DE102018214748A1 - Battery system with fans in the battery cell holder and method for homogeneous temperature distribution within the battery system - Google Patents
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Abstract
Batteriesystem (200) mit einem Batteriegehäuse, das einen Grundkörper (201), ein erstes Abdeckelement (202) und ein zweites Abdeckelement (203) umfasst, wobei das erste Abdeckelement (202) eine erste offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt und das zweite Abdeckelement (203) eine zweite offene Stirnseite des Grundkörpers (201) verschließt, einem Batteriezellenhalter (204), der Batteriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Batteriezellen (205) aufweist, wobei der Batteriezellenhalter (204) die Vielzahl von Batteriezellen (205) aufweist und der Batteriezellenhalter (204) innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist, und einem Batteriemanagementsystem (109), das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Batteriezellen (205) zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen (205) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriezellenhalter (204) mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter (206) und einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter (207) aufweist, wobei der erste Lüfter (206) und der zweite Lüfter (207) unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen (205) vom Batteriemanagementsystem (109) angesteuert werden.Battery system (200) with a battery housing, which comprises a base body (201), a first cover element (202) and a second cover element (203), the first cover element (202) closing a first open end face of the base body (201) and the second Covering element (203) closes a second open end face of the base body (201), a battery cell holder (204) which has battery cell receiving spaces for a plurality of battery cells (205), the battery cell holder (204) having the plurality of battery cells (205) and the battery cell holder (204) is arranged within the battery housing, and a battery management system (109), which is set up to monitor the plurality of battery cells (205) and to record temperatures of the individual battery cells (205), characterized in that the battery cell holder (204) at least a first fan receiving space with a first fan (206) and a second fan receiving room with a second fan (207), the first fan (206) and the second fan (207) having different flow directions, the first fan and the second fan depending on a threshold value violation of the temperature of the individual battery cells (205) by the battery management system (109) can be controlled.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit Lüftern innerhalb eines Batteriezellenhalters und ein Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb des Batteriesystems.The invention relates to a battery system with fans within a battery cell holder and a method for homogeneous temperature distribution within the battery system.
Batterien für mobile Anwendungen umfassen in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen. Diese Batteriezellen sind bezüglich der Spannung und der zulässigen Ströme limitiert. Um eine für einen vorgegebenen Anwendungsfall erforderliche Gesamtspannung und Gesamtkapazität der Batterie zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen auf eine bestimmte Weise verschaltet. Eine serielle Verschaltung erhöht die erforderliche Gesamtspannung und eine parallele Verschaltung erhöht die erforderliche Gesamtkapazität, sowie die zulässigen Gesamtströme.Batteries for mobile applications usually include a large number of battery cells. These battery cells are limited in terms of voltage and permissible currents. In order to achieve the total voltage and total capacity of the battery required for a given application, the individual battery cells are connected in a certain way. A serial connection increases the required total voltage and a parallel connection increases the required total capacity as well as the permissible total currents.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Energiedichte werden einzelne Batteriezellen dicht zueinander in einem Batteriezellenverbund angeordnet. Im Betrieb weist jede einzelne Batteriezelle eine bestimmte Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung wird in Form von Abwärme in den Innenraum des Batteriegehäuses abgegeben. Da die Abwärme an verschiedenen Stellen der Batterie unterschiedlich gut an die Umwelt abgeführt werden kann, entsteht eine inhomogene Temperaturverteilung innerhalb eines geschlossenen Batteriegehäuses.To achieve the highest possible energy density, individual battery cells are arranged close together in a battery cell network. During operation, each individual battery cell has a certain power loss. This power loss is given off in the form of waste heat in the interior of the battery housing. Since the waste heat can be dissipated to the environment at different locations in the battery, there is an inhomogeneous temperature distribution within a closed battery housing.
Nachteilig ist hierbei, dass die Leistung der Batterie, sowie deren Lebenszeit beeinträchtigt werden.The disadvantage here is that the performance of the battery and its lifetime are impaired.
