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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung mit zumindest zwei Energiespeicher und einer Temperiereinrichtung zum Kühlen/Erwärmen des Energiespeichers. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Energiespeichereinrichtung.
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Durch eine zunehmende Elektromobilität werden auch ständig steigende Anforderungen an die Reichweite und damit an die Leistung von elektrischen Energiespeichern gestellt. Um die Leistung erhöhen zu können, werden deshalb bereits zum heutigen Tage elektrische Energiespeicher temperiert, das heißt gekühlt oder erwärmt und damit in einem für die Leistungsabgabe optimalen Temperaturfenster gehalten. Zur Kühlung der Energiespeicher wurde dabei bislang ungeachtet eines jeweiligen Zelltyps meist ein separater Wärmeübertrager in Form einer oder mehrerer mit Fluid durchströmbarer Platten eingesetzt. Je nach Anforderungen und notwendiger Kühlleistung kann dies mit zusätzlichen Bauteilen aus einem wärmeleitfähigen Material kombiniert werden, um die wärmeübertragende Oberfläche und damit wiederum auch die Kühlleistung zu erhöhen. Eine Temperierung, insbesondere eine Kühlung, ist insbesondere bei Li-Ionen Batterien erforderlich, um die einzelnen Zellen vor zu schneller Alterung zu schützen. Dies führt zu sehr großen Batteriegehäusen/-modulen.
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Die aktuellen Wärmeübertrager sind vorzugsweise unter dem Batteriegehäuse oder unter den Batteriemodulen sowie zwischen den Zellen montiert. Diese Wärmeübertrager benötigen viel Bauraum und sind aufgrund des thermischen Pfads ineffizient. Besonders die bei hohen Lade- und Entladeraten auftretende große Abwärme muss jedoch zuverlässig abgeführt und zugleich müssen die Batterien kleiner gebaut werden, um weniger vertikalen Bauraum zu benötigen damit mehr Bodenfreiheit zu bieten.
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Hierzu bietet sich eine Sprüh-/Strahltemperierung von Energiespeicherzellen an. Eine Funktionskomponente neben der Benetzung der Energiespeicher ist die Zuführung des verwendeten Temperierfluids. Diese Zuführung sollte einen konstanten Düsenvordruckbereich für die verwendeten Düsen gewährleisten, sodass eine optimale Kühlung der Energiespeicherzellen erreicht werden kann. Zudem sollten die Fluidmenge gering und der verwendete Bauraum kleinstmöglich gehalten werden. Die einwandfreie Zuführung sollte auch bei Neigung des Pkws und unterschiedlicher Fahrdynamik funktionieren.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Energiespeicheranordnung anzugeben, die insbesondere eine verbesserte Temperierung und einen möglichst geringen Bauraumbedarf ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Sprüh-/Strahltemperierung bei Energiespeicherzellen einer Energiespeicheranordnung vorzusehen und diese so auszugestalten, dass an sämtlichen Fluidaustrittsöffnungen, beispielsweise Düsen, über welche Temperierfluid zur Temperierung der Energiespeicherzellen ausgestoßen wird, gleich viel Temperierfluid bzw. Temperierfluid unter gleichem Druck, ausgestoßen wird. Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung besitzt dabei eine Temperiereinrichtung, welche zum Kühlen und zum Erwärmen von zumindest zwei Energiespeicherzellen, die in einem Gehäuse der Energiespeicheranordnung angeordnet sind, ausgebildet ist. Die Temperiereinrichtung besitzt dabei eine Sprüheinrichtung und/oder eine Spritzeinrichtung, über welche die zumindest zwei Energiespeicherzellen an ihrem Zellmantel, einem Ableiter und/oder an einer Sammelschiene (Busbar) mit einem Temperierfluid beaufschlagbar sind. Die Sprüheinrichtung und/oder die Spritzeinrichtung besitzt darüber hinaus ein Verteilerrohr in der Art eines Commonrails, welches von dem Temperierfluid in Durchströmungsrichtung durchströmbar ist. An diesem Verteilerrohr sind dabei in Durchströmungsrichtung hintereinander zumindest zwei Fluidaustrittsöffnungen, beispielsweise Düsen, angeordnet. Erfindungsgemäß variiert nun ein Querschnitt des Verteilerrohrs und/oder ein jeweiliger Querschnitt der einzelnen Fluidaustrittsöffnungen derart, dass im Betrieb der Energiespeicheranordnung an jeder Fluidaustrittsöffnung im Wesentlichen dieselbe Menge an Temperierfluid austritt und dadurch eine homogene Kühlung der Energiespeicheranordnung ermöglicht wird. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu Verteilerrohren mit gleichem Querschnitt bzw. Fluidaustrittöffnungen mit gleichem Querschnitt dar, bei welchen die in Strömungsrichtung zuletzt angeordnete Fluidaustrittsöffnung nur noch eine geringere Menge an Temperierfluid erhalten würde (Frage an die Erfinder: Stimmt dies so wirklich????) Über die Fluidaustrittsöffnung in dem Verteilerrohr, welche beispielsweise als Düse ausgebildet sein kann, ist es möglich, einen gerichteten Spritzstrahl oder einen gerichteten Sprühstrahl an Temperierfluid an beispielsweise einem Zellmantel der Energiespeicherzellen zu übertragen und diese dadurch zu kühlen bzw. zu temperieren. Das Verteilerrohr ist dabei üblicherweise oberhalb der Energiespeicherzellen angeordnet, wodurch ein Bespritzen bzw. Besprühen der einzelnen Energiespeicherzellen bzw. von Ableitern oder Sammelschienen derselben von seitlich oben erfolgt. Durch ein schwerkraftbedingtes Herabfließen beispielsweise dem Zellmantel der einzelnen Energiespeicherzellen aufgespritzten Temperierfluids können diese über ihre gesamte Höhe vergleichsweise konstant temperiert werden, wodurch sich auch innerhalb der Energiespeicherzelle eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung ergibt. Hierdurch lassen sich insbesondere Temperaturspitzen ausschließen. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung die Lebensdauer der einzelnen Energiespeicher aufgrund der verbesserten Temperierung erhöht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung verjüngt sich ein Querschnitt des Verteilerrohrs in Durchströmungsrichtung, wodurch auch die zuletzt in Durchströmungsrichtung angeordnete Fluidaustrittsöffnung mit demselben Druck an Temperierfluid beaufschlagt werden kann. Hierdurch ist insbesondere eine Druckverlustanpassung bzw. ein Druckverlustausgleich über die Querschnittsänderung des Verteilerrohrs möglich. Eine derartige Verjüngung kann beispielsweise konisch oder stufenartig durch zumindest eine Stufe erfolgen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass an sämtlichen Energiespeicherzellen eine optimale Temperierung bzw. Kühlung erzielt werden kann. Der große Vorteil dieser Lösung ist darüber hinaus, dass sämtliche Fluidaustrittsöffnungen bzw. Düsen gleich groß sein können, wodurch Gleichteile verwendet werden können und eine Kostenreduzierung erreicht werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann zusätzlich oder alternativ auch vorsehen sein, dass sich ein Querschnitt der Fluidaustrittsöffnung in Durchströmungsrichtung des Verteilerrohres vergrößert. Auch hierdurch kann ein sich über die Durchströmungsrichtung einstellender Druckverlustausgleich hergestellt werden, wobei bei dieser Ausführungsform zusätzlich der große Vorteil besteht, dass ein vergleichsweise kostengünstiges, da beispielsweise in Durchströmungsrichtung im Querschnitt gleich großes Verteilerrohr verwendet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vor zumindest einer Fluidaustrittsöffnung eine den Querschnitt derselben beeinflussende Drossel oder Blende vorgesehen. Bei einem zuvor beschriebenen in Durchströmungsrichtung gleich großen Verteilerrohr können die in Durchströmungsrichtung zuerst gelegenen Düsen beispielsweise durch eine Drossel oder Blende hinsichtlich ihres Durchströmungsquerschnitts reduziert und dadurch ein gleichmäßiger Fluidaustrag und eine gleichmäßige Temperierung der einzelnen Energiespeicherzellen über die Länge des Verteilerrohres gewährleistet werden. Derartige Blenden bzw. Drosseln sind dabei kostengünstig herzustellen oder können bereits durch einen entsprechenden Bohr- bzw. Lochvorgang beim Herstellen der Fluidaustrittsöffnung im Verteilerrohr herstellbar.
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Zweckmäßig ist ein Querschnitt des Verteilerrohrs rechteckig, dreieckig, elliptisch oder rund. Auch mehreckige Verteilerrohre können selbstverständlich vorgesehen sein. Diese nicht abschließende Aufzählung lässt großen Raum für eine nahezu frei wählbare Querschnittsform des Verteilerrohres, wodurch dieses bauraumoptimiert und strömungsoptimiert ausgebildet und in einem Gehäuse der Energiespeicheranordnung angeordnet werden kann. Hierdurch kann insbesondere auch eine Bauraumoptimierung in Z-Richtung erreicht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Temperaturfluid elektrisch nicht leitend, das heißt dielektrisch. Hierdurch können insbesondere Kurzschlüsse innerhalb der Energiespeicheranordnung, bedingt durch das Temperierfluid, zuverlässig vermieden werden.
