DE102018222107A1

DE102018222107A1 - Energiespeicheranordnung

Info

Publication number: DE102018222107A1
Application number: DE102018222107.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Ganz; Jessica Kansy
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung (1) mit mehreren in einem Gehäuse (2) angeordneten Energiespeicherzellen (3) und mit einer Temperiereinrichtung (4) zum Kühlen/Erwärmen der Energiespeicherzellen (3),- wobei die Temperiereinrichtung (4) eine Sprüheinrichtung (5) und/oder eine Spritzeinrichtung (6) aufweist, mit welchen die Energiespeicherzellen (3), insbesondere an ihren Zellmänteln (7), und/oder an einem Ableiter (8) mit einem Temperierfluid (9) besprühbar und/oder bespritzbar sind,- wobei unterhalb der Energiespeicherzellen (3) zumindest zwei Auffangtrichter (10) zum Auffangen von Temperierfluid (9) angeordnet sind, die in ein gemeinsames Sammelrohr (11) münden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen und einer Temperiereinrichtung zum Kühlen/Erwärmen des Energiespeichers. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Energiespeichereinrichtung.
Durch die zunehmende Wichtigkeit der Elektromobilität werden auch ständig steigende Anforderungen an die Reichweite und an die Leistung von elektrischen Energiespeichern gestellt. Um die Leistung erhöhen zu können, werden deshalb bereits heute die elektrischen Energiespeicher temperiert, das heißt gekühlt oder erwärmt und damit in einem für die Leistungsaufnahme oder -abgabe optimalen Temperaturfenster gehalten.
Besonders Lithium-Ionen-Batterien müssen dabei zwingend gekühlt bzw. beheizt werden, um die durch Temperaturinhomogenitäten bedingte, schnelle Alterung vorbeugen zu können. Darüber hinaus werden für Elektrofahrzeuge teilweise auch hohe Reichweiten sowie Schnellladefähigkeiten gefordert, was bisher nur unzureichend mit klassischen Wärmeübertragungskonzepten möglich ist. Zudem erfordern derartige Wärmeübertrager jedoch vergleichsweise viel Bauraum und sind aufgrund des thermischen Pfades ineffizient.
Aus diesem Grund sind bereits Temperierkonzepte bekannt, die beispielsweise eine Sprüh-/Spritzeinrichtung aufweisen, mit welcher Energiespeicherzellen mit einem Temperierfluid besprühbar und/oder bespritzbar und damit temperierbar sind.
Von besonderer Bedeutung bei einer Temperierung ist zudem, dass diese unabhängig vom jeweiligen Fahrzustand eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeugs, beispielsweise auch bei einer Bergfahrt mit einer Neigung von bis zu 30°, stets einwandfrei funktionieren muss, um ein Trockenlaufen einer Temperierfluidpumpe zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Energiespeicheranordnung eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine verbesserte Temperierung auch bei einer Kurvenfahrt oder schräg stehendem Kraftfahrzeug ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Energiespeicheranordnung mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen unterhalb derselben eine spezielle Auffangvorrichtung zum Auffangen von Temperierfluid vorzusehen, die ein Trockenlaufen einer Temperierfluidpumpe unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand und insbesondere auch einer Kurvenfahrt zuverlässig unterbindet und damit einer kontinuierliche Temperierung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung weist dabei mehrere in einem Gehäuse angeordnete Energiespeicherzellen sowie eine Temperiereinrichtung zum Temperieren, das heißt zum Kühlen bzw. Erwärmen der Energiespeicherzellen auf. Die Temperiereinrichtung besitzt eine Sprüheinrichtung und/oder eine Spritzeinrichtung, mit welchen die Energiespeicherzellen, insbesondere an ihren Zellenmänteln und/oder an einem Ableiter mit einem Temperierfluid besprühbar oder bespritzbar sind. Unterhalb dieser Energiespeicherzellen sind nun in dem Gehäuse zumindest zwei Auffangtrichter zum Auffangen des Temperierfluids angeordnet, die beide in ein gemeinsames Sammelrohr münden und gewährleisten, dass eine an das Sammelrohr angeschlossene Temperierfluidpumpe in keinem Betriebszustand, das heißt auch nicht bei einem schräg stehenden Kraftfahrzeug oder bei einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs trocken läuft und dadurch ein Temperierfluidstrom unterbrochen wird. Durch die zumindest zwei Auffangtrichter kann eine kontinuierliche Versorgung der Temperierfluidpumpe mit Temperierfluid gewährleistet werden, bei gleichzeitiger geringer Gesamttemperierfluidmenge.