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Die Erfindung betrifft ein kühlbares Zellmodul für ein elektrisches Energiesystem, ein solche Zellmodule umfassendes elektrisches Energiesystem mit einem Kühlmittelkreislauf, und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems, insbesondere eines elektrischen Energiesystems in einem Kraftfahrzeug.
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Zellmodule in modular aufgebauten Energiesystemen, z.B. Energiesystemen zum Antrieb von elektrischen oder hybridischen Fahrzeugen, werden häufig zur Effizienz- und Leistungssteigerung mit einem Fluid, d.h. einem Gas, beispielsweise Luft, oder einer Flüssigkeit gekühlt. Allerdings ist die gesamte Kette aus Zellen bzw. Zellmodulen, also das die Module umfassende Energiesystem, z.B. eine Hochspannungsbatterie, wie eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, oder ein Brennstoffzellensystem, immer nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Dies bedeutet, dass sich das Gesamtsystem an dem heißesten Zellmodul orientiert und entsprechend die Leistung reduziert werden muss, sobald das erste Zellmodul eine gewisse Temperaturgrenze erreicht, unabhängig davon, ob alle anderen Zellmodule noch weit von dieser Grenze entfernt sind. Dies kann z.B. einfach dadurch bedingt sein, dass weiter hinten liegende Zellmodule weniger effektiv gekühlt werden als vordere, oder beispielsweise auch durch Fertigungstoleranzen der Zellmodule. Dies engt den Betriebsbereich des Energiesystems ein, da frühzeitig dessen Gesamtleistung begrenzt wird, obwohl dies für die meisten Module noch gar nicht notwendig wäre.
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Da in aller Regel auch immer wieder dieselben Zellen überhitzt werden, altern diese auch am schnellsten und schränken die Performance des Gesamtsystems durch diesen selbstverstärkenden Effekt überproportional ein. Außerdem ist auch die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfalls einzelner Zellen oder Module entsprechend hoch, was nach einigen Jahren Betriebsdauer hohe Kosten für Austausch oder Nachbesserung des Energiesystems durch den Tausch einzelner Zellen oder Module nach sich zieht.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.
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Aus der
DE 10 2016 210 460 A1 sind eine Energiespeicher-Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Kühlmittelflusses in einer Energiespeicher-Vorrichtung bekannt. Der Kühlmittelfluss durch einzelne Kühlkanäle wird dynamisch an die Zelltemperaturen einzelner Energiespeicherzellen angepasst, wobei Steuerelemente in den Kühlmittelkanälen oder deren Verzweigungen den Kühlmittelfluss stärker in einen der Kühlkanäle lenken, der einer Energiespeicherzelle mit höherem Kühlbedarf zugeordnet ist. Da die einzelnen Zellmodule in Form einer Matrix angeordnet sind, ist die konkrete Beeinflussung eines einzelnen Zellmoduls oder einer einzelnen Zelle nicht möglich. Wenn im System zwei Zellen oder Zellmodule mit extrem unterschiedlichem Kühlbedarf benachbart sind, ist die Regelung nicht trennscharf.
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Auch die
DE 10 2009 013 651 A1 offenbart ein Kühlsystem für einen Energiespeicher aus Batteriezellen und Verfahren zur Steuerung einer aktiven Kühlung. Ein Kühlmittelverteiler dient zur Verteilung eines Kühlmittelflusses, wodurch mehrere Bereiche von Batteriezellen in einem Batteriegehäuse eine unterschiedliche Kühlung aufweisen. Auch mit diesem Kühlsystem ist die konkrete Beeinflussung eines einzelnen Zellmoduls oder einer einzelnen Zelle nicht möglich
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Aus der
DE 10 2013 208 181 A1 geht ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten hervor. Das Kühlsystem umfasst zwei Kühleinrichtungen und eine zentrale Kühlmittelschaltanordnung, die zur Verteilung von Kühlmittelflüssen an eine Fahrzeugbatterie und an weitere zu kühlende Komponenten des Kraftfahrzeugs dient.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Zellmodul für ein elektrisches Energiesystem, das einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf aufweist, wobei der Kühlmittelablauf ein Thermostatventil umfasst.
