasenwechsels stattfindet, ist das Phasenwechselmaterial an diesem Kühl-Pfad üblicherweise nicht beteiligt.
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Durch einen Temperatur-Haltepunkt während des Phasenwechsels kann die Batterietemperatur bei hoher thermischen Belastung, beispielsweise während des Schnellladens, auf einem konstanten Wert gehalten werden. Dieser Wert hängt von dem Siedepunkt des Füllmaterials ab. Durch geeignete Wahl des Füllmaterials kann die Temperatur der Batterie während des Schnellladens auf genau der Temperatur gehalten werden, die für den Ladevorgang optimal ist, bei Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 35 °C bis 45 °C.
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Durch die thermische Kopplung der Batterie über die Batterie-Einhausung an der Kühlvorrichtung wird unterhalb der Temperatur des Phasenwechsels des elektrisch nichtleitenden Füllmaterial eine Kühlung erreicht. Bei niedriger thermischen Last kann damit die Batterie auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden, beispielsweise in einem Bereich von 15°C bis 30°C, insbesondere von 20 °C bis 25 °C, bei der im Dauerbetrieb eine geringere Alterung der Batterie zu erwarten ist als bei der höheren, für die Schnellladung optimalen Temperatur. Die in der Batterie entstehende Abwärme wird zunächst an die Batterie-Einhausung abgegeben und über diese an die Kühlvorrichtung weitertransportiert. Die Kühlung erfolgt in diesem Betriebszustand also klassisch über Wärmeleitung von der Batterie über die Batterie-Einhausung zu einem Kühlmedium in der Kühlvorrichtung, ohne dass das elektrisch nichtleitende Füllmaterial genutzt wird. Bei hoher elektrischer Last, insbesondere also beim Schnellladen, reicht dieser klassische thermische Pfad zur Abführung der Wärme nicht mehr aus, die Temperatur in der Batterie steigt an. Erreicht die Temperatur die Phasenwechseltemperatur des elektrisch nichtleitenden Füllmaterials, so vollzieht diese an den Zelloberflächen den Phasenwechsel, wodurch die Zellen sehr effektiv gekühlt werden.
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In manchen Ausführungsformen kann das Batteriesystem die Kühlvorrichtung umfassen. Diese kann dann über den Kopplungsbereich mit der Batterie-Einhausung thermisch gekoppelt sein. Dazu kann ein wärmeabführender Bereich der Kühlvorrichtung formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Kopplungsbereich der Batterie-Einhausung verbunden sein. Beispielsweise kann eine wärmeabführende Oberfläche der Kühlvorrichtung, beispielsweise eine Rohroberfläche oder eine Kühlrippenoberfläche, mit dem Kopplungsbereich der Batterie-Einhausung verbunden, insbesondere verschweißt, sein.
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Die Kühlvorrichtung kann einen Kältemittel-Verdampfer, der beispielsweise eine Flachrohrstruktur umfasst, aufweisen. Der Kältemittel-Verdampfer kann mit einem bereits in dem Fahrzeug vorhandenen Kältekreislauf in Verbindung stehen und Kältemittel in diesem Kältekreislauf beispielsweise einer Klimaanlage, für die Batteriekühlung nutzen. Es kann somit auf einen separaten Kühlkreis verzichtet werden. Alternativ kann die Kühlvorrichtung zur Abführung der Wärme von der Batterie-Einhausung Wärmerohre, auch als Heat-Pipes bezeichnet, oder eine Wärmesenke, die ein flüssiges Kühlmedium aufweisen kann, sein. Das flüssige Kühlmedium kann ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder ein Thermo-Öl sein. Diese können wiederum einen in dem Fahrzeug vorhandenen Kältekreislauf ausnutzen.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann der Kopplungsbereich einen Bereich einer Oberseite der Batterie-Einhausung umfassen und die Kühlvorrichtung oben an die Batterie-Einhausung gekoppelt sein. So kann insbesondere verdampftes Füllmaterial an einer Decke der Batterie-Einhausung kondensieren und entlang der Seitenwände der Batterie-Einhausung abgeleitet werden. Bei Verwendung eines flüssigen Phasenwechselmaterials kann so eine effektive Kühlung der Batterie ermöglicht werden. Der Kopplungsbereich kann alternativ oder zusätzlich einen Bereich einer Seitenwand oder eines Bodens der Batterie-Einhausung umfassen.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die Kühlung mittels der Kühlvorrichtung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des Phasenwechsels erfolgen. Wie oben bereits erwähnt, kann die Temperatur beispielsweise in einem Bereich von 15°C bis 30°C, insbesondere im Bereich von 20°C bis 25°C, liegen.