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Auffangtrichter Seitenwände mit einem Neigungswinkel zu einer Horizontalen von α > 30° auf. Eine derartige Neigung der Seitenwände gewährleistet zum Einen einen sicheren Abfluss des Temperierfluids auch bei einer Neigung des Kraftfahrzeugs um maximal 30°, beispielsweise um die Querachse und/oder eine Längsachse, wobei das gemeinsame Einmünden der zumindest zwei Auffangtrichter in das gemeinsame Sammelrohr auch einen Ausgleich zwischen unterschiedlichen Füllständen in unterschiedlichen Auffangtrichtern bewirkt. Durch das gemeinsame Sammelrohr kann insbesondere auch die gesamte erforderliche Menge an Temperierfluid gering gehalten werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest ein Auffangtrichter in der Draufsicht eine rechteckige oder halbelliptische Form auf. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, dass eine Ausführung der Auffangtrichter an spezielle Formen des Gehäuses bzw. an spezielle Anforderungen anpassbar ist. Wichtig hierbei ist lediglich, dass ein zuverlässiges Auffangen von abtropfendem Temperierfluid und ein zuverlässiges Ableiten des aufgefangenen Temperierfluids in das Sammelrohr und eine Rückführung von diesem zur Temperiereinrichtung möglich sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest ein Auffangtrichter zwei Abläufe auf. Hierdurch kann ein Einleiten des von diesem Auffangtrichter aufgefangenen Temperierfluids an zwei unterschiedlichen Stellen in das Sammelrohr ermöglicht werden, wodurch die Gefahr eines Trockenlaufens einer Temperierfluidpumpe zusätzlich reduziert werden kann.
Zweckmäßig weist zumindest ein Auffangtrichter ein Ventil, insbesondere ein Schwimmerventil, auf. Über ein derartiges Ventil kann ein unbeabsichtigtes, vorzeitiges und vollständiges Entleeren eines Auffangtrichters vermieden werden, wodurch insbesondere ein Ansaugen von Luft aus einem vollständig entleerten Auffangtrichter vermieden werden kann. Derartige Ventile benötigen nur einen sehr geringen Bauraum in Höhenrichtung und sind darüber hinaus kostengünstig und konstruktiv einfach herzustellen. Durch das Verhindern des Luftansaugens durch das Ventil kann insbesondere ein Trockenlaufen einer Temperierfluidpumpe zuverlässig vermieden werden. Ist ein derartiges Ventil als Schwimmerventil ausgebildet, so erfolgt eine Regelung eines Flüssigkeitstandes an Temperierfluid in dem jeweiligen Auffangtrichter ausschließlich über das Schwimmerventil, so dass auf einen Lagesensor verzichtet werden kann, was ebenfalls dazu beiträgt, Kosten einzusparen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine Energiespeicherzelle als Rundzelle, d.h. als Zylinderzelle, als prismatische Zelle oder als sogenannte Pouchzelle, ausgebildet. Durch eine Ausbildung der einzelnen Energiespeicherzellen als zylindrische Säulen, kann eine vergleichsweise systematische Anordnung der einzelnen Energiespeicherzellen im Gehäuse erreicht werden. Durch eine Ausbildung zumindest einer Energiespeicherzelle als sogenannte Pouchzelle bzw. Pouchbag, lässt sich darüber hinaus bislang nicht zugänglicher Bauraum nutzen. Generell ist dabei die äußere Form der einzelnen Energiespeicherzellen nahezu frei wählbar, wobei lediglich darauf geachtet werden sollte, dass durch eine Fluidaustrittsöffnung, insbesondere eine Düse, der Spritzeinrichtung bzw. der Sprüheinrichtung der Zellmantel, der Ableiter oder die Busbar möglichst großflächig mit Temperierfluid beaufschlagbar ist. Dies kann durch ein Anspritzen bzw. Ansprühen erfolgen und im weiteren Verlauf indem der aufgespritzte bzw. aufgesprühte Temperierfluidfilm anschließend schwerkraftbedingt nach unten am Zellmantel entlang läuft. Insbesondere bei Pouchzellen, die instabil sind und verspannt werden müssen, ist eine Kühlung der Ableiter vorteilhaft, da die Wärmeleitung in Richtung der Ableiter min. 25mal so gut als quer dazu. Hierdurch kann eine homogene Temperierung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem Gedanken, die zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug, einzusetzen und dadurch nicht nur dessen Leistungsfähigkeit, sondern auch dessen Reichweite deutlich zu steigern. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung die Lebensdauer der einzelnen Energiespeicherzellen aufgrund der verbesserten Temperierung erhöht werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit zusätzlich in den Auffangtrichtern angeordneten Ventilen,
3a eine Draufsicht auf einen rechteckigen Auffangtrichter,
3b eine Draufsicht auf einen halbelliptischen Auffangtrichter.

Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung 1 mehrere in einem Gehäuse 2 angeordnete Energiespeicherzellen 3 sowie eine Temperiereinrichtung 4 zum Kühlen/Erwärmen der Energiespeicherzellen 3 auf. Die Temperiereinrichtung 4 besitzt eine Sprüheinrichtung 5 und/oder eine Spritzeinrichtung 6, mit welchen die Energiespeicherzellen 3, insbesondere an ihren Zellmänteln 7 und/oder an einem Ableiter 8 und/oder eine Busbar mit einem Temperierfluid 9 besprühbar und/oder bespritzbar sind. Erfindungsgemäß sind unterhalb der Energiespeicherzellen 3 zumindest zwei, gemäß den 1 und 2 jeweils drei, Auffangtrichter 10 zum Auffangen von Temperierfluid 9 angeordnet, die beide bzw. gemäß den 1 und 2 alle drei, in ein gemeinsames Sammelrohr 11 münden. Gemäß den 1 und 2 sind dabei an der Temperiereinrichtung 4 bzw. an der Sprüheinrichtung 5 und der Spritzeinrichtung 6 lediglich wenige Fluidaustrittsöffnungen in der Art von Düsen 12 gezeichnet, um die Übersichtlichkeit nicht zu beeinträchtigen.
Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Auffangtrichtern 10, die sämtliche in das gemeinsame Sammelrohr 11 münden, kann eine an das Sammelrohr 11 angeschlossene und nicht gezeigte Temperierfluidpumpe vor einem unerwünschten Trockenlaufen bewahrt werden, wodurch eine kontinuierliche Förderung von Temperierfluid 9 vom Sammelrohr 11 über die Temperierfluidpumpe zur Temperiereinrichtung 4 bzw. dazwischen über einen Wärmeübertrager gewährleistet werden kann. Hierdurch kann auch die gesamte erforderliche Menge an Temperierfluid 9 gering gehalten werden. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, dass durch die Auffangtrichter 10 ein kontinuierlicher Temperierfluidkreislauf auch bei einer Schrägstellung eines die Energiespeicheranordnung 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs 14 oder bei einer Kurvenfahrt desselben gewährleistet werden kann.
Betrachtet man die Auffangtrichter 10 gemäß den 1 und 2 weiter, so kann man erkennen, dass deren Seitenwände 13 bzw. generell die Wände des Auffangtrichters 10 einen Neigungswinkel von α > 30° aufweisen. Hierdurch kann auch eine Neigung des Kraftfahrzeugs 14, beispielsweise um eine Querachse und/oder eine Längsachse, ausgeglichen werden. Durch das Einmünden sämtlicher Auffangtrichter 10 in das gemeinsame Sammelrohr 11 sind die in den jeweiligen Auffangtrichtern 10 vorhandenen Temperierfluidvolumina miteinander verbunden und in der Lage, unterschiedliche Füllstände auszugleichen.
Durch eine unterschiedliche Neigung der Seitenwände 10 kann auf eine Höhe h unterhalb der Ableiter 8 Einfluss genommen werden, wodurch die Energiespeicheranordnung 1 an unterschiedliche Bauräume anpassbar ist. Die einzelnen Auffangtrichter 10 sind dabei gemäß den 1 und 2 an ihren jeweiligen Rändem miteinander verbunden, so dass sämtliches Temperierfluid 9 aufgefangen wird.
Zumindest ein Ablauf 15 eines Auffangtrichters 10 kann im Querschnitt mehreckig, insbesondere rechteckig, rund oder elliptisch sein. Durch die unterschiedlichen Geometrien ergeben sich unterschiedliche Flächen und somit Druckverluste, welche zur Anpassung des Volumenstroms führen können. Hierdurch kann insbesondere auf individuelle Bauräume Einfluss genommen werden. Darüber hinaus vorgesehen sein kann, dass zumindest ein Auffangtrichter 10 zumindest zwei Abläufe 15 (nicht gezeigt) aufweist und somit Temperierfluid 9 an unterschiedlichen Stellen in das Sammelrohr 11 einleitet.