Gefahrlos können die einzelnen Batteriezellen nur bis zu einer bestimmten Temperatur betrieben werden. Weder für den Ladevorgang noch für den Entladevorgang dürfen die einzelnen Batteriezellen somit diese bestimmte Temperatur überschreiten, um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten. Wird die bestimmte Temperatur während des Entladevorgangs von einer Batteriezelle erreicht, so wird der Entladestrom der Batterie gedrosselt. Befindet sich die Batterie im Lademodus, wird der Ladevorgang nur gestartet, wenn die aktuelle Temperatur der Batteriezellen unterhalb der bestimmten Temperatur liegt.The individual battery cells can only be operated safely up to a certain temperature. The individual battery cells must not exceed this specific temperature neither for the charging process nor for the discharging process in order to ensure the safety of the battery. If the certain temperature is reached by a battery cell during the discharge process, the discharge current of the battery is throttled. If the battery is in charging mode, the charging process is only started if the current temperature of the battery cells is below the specified temperature.
Aufgrund der inhomogenen Temperaturverteilung befinden sich nur einzelne Batteriezellen im Bereich der Grenztemperatur des zulässigen Betriebs während andere Batteriezellen moderate Betriebstemperaturen aufweisen. Das Batteriemanagementsystem drosselt jedoch die Leistung der gesamten Batterie, sobald sich eine Batteriezelle im kritischen Bereich der Grenztemperatur befindet.Due to the inhomogeneous temperature distribution, only individual battery cells are in the range of the limit temperature of the permissible operation, while other battery cells have moderate operating temperatures. However, the battery management system throttles the performance of the entire battery as soon as a battery cell is in the critical range of the limit temperature.
Nachteilig ist hierbei, dass eine frühzeitige Drosselung der Batterieleistung erfolgt.The disadvantage here is that the battery power is reduced early.
Auch für die Lebensdauer einer Batteriezelle spielt die Betriebstemperatur eine wichtige Rolle. Die Alterung einer Batteriezelle erfolgt bei hohen Betriebstemperaturen sehr schnell. Aufgrund der inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb des geschlossenen Batteriegehäuses altern die Batteriezellen, die eine geringere Betriebstemperatur aufweisen deutlich langsamer als Batteriezellen, die eine hohe Betriebstemperatur aufweisen. Da die Batteriezellen in solch einem Batteriezellenverbund nicht ausgetauscht werden bzw. austauschbar sind, wird die gesamte Batterie außer Betrieb gesetzt, sobald eine bestimmte Anzahl an Batteriezellen ihr Lebensende erreicht haben. Zu diesem Zeitpunkt könnten jedoch alle anderen bzw. weiteren Batteriezellen noch eine Zeit lang gefahrlos betrieben werden.The operating temperature also plays an important role in the life of a battery cell. A battery cell ages very quickly at high operating temperatures. Due to the inhomogeneous temperature distribution within the closed battery housing, the battery cells that have a lower operating temperature age significantly more slowly than battery cells that have a high operating temperature. Since the battery cells in such a battery cell group are not exchangeable or are exchangeable, the entire battery is put out of operation as soon as a certain number of battery cells have reached the end of their life. At this point, however, all other or further battery cells could still be operated safely for a while.
Um diese Nachteile zu überwinden, sind verschiedene Kühlarten bekannt. In den meisten Fällen wird dabei eine Luftkühlung oder eine Flüssigkeitskühlung verwendet. Zu diesem Zweck wird Luft mit Hilfe eines Gebläses aus der Umgebung angesaugt und über die Batteriezellen geführt. Die angesaugte Luft wird dabei durch die Abwärme der einzelnen Batteriezellen erwärmt und tritt nach Passieren des Batteriezellenverbunds durch eine Austrittsöffnung aus dem Batteriegehäuse wieder aus. Die Wärme wird somit an die Umgebung abgegeben.Various types of cooling are known in order to overcome these disadvantages. In most cases, air cooling or liquid cooling is used. For this purpose, air is drawn in from the surroundings with the aid of a blower and passed over the battery cells. The sucked-in air is heated by the waste heat from the individual battery cells and, after passing through the battery cell assembly, exits the battery housing through an outlet opening. The heat is thus released to the environment.