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Die Sprüheinrichtung und/oder die Spritzeinrichtung weist zumindest eine Fluidaustrittsöffnung, insbesondere eine Düse, auf. Über eine derartige Düse lässt sich ein vorausgerichtetes Ansprühen bzw. Anspritzen der jeweiligen Energiespeicherzelle einstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine Energiespeicherzelle als Rundzelle, d.h. als Zylinderzelle, oder als sogenannte Pouch-Zelle 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 Pouch-Zelle bzw. Pouch-Bag, 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 eine Sammelschiene möglichst großflächig mit Temperierfluid beaufschlagbar ist. Dies kann entweder direkt durch ein Anspritzen bzw. Ansprühen erfolgen, oder im weiteren Verlauf auch indirekt, sofern das aufgespritzte bzw. aufgesprühte Temperierfluid anschließend schwerkraftbedingt nach unten, beispielsweise am Zellmantel, entlang läuft.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest drei oder vier Energiespeicherzellen vorgesehen, wobei die zumindest eine Fluidaustrittsöffnung, insbesondere eine Düse, derart angeordnet ist, dass sie alle drei bzw. alle vier Energiespeicherzellen mit Temperierfluid bespritzen oder besprühen kann. Insbesondere durch ein Ausrichten der einzelnen Energiespeicherzellen in einem sogenannten Läuferverband kann eine besonders platzsparende Anordnung der einzelnen Energiespeicherzellen und damit ein geringerer Bauraumbedarf erreicht werden. Die einzelnen Fluidaustrittsöffnungen, insbesondere die Düsen, der Temperiereinrichtung sind dabei so gewählt, dass mit einer Fluidaustrittsöffnung, insbesondere einer Düse, möglichst viele Energiespeicherzellen mit Temperierfluid beaufschlagbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Heiz-/Kühlvorrichtung zum Beheizen und/oder Kühlen des Temperierfluids vorgesehen. Die Heiz-/Kühlvorrichtung kann dabei eine bereits in einem Kraftfahrzeug vorhandene Heiz-/Kühlvorrichtung sein oder aber eine speziell zur Batterietemperierung vorgesehene. Mittels der Heiz-/Kühlvorrichtung lässt sich das Temperierfluid temperieren, d.h. beheizen oder kühlen, wodurch im Folgenden auch die einzelnen Energiespeicherzellen entsprechend temperiert, d.h. beheizt oder gekühlt werden können.
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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.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung mit einem sich in Durchströmungsrichtung konisch verjüngenden Verteilerrohr,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch in einem querschnittskonstanten Verteilerrohr und sich in Durchströmungsrichtung vergrößernden Fluidaustrittsöffnungen,
- 3 eine Schnittdarstellung in einer horizontalen Schnittebene durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch in einer höheren horizontalen Schnittebene durch einzelne sich stufenartig in Durchströmungsrichtung verjüngende Verteilerrohre.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung 1, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug 2, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, zumindest zwei Energiespeicherzellen 3 und eine Temperiereinrichtung 4 zum Kühlen bzw. Erwärmen der Energiespeicherzellen 3 auf. Die Temperiereinrichtung 4 besitzt eine Sprüheinrichtung 5 und/oder eine Spritzeinrichtung 6, über welche die zumindest zwei Energiespeicherzellen 3, hier die gemäß den 1 und 2 deutlich mehr Energiespeicherzellen 3, an ihrem Zellmantel 7, einem Ableiter 8 und/oder einer Sammelschiene 9 mit einem Temperierfluid 10 beaufschlagbar sind. Die Energiespeicherzellen 3 und die Temperiereinrichtung 4 sind dabei vorzugsweise in einem Gehäuse 11 der Energiespeicheranordnung 1 untergebracht. Die Sprüheinrichtung 5 und/oder die Spritzeinrichtung 6 besitzen dabei ein Verteilerrohr 12, welches von dem Temperierfluid 10 in Durchströmungsrichtung 13 durchströmbar ist, wobei an dem Verteilerrohr 12 in Durchströmungsrichtung 13 nacheinander zumindest zwei Fluidaustrittsöffnungen 14, insbesondere Düsen 15, angeordnet sind. Erfindungsgemäß variiert nun ein Querschnitt des Verteilerrohres 12 (vgl. die 1 und 4) und/oder ein Querschnitt der Fluidaustrittsöffnungen 14 (vgl. die 2) derart, dass im Betrieb an jeder Fluidaustrittsöffnung 14 im Wesentlichen dieselbe Menge an Temperierfluid 10 mit vorzugsweise auch demselben Druck austritt. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige und damit homogene Kühlung bzw. Erwärmung der einzelnen Energiespeicherzellen 3 möglich, wodurch diese nicht nur homogen temperiert, sondern auch Temperaturspitzen vermieden werden können.