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In manchen Ausführungsformen kann die Batterie-Einhausung des Batteriesystems gas dicht und/oder thermisch leitend ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Batterie-Einhausung aus mehreren Elementen, beispielsweise Seiten-, Decken- und/oder Bodenelementen oder Kombinationen daraus, ausgebildet sein. Die Elemente können an Verbindungsflächen mit einer umlaufenden Dichtung, beispielsweise einer Flachdichtung, einem O-Ring und/oder einem anderen umlaufenden Dichtelement, versehen sein. Nach dem Verbinden der Elemente entlang der Verbindungsflächen können ungewollte Stoffübergänge aus der Batterie-Einhausung in die Umgebung und/oder in umgekehrte verhindert werden. Alternativ können die Elemente stoffflüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein, beispielsweise können Verbindungsflächen der Elemente verklebt, verschweißt oder verlötet sein.
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Es gibt Ausführungen, bei denen die Batterie-Einhausung, insbesondere die mehreren Elemente, aus einem Werkstoff ausgebildet sein, der eine thermisch leitende Funktion aufweist.
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Der Werkstoff kann einen metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium, Stahl oder Edelstahl, oder einen faserverstärkten Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff-Verbundstoff (GFK-Verbundstoff) oder ein kohlenstofffaserverstärkt Kunststoff-Verbundstoff (CFK-Verbundstoff) enthalten oder daraus bestehen. Zur besseren Ableitung von Wärme aus dem Inneren der Batterie-Einhausung können zudem wärmeleitende Strukturen, beispielsweise Wärmeleitbleche, vorgesehen sein.
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Das Batteriesystem kann weiterhin eine Verspannstruktur aufweisen, die vorzugsweise außen entlang der Seitenwände der Batterie-Einhausung angeordnet ist. Die Verspannstruktur kann beispielsweise Spannplatten, Zugbänder und/oder Gewindestangen umfassen. Durch die Verspannstruktur kann eine Vorspannkraft auf die mindestens eine Batteriezelle aufgebracht werden und eine mechanische Verformung der mindestens einen Batteriezelle aufgrund einer Veränderung einer Batterieform während des Ladens und/oder Entladens kompensiert werden. Über die Verspannstruktur kann auch die mechanische Anbindung der mindestens einen Batteriezelle innerhalb der Batterie-Einhausung erfolgen.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die mindestens eine Batteriezelle thermisch an die Batterie-Einhausung gekoppelt sein.
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Das Batteriesystem kann eine Vielzahl einzelner elektrischer Batteriezellen umfassen, die in der gemeinsamen Batterie-Einhausung angeordnet sind. Bei identischer Gestaltung der Batteriezellen lassen sich diese dicht an dicht packen und eine Vielzahl von Batteriezellen im Batteriegehäuse unterbringen. Die einzelnen Batteriezellen können parallel zueinander ausgerichtet sein und thermisch an die Batterie-Einhausung gekoppelt sein. Diese Verbindung kann wie oben hinsichtlich einer Batteriezellen erwähnt ausgebildet sein, insbesondere mittels Wärmeleitmatten. Die einzelnen Batteriezellen können jeweils elektrisch miteinander verschaltet, insbesondere in Reihe oder parallel, um eine gewünschte Ausgangsspannung zum Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen.
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In Ausführungsbeispielen, in denen das Batteriesystem mehrere Batteriezellen umfasst, können die Batteriezellen beabstandet voneinander angeordnet sein. Als Abstandshalter können zwischen die einzelnen Batteriezellen Zwischenlagen eingebracht sein, die eine Benetzung der Batterieoberflächen mit dem Füllmaterial verbessern.
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Als Zwischenlagen können poröse Werkstoffe, insbesondere Schwämme, oder Strukturbleche eingesetzt werden, die elektrisch nichtleitend sein können.
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Zudem kann zwischen den Oberflächen der Batteriezellen und der Batterie-Einhausung ein Freiraum vorgesehen sein, der als Flüssigkeitsreservoir dient. Auch der Freiraum kann mit einer Lage, die mit der Zwischenlage vergleichbar ist, gefüllt sein.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann das nichtleitende Füllmaterial als Wärmespeicher vorgesehen sein. Beim Laden, sowohl beim Normalladen, als auch beim Schnellladen, kann das Füllmaterial von der Batterie abgegebene Wärme aufnehmen. Diese Wärme, die beim Laden der Batterie freigesetzt wird, kann dann unmittelbar in dem Füllmaterial gespeichert werden. So kann die Batteriezelle auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.