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In einer Ausführungsform ist das Thermostatventil so ausgelegt, dass es sich bei einer ersten Temperatur zu öffnen beginnt, die niedriger ist als die durchschnittliche Betriebstemperatur des Zellmoduls, und erst bei einer zweiten Temperatur vollständig geöffnet ist, die höher ist als die durchschnittliche Betriebstemperatur des Zellmoduls.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kühlmittelablauf neben dem Thermostatventil auch einen Bypass, durch den Kühlmittel aus dem Zellmodul ablaufen kann. Der immer geöffnete Bypass ist parallel zu dem Thermostatventil geschaltet. Dadurch ist gewährleistet, dass auch bei vollständig geschlossenem Thermostatventil ein geringer Kühlmittelfluss durch das Zellmodul erfolgt.
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In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zellmodul mindestens eine Brennstoffzelle. In einer anderen Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zellmodul mindestens eine Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle bzw. Akkumulatorzelle, beispielsweise eine Lithiumionenzelle.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem, das mindestens zwei erfindungsgemäße Zellmodule umfasst, die an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind. In einer Ausführungsform umfasst das Energiesystem eine Vielzahl von Zellmodulen, die an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind, beispielsweise mindestens 10, insbesondere mindestens 50, oder sogar mindestens 100 Zellmodule.
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In einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Energiesystem ein stationäres Energiesystem. Beispielsweise kann es Bestandteil einer stationären Energieversorgung eines Haushalts oder einer Produktionsstätte sein und diese mit elektrischer Energie versorgen; oder an eine Infrastruktur für elektrische Energie angeschlossen sein, z.B. das öffentliche Stromnetz.
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In einer anderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Energiesystem ein mobiles Energiesystem. Es kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein und dieses mit elektrischer Energie versorgen. In einer Variante stellt das erfindungsgemäße Energiesystem elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs durch Elektromotoren bereit. In einer weiteren Ausführungsform stellt das Energiesystem elektrische Energie für den Betrieb eines Bordnetzes des Fahrzeugs bereit. In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Energiesystem ein Brennstoffzellensystem. In einer anderen Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Energiesystem eine Traktionsbatterie.
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Der gemeinsame Kühlmittelkreislauf versorgt alle Zellmodule des Energiesystems mit einem Kühlmittel und führt die von den Zellmodulen erzeugt Abwärme aus dem Energiesystem ab. Als Kühlmittel wird ein geeignetes Fluid eingesetzt, beispielsweise ein Gas wie Luft, Kohlendioxid oder ein Inertgas; oder eine Flüssigkeit wie Wasser, ein flüssiger Kohlenwasserstoff wie Butan, oder ein Fluorkohlenwasserstoff wie R134a.
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Im erfindungsgemäßen Energiesystem sind die Kühlmittel-Rückläufe der einzelnen Zellmodule mit einem Thermostatventil versehen, das seinen Öffnungsbeginn vor der durchschnittlichen Betriebstemperatur und sein Öffnungsende nach der Betriebstemperatur bzw. Nenntemperatur der Zellen hat. Diese Konfiguration hat zur Folge, dass heißere Zellmodule mit mehr Kühlmittel durchflossen und stärker gekühlt werden als kältere. Da alle Zellmodule diesem Prinzip folgen, wird der gesamte Kühlmittelfluss durch das Energiesystem so verteilt, dass sich eine gleichmäßige Temperatur aller Zellmodule ergibt.
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In einer Ausführungsform umfasst der Regler des Thermostatventils einen Bimetalldraht, der zu einer schraubenförmigen Feder gewickelt wurde. In einer anderen Ausführungsform umfasst der Regler eine paraffingefüllte Kapsel, ein sogenanntes Wachsdehnstoff-Element. Erhöht sich die Temperatur, so dehnt sich das Reglerelement aus und vergrößert die Öffnung des Ventils, sinkt die Temperatur, so zieht sich das Reglerelement zusammen und verkleinert die Öffnung des Ventils.