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Betrachtet man dabei die erste Ausführungsform gemäß den 1 und 4, so kann man erkennen, dass sich der Querschnitt des Verteilerrohres 12 in Durchströmungsrichtung 13 verjüngt und zwar entweder konisch, wie dies gemäß der 1 dargestellt ist, oder in einzelnen Abschnitten 16a bis 16c, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist. Eine derartige Ausführungsform bietet den großen Vorteil, dass die Fluidaustrittsöffnungen 14 und insbesondere die in diesem Bereich eingesetzten Düsen 15 baugleich ausgestaltet werden können.
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Bei dem gemäß der 2 dargestellten Verteilerrohr 12, welches einen in Durchströmungsrichtung 13 gleich großen Querschnitt aufweist, werden bei einer zweiten Ausführungsform Fluidaustrittsöffnungen 14 eingesetzt, deren Querschnitt sich in Durchströmungsrichtung 13 des Verteilerrohres 12 vergrößert. Diese Ausführungsform bietet dabei den Vorteil, dass ein vergleichsweise einfach herzustellendes und dadurch kostengünstiges Verteilerrohr 12 verwendet werden kann. Die einzelnen Querschnitte der unterschiedlichen Fluidaustrittsöffnungen 14 können dabei durch unterschiedlich große Fluidaustrittsöffnungen 14 realisiert werden oder aber durch eine den Querschnitt der jeweiligen Fluidaustrittsöffnung beeinflussenden Drossel 17 oder Blende 18, wie dies an der dritten Fluidaustrittsöffnung 14 von links in 2 angedeutet ist. Die Drossel 17 bzw. die Blende 18 kann dabei der jeweiligen Fluidaustrittsöffnung 14 vorgelagert sein oder aber zusammen mit dieser beim Herstellen der Fluidaustrittsöffnungen 14 gefertigt werden.
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Ein Querschnitt des Verteilerrohres 12 kann dabei mehreckig, insbesondere rechteckig, dreieckig, elliptisch oder rund sein. Hierdurch kann Einfluss auf die jeweilige Bauform 12 möglichst bauraumoptimiert in der Energiespeicheranordnung 1 angeordnet werden. Rein theoretisch ist auch denkbar, dass das Verteilerrohr 12 einen integralen Bestandteil eines Deckels 19 des Gehäuses 11 der Energiespeicheranordnung 1 bildet, wobei ein derartiger Deckel 19 lediglich in 1 angedeutet ist.
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Zumindest eine der Energiespeicherzellen 3 kann dabei als zylindrische Rundzelle (vgl. 3), als prismatische Zelle oder als sogenannte Pouch-Zelle ausgebildet sein, wobei insbesondere die zuletzt genannte Ausführungsvariante eine hohe Bauraumausnutzung ermöglicht.
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Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass hier eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 3 vorgesehen ist, wobei die einzelnen Fluidaustrittsöffnungen 14 derart zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 3 angeordnet sind, dass sie vier Energiespeicherzellen 3 gleichzeitig mit Temperierfluid 10 bespritzen oder besprühen können. Gemäß der 3 ist dabei ein Bespritzen bzw. Besprühen eines jeweiligen Zellmantels der einzelnen Energiespeicherzellen 3 zur Kühlung bzw. Temperierung derselben vorgesehen.
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Ebenfalls vorgesehen sein kann eine Heiz-/Kühlvorrichtung 20, welche lediglich gemäß der 1 angedeutet ist und welche dem Beheizen bzw. Kühlen des Temperierfluids 10 dient. Eine derartige Heiz-/Kühlvorrichtung kann auch eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs 2 sein.
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Um interne Kurzschlüsse möglichst vermeiden zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Temperierfluid 10 elektrisch nicht leitend, das heißt dielektrisch, ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 1 und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 2 ist es möglich, den entlang einer Durchströmungsrichtung 13 in einem Verteilerrohr 12 auftretende Druckverlust auszugleichen und dadurch einen vorzugsweise homogenen Austritt von Temperierfluid 10 aus den einzelnen Fluidaustrittsöffnungen 14 des Verteilerrohrs 12 zu erreichen. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung bzw. Temperierung der einzelnen Energiespeicherzellen 3 in der Energiespeicheranordnung 1 mit vergleichsweise kostengünstigen Mitteln möglich. Gerade bei der ersten gemäß der 1 und 4 gezeigten Ausführungsform ist es darüber hinaus möglich, gleiche Düsen 15 für die gesamte Energiespeicheranordnung 1 zu verwenden, was Kosten in der Produktion spart. Darüber hinaus wird auch nicht für jede Düse 15 bzw. generell für jede Fluidaustrittsöffnung 14 eine separate Zuführung benötigt, was wiederum Gewicht, Kosten und Bauraum einspart. Durch die Zuführung des Temperierfluides 10 durch lediglich ein Verteilerrohr 12 für mehrere Fluidaustrittsöffnungen 14 bzw. Düsen 15 kann darüber hinaus das Volumen an Temperierfluid 10 klein gehalten werden, was ebenfalls Gewicht und Kosten einspart.