Das Dokument
Das Dokument
Nachteilig ist in beiden Dokumenten, dass Einlassöffnungen und Auslassöffnungen für die Luft in das Batteriegehäuse eingefügt werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Batteriegehäuse dadurch undicht wird.It is disadvantageous in both documents that inlet openings and outlet openings for the air have to be inserted into the battery housing. Another disadvantage is that the battery case will leak.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.The object of the invention is to overcome these disadvantages.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Ein Batteriesystem umfasst ein Batteriegehäuse mit einem Grundkörper, einem ersten Abdeckelement und einem zweiten Abdeckelement. Das erste Abdeckelement verschließt eine erste offene Stirnfläche des Grundkörpers und das zweite Abdeckelement verschließt eine zweite offene Stirnseite des Grundkörpers. Mit anderen Worten das Batteriegehäuse ist gegenüber der Umgebung luftdicht verschlossen. Das Batteriesystem umfasst einen Batteriezellenhalter, der Batteriezellenaufnahmeräume für eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, wobei der Batteriezellenhalter die Vielzahl von Batteriezellen aufweist und der Batteriezellenhalter innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Das Batteriesystem umfasst ein Batteriemanagementsystem, das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Batteriezellen zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen. Erfindungsgemäß weist der Batteriezellenhalter mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter auf, wobei der erste Lüfter und der zweite Lüfter unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen. Der erste Lüfter und der zweite Lüfter werden in Abhängigkeit einer Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen vom Batteriemanagementsystem angesteuert. Mit anderen Worten die Temperaturumverteilung erfolgt innerhalb des geschlossenen Batteriegehäuses durch eine zirkulierende Luftbewegung der in der Batterie bzw. dem Batteriesystem entstehenden Wärme.A battery system comprises a battery housing with a base body, a first cover element and a second cover element. The first cover element closes a first open end face of the base body and the second cover element closes a second open end face of the base body. In other words, the battery housing is hermetically sealed from the environment. The battery system comprises a battery cell holder which has battery cell receiving spaces for a plurality of battery cells, the battery cell holder having the plurality of battery cells and the battery cell holder being arranged within the battery housing. The battery system comprises a battery management system which is set up to monitor the large number of battery cells and to record temperatures of the individual battery cells. According to the invention, the battery cell holder has at least one first fan receiving space with a first fan and at least one second fan receiving space with a second fan, the first fan and the second fan having different flow directions. The first fan and the second fan are controlled by the battery management system as a function of the temperature of the individual battery cells being exceeded. In other words, the temperature redistribution takes place within the closed battery housing by a circulating air movement of the heat generated in the battery or the battery system.
Der Vorteil ist hierbei, dass die durch den Betrieb der Batteriezellen entstehende Abwärme innerhalb der Batterie homogen umverteilt wird und die homogen verteilte Wärme durch die Gehäuseoberfläche an die Umgebung abgegeben wird, sodass die einzelnen Batteriezellen gleichmäßig altern und eine Drosselung der Batterieleistung erst nach längerer Betriebszeit erfolgt. Das bedeutet eine mittelschnelle Erhitzung aller Batteriezellen statt einer schnellen Erhitzung der Batteriemitte und eine langsame Erhitzung in den Randbereichen. Außerdem führt eine verbesserte Temperaturverteilung bzw. ein schnelles Abkühlen der Batterie dazu, dass die Batterie schnell in einen ladefähigen Zustand tritt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass keine Öffnungen für den Einlass und den Auslass eines Kühlfluids benötigt werden. Außerdem werden weder Verdampfer noch Kondensatoren benötigt, wodurch das Gesamtsystem ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig ist. Das Batteriesystem ist somit auch für kleine Batterieanwendungen wie 48V-Systeme geeignet. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Anordnung bauraumneutral gegenüber einem Batteriegehäuse mit Batteriezellenhalter ohne Lüfter ist, da die Lüfter innerhalb des Batteriezellenhalters angeordnet sind.The advantage here is that the waste heat generated by the operation of the battery cells is homogeneously redistributed within the battery and the homogeneously distributed heat is released to the environment through the surface of the housing, so that the individual battery cells age evenly and the battery power is only throttled after a longer operating time . This means a medium-fast heating of all battery cells instead of a rapid heating of the battery center and a slow heating in the peripheral areas. In addition, an improved temperature distribution or rapid cooling of the battery leads to the battery quickly entering a charge-capable state. Furthermore, it is advantageous that no openings for the inlet and outlet of a cooling fluid are required. In addition, neither evaporators nor condensers are required, which means that the overall system is light and inexpensive. The battery system is therefore also suitable for small battery applications such as 48V systems. Furthermore, it is advantageous that the arrangement is space-neutral compared to a battery housing with a battery cell holder without a fan, since the fans are arranged within the battery cell holder.
