DE102019005453A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs (W) zwischen Einzelzellen (2.1 bis 2.n) einer elektrischen Batterie (1) und einer Temperiervorrichtung (4) sowie einem zwischen den Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und der Temperiervorrichtung (4) angeordneten Wärmeleitmedium (7). Erfindungsgemäß wird die Batterie (1) im montierten Zustand einem elektrischen Feld ausgesetzt. Weiterhin wird anhand einer ermittelten Kapazität eine Permittivität der Batterie (1) ermittelt, anhand der ermittelten Permittivität ein Maß von in dem Wärmeleitmedium (7) und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium (7) und den Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium (7) und der Temperiervorrichtung (4) vorhandenen Lufteinschlüssen ermittelt und anhand des Maßes von Lufteinschlüssen der Wärmeübergang (W) ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs zwischen Einzelzellen einer elektrischen Batterie und einer Temperiervorrichtung sowie einem zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmeleitmedium.
  • Aus der US 2018/0191042 A1 und der EP 3 264 492 A1 sind elektrische Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen bekannt. Zu einer Temperierung der Einzelzellen sind diese mit einer Temperiervorrichtung gekoppelt, wobei zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung eine Wärmeleitschicht angeordnet ist. Zur Ermittlung einer Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitschicht und somit eines Wärmeübergangs zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung wird eine Messung nach einer so genannten stationären Zylindermethode gemäß dem ASTM D5470 Standard durchgeführt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs zwischen Einzelzellen einer elektrischen Batterie und einer Temperiervorrichtung sowie einem zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmeleitmedium anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In einem Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs zwischen Einzelzellen einer elektrischen Batterie und einer Temperiervorrichtung sowie einem zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmeleitmedium wird erfindungsgemäß
    • - die Batterie im montierten Zustand einem elektrischen Feld ausgesetzt,
    • - anhand einer ermittelten Kapazität eine Permittivität der Batterie ermittelt,
    • - anhand der ermittelten Permittivität ein Maß von in dem Wärmeleitmedium und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und den Einzelzellen und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Temperiervorrichtung vorhandenen Lufteinschlüssen ermittelt und
    • - anhand des Maßes von Lufteinschlüssen der Wärmeübergang ermittelt.
  • Das Wärmeleitmedium, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, wird in einer Batterien als thermisch leitende aber elektrisch isolierende Verbindung zwischen den Einzelzellen und der Temperiervorrichtung, beispielsweise einer Kühlplatte, und/oder der Temperiervorrichtung und einem Gehäuseunterteil der Batterie eingesetzt. Hierbei gleicht das Wärmeleitmedium Maßtoleranzen zwischen den einzelnen Bauteilen aus. Das Wärmeleitmedium ist dabei maßgeblich für einen Wärmeübergang verantwortlich, wobei bei Verringerung einer Menge an verwendetem Wärmeleitmedium eine Erhöhung des Wärmeübergangs erreicht wird. Eine Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m*K)] von Wärmeleitpasten liegt im Allgemeinen bei etwa 3. Sie ist damit deutlich geringer als beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium mit etwa 200, aber auch deutlich größer als die Wärmeleitfähigkeit von Luft mit weniger als 0,03. Der Wärmeübergang wird weiterhin durch Kontaktwiderstände und eine Homogenität eines Auftrags des Wärmeleitmediums, insbesondere der Wärmeleitpaste bestimmt. Ist eine Haftung des Wärmeleitmediums an angrenzenden Bauteilen gering und ist eine Anzahl von Lufteinschlüssen innerhalb des Wärmeleitmediums und zwischen diesem und den angrenzenden Bauteilen groß, verringert sich der Wärmeübergang weiter. Ziel ist jedoch eine gute und homogene thermische Anbindung aller Einzelzellen an die Temperiervorrichtung. Das heißt, der Wärmeübergang ist ein zentraler Parameter für leistungsfähige Batterien. Dies resultiert daraus, dass bei einer hohen elektrischen Belastung eine Menge an Abwärme steigt, welche durch die Temperiervorrichtung effizient angeführt werden muss, um die Leistungsfähigkeit der Batterie aufrecht zu erhalten. Der Wärmeübergang von den Einzelzellen in ein der Temperiervorrichtung geführtes Temperiermedium ist hierbei ein entscheidender Faktor.