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Die Erfindung schlägt somit ein Batteriesystem zum Kühlen einer Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen vor, bei dem beim Laden oder Entladen der Batterie die freigesetzte Wärme mit hohem Wirkungsgrad über zwei parallele thermische Pfade abgeführt wird. Es werden somit bestimmte Temperaturen im Betrieb der Batterie nicht überschritten. Da die Wärme in der jeweiligen Batteriezelle entsteht, ist die direkte Wärmeabfuhr mittels des elektrisch nichtleitenden Füllmaterials bei hohen Belastungen wie beispielsweise beim Schnellladen sehr effizient. Die Wärme kann in der Kühlflüssigkeit gespeichert werden, oder auch durch eine vorhandene Kühlfläche reguliert werden. Damit ist die Temperaturregulierung ohne Wärmeleitbleche, die am Batteriegehäuse oder dergleichen vorgesehen sein müssten, möglich.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem mit den oben dargestellten Eigenschaften. Vorzugsweise ist der Kopplungsbereich der Batterie-Einhausung thermisch mit einer Kühlvorrichtung des Kraftfahrzeugs gekoppelt oder die Kühlvorrichtung ist an einen im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislauf angeschlossen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
- 1 eine erste schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems zum Kühlen einer Batteriezelle mit einem flüssigen Phasenwechselmaterial als elektrisch nichtleitendes Füllmaterial;
- 2 eine zweite Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels;
- 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems zum Kühlen einer Batteriezelle mit einer Wärmesenke.
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1 zeigt eine erste schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 für ein Kraftfahrzeug. 2 zeigt eine zweite schematische Querschnittsansicht dieses ersten Ausführungsbeispiels entlang einer Schnittlinie A-A in 1, also einen senkrecht zu dem Querschnitt der 1 stehenden Querschnitt des Batteriesystems 1.
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Das Batteriesystem 1 umfasst eine Batterie-Einhausung 2, die mehrere parallel zueinander ausgerichtete Batteriezellen 4 einer Batterie des Fahrzeugs aufnimmt. Die Batterie-Einhausung 2 weist einen Boden 20, vier senkrecht zueinander ausgerichtete Seitenwände 21, 22, 26, 27 und eine obere Außenwand 23 auf. An der oberen Außenwand 23 der Batterie-Einhausung 2 befindet sich ein Kopplungsbereich 24 zum thermischen Koppeln der Batterie-Einhausung 2 mit einer Kühlvorrichtung in Form eines Kältemittel-Verdampfers 3. Der Kältemittel-Verdampfer 3 enthält mehrere parallel verlaufende Flachrohre 30, 31, die oberhalb der Pole 8 der Batteriezellen 4 verlaufen. So zeigt 1 das Flachrohr 30, das sich über die gesamte Länge der oberen Außenwand 23 erstreckt, und 2 Querschnitte der Flachrohre 30, 31, die sich im Bereich der Pole 8 befinden. Der Kopplungsbereich 24 umfasst zwei Bereiche einer äußeren Oberfläche der oberen Außenwand 23, in denen sich jeweils eine Wärmeleitmatte 9a befindet. Jede der Wärmeleitmatten 9a steht mit einer kühlenden Oberfläche der Flachrohre 30, 31 des Kältemittel-Verdampfers 3 in direktem Kontakt.
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An dem Boden 20 der Batterie-Einhausung 2 befindet sich eine weitere Wärmeleitmatte 9b, die die von den Batteriezellen 4 abgegebene Wärme an die Batterie-Einhausung 2 überträgt. In der Batterie-Einhausung 2 befinden sich mehrere Batteriezellen 4, die elektrisch miteinander verschaltet sind, um eine Ausgangspannung zum Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen. Durch die Wärmeleitmatte 9b am Boden 20 der Batterie-Einhausung 2 sind die Batteriezellen 4 thermisch an die Batterie-Einhausung 2 gekoppelt.
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In der Batterie-Einhausung 2 befindet sich weiterhin ein elektrisch nichtleitendes Füllmaterial in Form eines flüssigen Phasenwechselmaterials 5, das die Batteriezellen 4 teilweise umgibt. Die elektrischen Pole 8 der Batteriezellen 4 tauchen nicht in das flüssige Phasenwechselmaterial 5 ein. Um die seitlichen Batterieoberflächen besser mit dem flüssigen Phasenwechselmaterial 5 benetzen zu können, sind zwischen die Batteriezellen 4 sowie zwischen die Batteriezellen 4 und die Seitenwände 21, 22 (in 1 gezeigt) Zwischenlagen 7 in Form eines porösen nichtleitenden Materials eingebracht. Zwischen den seitlichen Batterieoberflächen und den Seitenwänden 26, 27 der Batterie-Einhausung 2 ist ein Freiraum 7a (in 2 gezeigt) vorgesehen, der als Flüssigkeitsreservoir für das flüssige Phasenwechselmaterial 5 dient.