In einer Weiterbildung ist der erste Lüfter in der Nähe des ersten Abdeckelements und der zweite Lüfter in der Nähe des zweiten Abdeckelements angeordnet.In one development, the first fan is arranged in the vicinity of the first cover element and the second fan is arranged in the vicinity of the second cover element.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Luftzirkulation innerhalb des Batteriegehäuses vom Frontdeckelbereich, der eine hohe Temperatur aufweist, zum hinteren Bereich des Batteriegehäuses, der kühlere Temperaturen aufweist, erfolgt und dadurch die Warmluft innerhalb des Batteriegehäuses von vorne nach hinten umverteilt wird. Das bedeutet die Warmluft kann innerhalb des Batteriegehäuses gut zirkulieren.It is advantageous here that the air circulation within the battery housing takes place from the front cover area, which has a high temperature, to the rear area of the battery housing, which has cooler temperatures, and as a result, the hot air is redistributed from front to back inside the battery housing. This means that the warm air can circulate well within the battery housing.
In einer Weiterbildung ist der erste Lüfter und der zweite Lüfter jeweils ein Axiallüfter.In one development, the first fan and the second fan are each an axial fan.
Vorteilhaft ist hierbei, dass sich die Lüfter passgenau in die Aufnahmeräume des Batteriezellenhalters einfügen.It is advantageous here that the fans fit snugly into the receiving spaces of the battery cell holder.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Batteriezellenaufnahmeräume und der mindestens eine erste Lüfteraufnahmeraum und der mindestens eine zweite Lüfteraufnahmeraum gleiche Abmessungen auf.In a further embodiment, the battery cell receiving spaces and the at least one first fan receiving space and the at least one second fan receiving space have the same dimensions.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Batteriezellenhalter für die Lüfter nicht verändert werden muss.The advantage here is that the battery cell holder for the fans does not have to be changed.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das zweite Abdeckelement mindestens einen weiteren Lüfter auf. Mit anderen Worten, der mindestens eine weitere Lüfter ist auf dem zweiten Abdeckelement innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet.In a further embodiment, the second cover element has at least one further fan. In other words, the at least one further fan is arranged on the second cover element within the battery housing.
Der Vorteil ist hierbei, dass der mindestens eine weitere Lüfter bauraumtechnisch nur durch die Größe des zweiten Abdeckelement limitiert ist. Es können daher große Volumenströme erzeugt werden.The advantage here is that the at least one additional fan is limited only by the size of the second cover element. Large volume flows can therefore be generated.
In einer Weiterbildung ist der Grundkörper ein Strangusselement.In one development, the base body is a continuous cast element.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das Batteriegehäuse auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt wird.It is advantageous here that the battery housing is manufactured in a simple and inexpensive manner.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Batteriegehäuse Metall, insbesondere Aluminium.In a further embodiment, the battery housing comprises metal, in particular aluminum.