  • Eine Überwachung des Auftrags des Wärmeleitmediums in der Produktion der Batterie ist nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich, da das Wärmeleitmedium, insbesondere die Wärmeleitpaste, erst nach der Montage der Batterie in ihren Endzustand verpresst wird. Hierdurch ist das Wärmeleitmedium im Nachhinein nicht mehr zugänglich und dessen Zustand kann mit bekannten Methoden nicht bewertet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dagegen eine solche Bewertung im montierten Zustand der Batterie in einfacher Weise durch Ermittlung der Permittivität als von in dem Wärmeleitmedium und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und den Einzelzellen und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Temperiervorrichtung vorhandenen Lufteinschlüssen. Die Permittivität ist dabei ein Maß für eine Durchlässigkeit von Materialien für elektrische Felder. Verschiedene Stoffe besitzen unterschiedliche Permittivitäten, die relativ zu der Permittivität des Vakuums angegeben werden. Diese können zerstörungsfrei mit einem einfachen elektrischen Messaufbau ermittelt werden.
  • Dadurch, dass sich die Zusammensetzung der Probe, d. h. vorliegend der Batterie, nicht ändert, kann durch diese Methode die Luftmenge im Wärmeleitmedium ermittelt werden. Luft besitzt eine andere Permittivität als das Wärmeleitmedium, wobei beispielsweise aufgrund von Grenzmustern ein maximal erlaubter Lufteinschluss bekannt ist. Somit ermöglicht das Verfahren, dass die Batterien nach ihrer Montage am Ende ihrer Produktion stichprobenartig oder auch gesamtheitlich überprüft und hinsichtlich des Wärmeübergangs bewertet werden können. Insbesondere ist das Verfahren dabei einfach realisierbar und zerstörungsfrei an den Batterien durchführbar. Hierdurch wird deren Produktion nicht verlangsamt und kein Ausschuss produziert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer elektrischen Batterie mit einer innenliegenden Temperiervorrichtung,
    • 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer elektrischen Batterie mit einer außenliegenden Temperiervorrichtung,
    • 3 schematisch ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Permittivität und
    • 4 schematisch eine Batterie und einer als Sonde ausgeführten Messelektrode.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines möglichen Ausführungsbeispiels einer elektrischen Batterie 1 mit einer Mehrzahl von Einzelzellen 2.1 bis 2.n und einer innenliegenden, d.h. innerhalb eines in 2 näher dargestellten Batteriegehäuses 3 angeordneten Temperiervorrichtung 4.
  • Zwischen jeweils einem Paar von Einzelzellen 2.1 bis 2.n ist jeweils ein Kühlblech 5, 6 angeordnet, um eine möglichst großflächige Wärmeableitung von den Einzelzellen 2.1 bis 2.n in die Temperiervorrichtung 4, beispielsweise eine von einem Temperiermedium M durchströmte Kühlplatte, zu ermöglichen.
  • Zwischen einem, unter anderem die Einzelzellen 2.1 bis 2.n und die Kühlbleche 5, 6 umfassenden Zellblock und der Temperiervorrichtung 4 ist ein Wärmeleitmedium 7, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, angeordnet. Zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und der Temperiervorrichtung 4 ist ein elektrischer Isolator 8, beispielsweise eine Isolierfolie, angeordnet.