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Der Kühlmittelzufluss zu allen Zellen oder Zellmodulen ist zunächst gleich, während ausschließlich der Kühlmittelabfluss (Rücklauf) entsprechend seiner individuellen Temperatur durch das Thermostatventil geregelt wird. Durch die bei einer Drosselung des Kühlmittelabflusses resultierende Druckerhöhung reduziert sich der Durchfluss für diese Zelle bzw. dieses Zellmodul automatisch und zwangsverkettet, ohne dass eine aufwendige Überwachung nötig wäre. Es handelt sich um ein selbstregulierendes System, das ohne jegliche übergeordnete Steuerung, Regelung bzw. Datenerfassung auskommt, weil ausschließlich die beim Betrieb von Zellmodulen durch Belastung auftretende Temperaturerhöhung und die erzeugte Abwärme eine Rolle spielen. Entsteht in einer Zelle bzw. einem Zellmodul mehr Abwärme und erreicht dies als erstes eine höhere Temperatur als die anderen, wird durch das regelnde Thermostatventil genau diese Zelle bzw. dieses Zellmodul auch zuerst am meisten gekühlt, wodurch sich eine sofortige selbstnivellierende Kühlung mit einer automatischen Angleichung der Temperaturen ergibt.
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Das erfindungsgemäße Energiesystem erfordert nur geringen technischen und vor allem elektrischen/elektronischen Aufwand und kommt ohne Sensoren, Leitungen, Steuereinheiten, Stellelemente und dergleichen aus. Dies stellt im Vergleich mit bekannten Systemen des Standes der Technik eine deutlich bessere und effizientere Lösung dar, z.B. hinsichtlich Kosten, Bauraum, Gewicht, Komplexität des Energiesystems.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Energiesystems ist, dass es konstruktionsbedingt eine homogene Temperaturverteilung im gesamten System begünstigt, d. h. zu einer weitgehend gleichen Temperatur in allen Zellmodulen führt, insbesondere in dem für den Betrieb der Zellmodule als ideal spezifizierten Temperaturbereich. Somit können alle Zellmodule für lange Zeit und unter gleichmäßigen Bedingungen in diesem idealen Betriebstemperaturfenster bleiben.
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Dies erweitert zudem den Betriebsbereich des Energiesystems, da keine frühzeitige Begrenzung der Leistung notwendig wird, da alle Zellmodule fast synchron die entsprechende Grenztemperatur erreichen werden. Da alle Zellen thermisch nahezu gleich belastet werden, tritt keine vorzeitige Alterung einzelner Zellmodule auf. Die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfalls einzelner Zellen oder Zellmodule ist deutlich reduziert. Es gibt keine „benachteiligten“ Zellen oder Zellmodule und das Energiesystem stellt ein selbststabilisierendes und selbstsynchronisierendes System dar.