Der Vorteil ist hierbei, dass die homogen verteilte Wärme innerhalb des Batteriegehäuses durch die wärmeleitfähige Oberfläche des Grundkörpers schnell nach außen, d. h. außerhalb des Batteriegehäuses, abgeführt werden kann.The advantage here is that the homogeneously distributed heat within the battery housing quickly through the thermally conductive surface of the base body to the outside, ie. H. outside the battery housing, can be dissipated.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem ein Batteriegehäuse, einen Batteriezellenhalter mit Batteriezellenaufnahmeräumen für eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem aufweist, das dazu eingerichtet ist die Vielzahl von Batteriezellen zu überwachen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen, und der Batteriezellenhalter mindestens einen ersten Lüfteraufnahmeraum mit einem ersten Lüfter und mindestens einen zweiten Lüfteraufnahmeraum mit einem zweiten Lüfter aufweist, umfasst, dass der erste Lüfter und der zweite Lüfter in Abhängigkeit einer Schwellenwertüberschreitung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen vom Batteriemanagementsystem angesteuert werden.The inventive method for homogeneous temperature distribution within a Battery system, the battery system having a battery housing, a battery cell holder with battery cell receiving spaces for a plurality of battery cells and a battery management system which is set up to monitor the plurality of battery cells and to record temperatures of the individual battery cells, and the battery cell holder has at least one first fan receiving space with a first one Has fan and at least one second fan receiving space with a second fan, that the first fan and the second fan are controlled by the battery management system as a function of a threshold value violation of the temperature of the individual battery cells.
Die erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriesystems erfolgt in einem Elektrofahrzeug, insbesondere einem elektrisch betriebenen Zweirad.The use of the battery system according to the invention takes place in an electric vehicle, in particular an electrically operated two-wheeler.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch betriebenes Zweirad, weist das erfindungsgemäße Batteriesystem auf.The vehicle according to the invention, in particular an electrically operated two-wheeler, has the battery system according to the invention.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments or the dependent patent claims.
FigurenlisteFigure list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf eine Temperaturverteilung eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die seriell und parallel zueinander verschaltet sind, -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit mindestens zwei Lüftern, -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit sechs Lüftern, und -
4 ein Verfahren zur homogenen Temperaturverteilung innerhalb eines Batteriesystems mit mindestens zwei Lüftern.
-
1 1 shows a plan view of a temperature distribution of a battery system with a large number of battery cells which are connected in series and in parallel with one another, -
2 a first embodiment of a battery system with at least two fans, -
3 a second embodiment of a battery system with six fans, and -
4 a method for homogeneous temperature distribution within a battery system with at least two fans.
Beispielhaft sind in
Anhand von Pfeilen ist die Zirkulation in
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Batteriezellenaufnahmeräume, die ersten Lüfteraufnahmeräume und die zweiten Lüfteraufnahmeräume gleiche Dimensionen auf. Das bedeutet, dass anstelle von Batteriezellen an einigen Stellen des Batteriezellenhalters Lüfter angeordnet sind. Durch diesen Aufbau sind die Volumenströme der Warmluft gering und die Dimension der Lüfter vergleichbar mit der Größe einer Batteriezelle
Zur Verminderung dieses Effekts werden in einem weiteren Ausführungsbeispiel jeweils ein erster Lüfter
Der Grundkörper
Die Erfindung kann auch auf Modulebene verwendet werden, wobei die Batteriezellen durch Batteriemodule zu ersetzen sind. Dabei wird der Lüfter innerhalb der einzelnen Batteriemodule, die jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen, angeordnet.The invention can also be used at the module level, with the battery cells being replaced by battery modules. The fan is arranged within the individual battery modules, each of which has its own housing.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst den Einbau eines Lüfters auf Batteriepackebene, der die Temperatur der einzelnen Batteriemodule homogenisiert. In diesem Fall muss der Batteriezellenhalter durch ein Aufnahmeelement für Batteriemodule ersetzt werden bzw. derart ausgestaltet sein, dass er Batteriemodule aufnehmen kann. Another embodiment includes the installation of a fan at the battery pack level, which homogenizes the temperature of the individual battery modules. In this case, the battery cell holder must be replaced by a receiving element for battery modules or be configured in such a way that it can accommodate battery modules.
Das Batteriesystem findet beispielsweise Anwendung in einem elektrisch betriebenen Zweirad. Des Weiteren kann das Batteriesystem auch in stationären Vorrichtungen Anwendung finden, z. B. in Hauspufferspeichern.The battery system is used, for example, in an electrically operated two-wheeler. Furthermore, the battery system can also be used in stationary devices, e.g. B. in house buffers.
Weist das Batteriesystem mehr als zwei Lüfter auf, wird in einem Schritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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