  • Das Wärmeleitmedium 7 wird in der Batterie 1 als thermisch leitende und elektrisch isolierende Verbindung zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und der Temperiervorrichtung 4 und/oder zwischen der Temperiervorrichtung 4 und dem Batteriegehäuse 3 verwendet. Das Wärmeleitmedium 7 gleicht dabei auch Maßtoleranzen zwischen den Bauteilen aus und ist maßgeblich für den Wärmeübergang W verantwortlich. Der Wärmeübergang W wird auch durch Kontaktwiderstände und eine Homogenität des Auftrags des Wärmeleitmediums 7, beispielsweise der Wärmeleitpaste, bestimmt. Ziel ist eine gute und homogene thermische Anbindung der gesamten Einzelzellen 2.1 bis 2.n an die Temperiervorrichtung 4 ohne Lufteinschlüsse im Wärmeleitmedium 7, welche den Wärmeübergang W signifikant beeinträchtigen.
  • In 2 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines möglichen weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrischen Batterie 1 mit einer Mehrzahl von Einzelzellen 2.1 bis 2.n und einer außenliegenden, d. h. außerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordneten Temperiervorrichtung 4 dargestellt.
  • Weiterhin ist im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der elektrische Isolator 8 zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und dem Batteriegehäuse 3 angeordnet. Zwischen dem Batteriegehäuse 3 und der Temperiervorrichtung 4 ist eine weitere Schicht des Wärmeleitmediums 7 angeordnet.
  • Auch bei dieser Ausgestaltung der Batterie 1 ist ein Ziel eine gute und homogene thermische Anbindung der gesamten Einzelzellen 2.1 bis 2.n an die Temperiervorrichtung 4 ohne Lufteinschlüsse im Wärmeleitmedium 7, welche den Wärmeübergang W signifikant beeinträchtigen.
  • Um einen solchen Wärmeübergang W zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n der Batterie 1 und der Temperiervorrichtung 4 sowie dem zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und der Temperiervorrichtung 4 angeordneten Wärmeleitmedium 7 zu ermitteln, ist vorgesehen, eine Permittivität der Batterie 1 und dabei insbesondere des Wärmeleitmediums 7 als Maß der in dem Wärmeleitmedium 7 und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und der Temperiervorrichtung 4 vorhandenen Lufteinschlüssen zu bestimmen.
  • Die Permittivität ist ein Maß für die Durchlässigkeit von Materialien für elektrische Felder. Die Permittivität des Vakuums ε0 ist eine Naturkonstante. Verschiedene Stoffe besitzen unterschiedliche Permittivitäten, die relativ zu der Permittivität des Vakuums gemäß ε r = ε ε 0
    Figure DE102019005453A1_0001
    angegeben werden. Diese Permittivitäten können zerstörungsfrei mit einem einfachen elektrischen Messaufbau ermittelt werden, welcher auf verschiedene Arten realisiert werden kann. Dadurch, dass sich die Zusammensetzung der Probe, d. h. im vorliegenden Fall der Batterie 1, nicht ändert, kann durch diese Methode die Luftmenge im Wärmeleitmedium 7 zuverlässig und einfach ermittelt werden. Luft besitzt eine andere Permittivität als das Wärmeleitmedium 7. Aufgrund von Grenzmustern ist ein maximal erlaubter Lufteinschluss bekannt.
  • Ein mögliches Ausführungsbeispiel eines solchen einfachen Messaufbaus zur Bestimmung der Permittivität stellt die in 3 in einem Schaltbild dargestellte Vorrichtung 9 dar, welche einen Generator 9.1 mit veränderbarer Frequenz, eine Messelektrode 9.2 und eine Spannungselektrode 9.3 umfasst.
  • Die Ermittlung der Permittivität basiert grundsätzlich auf der Tatsache, dass verschiedene Materialien in einem elektrischen Feld unterschiedlich polarisiert werden.
  • Bei der dargestellten Vorrichtung 9 handelt es sich um eine Art Plattenkondensator, der mit einer Spule einen elektrischen Schwingkreis bildet. Die Plattenelektroden werden dabei durch die Messelektrode 9.2 und eine Spannungselektrode 9.3 gebildet, wobei zum Betrieb der Generator 9.1 mit veränderbarer Frequenz verwendet wird. Eine geeignete Frequenz wird dabei beispielsweise in Vorversuchen ermittelt.