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Um eine Vorspannkraft auf die Batteriezellen 4 aufzubringen, befinden sich außen an den Seitenwänden 21, 22 jeweils Spannplatten 6 (in 1 gezeigt). Die Spannplatten 6 sind über Spannbänder 6a (in 2 gezeigt), die sich entlang der Seitenwände 26, 27 erstrecken, verspannt und bilden gemeinsam mit den Spannbändern 6a eine Verspannstruktur. Über die Verspannstruktur erfolgt die mechanische Anbindung der Batteriezellen 4 innerhalb der Batterie-Einhausung 2.
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Wird das Batteriesystem 1 bei einer niedrigen elektrischen Last betrieben, wobei die Temperatur unterhalb der Temperatur des Phasenwechsels bleibt, so wird in den Batteriezellen 4 entstehende Wärme über die Wärmeleitmatten 9a, 9b und das flüssige Phasenwechselmaterial 5 an die Batterie-Einhausung 2 abgebeben und über diese an den Kältemittel-Verdampfer 3 des Batteriesystems 1 weitertransportiert. Die Kühlung erfolgt in diesem Betriebszustand über Wärmeleitung allein durch die Batterie-Einhausung 2.
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Wird das Batteriesystem 1 bei einer hohen elektrischen Last betrieben, insbesondere beim Schnellladen, reicht der erste thermische Pfad mittels Wärmeleitung zur Abführung der Wärme nicht aus. Die Temperatur der Batteriezellen 4 steigt weiter an. Erreicht die Temperatur den Siedepunkt des flüssigen Phasenwechselmaterials 5, so vollzieht dieses an den Batterieoberflächen einen Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig, wodurch die Batteriezellen 5 gekühlt werden. Durch den Phasenwechsel steigt die Temperatur innerhalb des Batteriesystems 1 nicht weiter an, solange noch flüssiges Phasenwechselmaterial 5 in der flüssigen Phase vorhanden ist. Das gasförmige Phasenwechselmaterial steigt innerhalb der Batterie-Einhausung 2 auf und kommt mit der inneren Oberfläche der oberen Außenwand 23 der Batterie-Einhausung 2 in Kontakt und kondensiert dort.
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Anstelle des flüssigen Phasenwechselmaterials kann das elektrisch nichtleitende Füllmaterial ein festes Phasenwechselmaterial sein. Das feste Phasenwechselmaterial umgibt die Batteriezellen 4 in der Batterie-Einhausung 2 ganz oder teilweise. Bei einem Phasenwechsel von fest zu flüssig schmilzt das feste Füllmaterial und nimmt dabei Wärme auf. Wird das verflüssigte Phasenwechselmaterial abgekühlt, erstarrt es wieder.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1b eines Kraftfahrzeugs. Das Batteriesystem 1b ist analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet und unterscheidet sich von diesem lediglich darin, dass als Kühlvorrichtung anstelle des Kältemittel-Verdampfers 3 eine Wärmesenke 3a in direktem Kontakt mit der Wärmeleitmatte 9a steht, und dass an der inneren Oberfläche der oberen Außenwand 23 der Batterie-Einhausung 2 eine Rippenstruktur 25 vorgesehen ist. An der Rippenstruktur 25 kühlt sich das verdampfte Phasenwechselmaterial 5 ab und kondensiert. Das Kondensat wird wieder in Richtung Boden 20 zurückgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b
- Batteriesystem
- 2
- Batterie-Einhausung
- 20
- Boden
- 21, 22, 26, 27
- Seitenwände
- 23
- obere Außenwand
- 24
- Kopplungsbereich
- 25
- Rippenstruktur
- 3
- Kältemittel-Verdampfer
- 3a
- Wärmesenke
- 30, 31
- Flachrohre
- 4
- Batteriezellen
- 5
- Phasenwechselmaterial
- 6
- Spannplatten
- 6a
- Spannband
- 7
- Zwischenlage in Form eines porösen Materials
- 7a
- Freiraum
- 8
- elektrischer Pol der Batteriezelle
- 9a, 9b
- Wärmeleitmatten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000066 A1 [0007]
- DE 102006029571 A1 [0008]
- EP 2816659 A1 [0009]