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So lässt sich eine Anforderung an die Lebensdauer des Energiesystems, beispielsweise dass eine Batterie nach einer Betriebsdauer von acht Jahren immer noch mindestens 70% der Nennkapazität haben soll, entsprechend leichter erreichen. Das Risiko, dass nach einigen Jahren ein Austausch des Energiesystems oder eine Nachbesserung durch den Tausch einzelner Zellen oder Zellmodule erforderlich wird, ist deutlich verringert, was sich vorteilhaft in geringeren Gewährleistungskosten niederschlägt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems, das mehrere Zellmodule umfasst, die an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind. In einer Ausführungsform handelt es sich dabei um ein elektrisches Energiesystem in einem Kraftfahrzeug. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich dabei um ein stationäres elektrisches Energiesystem. Der Begriff „mehrere Zellmodule“ bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Zellmodule, beispielsweise mindestens 10 Zellmodule oder eine noch größere Anzahl, z.B. mindestens 50 Zellmodule. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kühlmittelfluss durch jedes einzelne Zellmodul des Energiesystems gesteuert durch eine temperaturabhängige Regelung des Kühlmittelrückflusses aus dem Zellmodul in den Kühlmittelkreislauf. Dabei wird der Kühlmittelabfluss aus einem Zellmodul so geregelt, dass er proportional zur Temperatur in dem Zellmodul ist. Je höher die Temperatur im Zellmodul ist, desto größer wird der Kühlmittelabfluss. Dadurch strömt auch mehr Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in das Zellmodul nach und es resultiert insgesamt ein erhöhter Kühlmittelfluss durch das Zellmodul, das somit stärker gekühlt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren verteilt den Kühlmittelstrom im Kühlmittelkreislauf so, dass sich eine homogene Temperaturverteilung ergibt, insbesondere in dem als ideal spezifizierten Temperaturbereich. Somit können alle Zellmodule lange und gleichmäßig in diesem idealen Betriebstemperaturfenster betrieben werden.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellmoduls.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10, das eine Vielzahl von Zellmodulen 11 umfasst. Jedes Zellmodul 11 ist über einen Kühlmittelzulauf 12 und einen Kühlmittelablauf 13 mit einem Kühlmittelkreislauf 14 verbunden. Die elektrischen Pole 15 der Zellmodule 11 sind über Leitungen 16 so verbunden, so dass sich eine Reihenschaltung der Zellmodule 11 ergibt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellmoduls 11. Durch den Kühlmittelzulauf 12 kann Kühlmittel in das Zellmodul 11 eintreten (in der Figur als Vorlauf V bezeichnet, der im dargestellten Beispiel eine Temperatur von 30°C aufweist). Das Kühlmittel wird in einer Kühlmittelleitung 17, die in der abgebildeten Ausführungsform als Kühlschlange ausgeführt ist, durch das Zellmodul 11 geführt und kann dieses über den Kühlmittelablauf 13 wieder verlassen. Der Kühlmittelablauf 13 ist in der Detailansicht vergrößert dargestellt. Er umfasst ein Thermostatventil 18 und einen Bypass 19. Mit der Kombination aus Thermostatventil 18 und Bypass 19 wird der Kühlmittelfluss durch den Kühlmittelablauf 13, also der Rücklauf R (der im Beispiel eine Temperatur von 40°C aufweist) temperaturabhängig geregelt zwischen einem Minimalwert, bei dem Kühlmittel nur über den Bypass 19 ablaufen kann, weil das Thermostatventil 18 vollständig geschlossen ist, und einem Maximalwert, bei dem das Kühlmittel sowohl über den Bypass 19 als auch durch das vollständig geöffnete Thermostatventil 18 aus dem Zellmodul 11 ausströmen kann. Innerhalb des Regelbereichs ist also der Kühlmittelabfluss aus dem Zellmodul 11 und damit auch der Kühlmittelstrom durch das Zellmodul 11 umso größer, je höher die am Thermostatventil 18 anliegende Temperatur ist. Dies hat zur Folge, dass das Zellmodul 11 umso stärker gekühlt wird, je höher seine Temperatur ist. Das Thermostatventil 18 wird so ausgelegt, dass es sich schon bei einer Temperatur zu öffnen beginnt, die niedriger ist als die durchschnittliche Betriebstemperatur des Zellmoduls 11, und erst bei einer Temperatur vollständig geöffnet ist, die höher ist als die durchschnittliche Betriebstemperatur des Zellmoduls 11.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiesystem
- 11
- Zellmodul
- 12
- Kühlmittelzulauf (Vorlauf)
- 13
- Kühlmittelablauf (Rücklauf)
- 14
- Kühlmittelkreislauf
- 15
- elektrische Pole
- 16
- elektrische Leitung
- 17
- Kühlmittelleitung/Kühlschlange
- 18
- Thermostatventil
- 19
- Bypass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210460 A1 [0005]
- DE 102009013651 A1 [0006]
- DE 102013208181 A1 [0007]