Betrachtet man die 2 näher, so kann man erkennen, dass die dort gezeigte Energiespeicheranordnung 1 in jedem Auffangtrichter 10 ein Ventil 16, insbesondere ein Schwimmerventil, aufweist, wodurch ein gänzliches Leerlaufen einer der Auffangtrichter 10 und damit ein Ansaugen von Luft durch die Temperierfluidpumpe vermieden werden kann. Sofern das Ventil 16 als Schwimmerventil ausgebildet ist, kann eine Regelung eines Pegelstandes in dem jeweiligen Auffangtrichter 10 ohne zusätzlichen Lagesensor und damit konstruktiv einfach und kostengünstig erfolgen. Das Temperierfluid 9 ist dabei vorzugsweise dielektrisch, das heißt elektrisch nicht leitend, wodurch es nicht in der Lage ist, Kurzschlüsse zu erzeugen.
Ein mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 1 ausgestattetes Kraftfahrzeug 14, welches beispielsweise als Hybrid- oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein kann, ermöglicht so eine zuverlässige Temperierung der Energiespeicherzellen 3, wodurch diese in einem für die Leistungsabgabe optimalen Temperaturfenster gehalten werden können. Hierdurch lässt sich nicht nur die Reichweite eines solchen Kraftfahrzeugs 14 erhöhen, sondern auch die Lebensdauer der Energiespeicherzellen 3.
Die einzelnen Energiespeicherzellen 3 können dabei beispielsweise als zylindrische Rundzellen, als prismatische Zellen oder aber auch als sogenannte Pouchzellen ausgebildet sein. Die zylindrischen Rundzellen stehen dabei säulenartig in dem Gehäuse 2, während die als Pouchzellen ausgeführten Energiespeicherzellen 3 auch andere Lagen einnehmen und insbesondere sich einem nahezu beliebigen Bauraum anpassen können. Wichtig ist hierbei lediglich, dass das von der Temperiereinrichtung 4 auf insbesondere die Ableiter 8 der einzelnen Energiespeicherzellen 3 gesprühte bzw. gespritzte Temperierfluid 9 an diesem unter Bildung eines Temperierfluidfilms nach unten ablaufen und diese dadurch Kühlen/Erwärmen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bilden/bildet das Sammelrohr 11 und zumindest ein Auffangtrichter 10 einen integralen Bestandteil eines Gehäusebodens bzw. des Gehäuses 2. Auch ist denkbar, dass die Auffangtrichter 10 und das Sammelrohr 11 als einstückiges Bauteil, insbesondere Kunststoffspritzgussteil, ausgebildet sind. Hierdurch ließen sich ein Montageaufwand und damit verbunden die Herstellungskosten senken.

Claims

Energiespeicheranordnung (1) mit mehreren in einem Gehäuse (2) angeordneten Energiespeicherzellen (3) und mit einer Temperiereinrichtung (4) zum Kühlen/Erwärmen der Energiespeicherzellen (3), - wobei die Temperiereinrichtung (4) eine Sprüheinrichtung (5) und/oder eine Spritzeinrichtung (6) aufweist, mit welchen die Energiespeicherzellen (3), insbesondere an ihren Zellmänteln (7), und/oder an einem Ableiter (8) mit einem Temperierfluid (9) besprühbar und/oder bespritzbar sind, - wobei unterhalb der Energiespeicherzellen (3) zumindest zwei Auffangtrichter (10) zum Auffangen von Temperierfluid (9) angeordnet sind, die in ein gemeinsames Sammelrohr (11) münden.
Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangtrichter (10) Seitenwände (13) mit einem Neigungswinkel von α > 30° aufweisen.
Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auffangtrichter (10) in der Draufsicht eine rechteckige oder halbelliptische Form aufweist.
Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Energiespeicherzelle (3) als zylindrische Rundzelle, als prismatische Zelle oder als Pouchzelle ausgebildet ist.
Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablauf (15) zumindest eines Auffangtrichters (10) im Querschnitt mehreckig, rund oder elliptisch ist.
Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auffangtrichter (10) zumindest zwei Abläufe (15) aufweist.
Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auffangtrichter (10) ein Ventil (16), insbesondere ein Schwimmerventil, aufweist.
Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (11) und/oder zumindest ein Auffangtrichter (10) einen integralen Bestandteil eines Gehäusebodens bilden/bildet.
Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierfluid (9) elektrisch nicht leitend ist.
Kraftfahrzeug (14), insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer Energiespeicheranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.