  • Mittels der Vorrichtung 9 wird die Batterie 1 im montierten Zustand einem elektrischen Feld ausgesetzt. Anhand einer ermittelten Kapazität wird eine Permittivität der Batterie 1 ermittelt, wobei anhand der ermittelten Permittivität ein Maß von in dem Wärmeleitmedium 7 und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium 7 und der Temperiervorrichtung 4 vorhandenen Lufteinschlüssen ermittelt wird. Anhand des Maßes von Lufteinschlüssen wird der Wärmeübergang W ermittelt wird.
  • Das heißt, eine Kapazität des mittels der Vorrichtung 9 gebildeten Kondensators lässt Rückschlüsse auf die Permittivität der eingespannten Materialien, d. h. der Batterie 1 zu. Hierzu muss zusätzlich auch ein Abstand zu dem eingespannten Material bekannt sein. Eine Verringerung der Permittivität deutet dabei auf eine vergrößerte Anzahl an Lufteinschlüssen und somit auf einen verringerten Wärmeübergang W hin.
  • Um die Messung an die jeweiligen Umgebungsbedingungen anzupassen, beispielsweise an unterschiedliche Witterungsbedingungen und daraus folgende Veränderungen der Luft, welche als Lufteinschlüsse ermittelt werden soll, ist weiterhin in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen, dass vor einer Ermittlung der Permittivität der Batterie 1 bei bestimmten Umgebungsbedingungen Permittivitäten von einzelnen Werkstoffen der Batterie 1 bei den gleichen Umgebungsbedingungen bestimmt und als Normwerte für die entsprechenden Umgebungsbedingungen vorgegeben werden. Diese Bestimmung der Permittivitäten der einzelnen Werkstoffe kann beispielsweise an Prüfkörpern erfolgen, welche aus dem entsprechenden Material gebildet sind.
  • In 4 sind eine Batterie 1 und eine als Sonde ausgeführte Messelektrode 9.2 dargestellt. Bei einer Ausbildung der Messelektrode 9.2 als Sonde werden bei der Messung höhere Auflösungen des Prüfkörpers, d. h. vorliegend der Batterie 1, und daraus folgend besonders genaue Messergebnisse erzielt. Hierbei muss ein Luftspalt zwischen der Messelektrode 9.2 und der Batterie 1 vermieden werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2.1 bis 2.n
    Einzelzelle
    3
    Batteriegehäuse
    4
    Temperiervorrichtung
    5
    Kühlblech
    6
    Kühlblech
    7
    Wärmeleitmedium
    8
    Isolator
    9
    Vorrichtung
    9.1
    Generator
    9.2
    Messelektrode
    9.3
    Spannungselektrode
    M
    Temperiermedium
    W
    Wärmeübergang
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2018/0191042 A1 [0002]
    • EP 3264492 A1 [0002]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Wärmeübergangs (W) zwischen Einzelzellen (2.1 bis 2.n) einer elektrischen Batterie (1) und einer Temperiervorrichtung (4) sowie einem zwischen den Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und der Temperiervorrichtung (4) angeordneten Wärmeleitmedium (7), dadurch gekennzeichnet, dass - die Batterie (1) im montierten Zustand einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, - anhand einer ermittelten Kapazität eine Permittivität der Batterie (1) ermittelt wird, - anhand der ermittelten Permittivität ein Maß von in dem Wärmeleitmedium (7) und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium (7) und den Einzelzellen (2.1 bis 2.n) und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium (7) und der Temperiervorrichtung (4) vorhandenen Lufteinschlüssen ermittelt wird und - anhand des Maßes von Lufteinschlüssen der Wärmeübergang (W) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld mittels eines Generators (9.1) mit veränderbarer Frequenz zwischen einer Messelektrode (9.2) und einer Spannungselektrode (9.2) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Ermittlung der Permittivität der Batterie (1) bei bestimmten Umgebungsbedingungen Permittivitäten von Werkstoffen der Batterie (1) bei den gleichen Umgebungsbedingungen bestimmt und als Normwerte für die entsprechenden Umgebungsbedingungen vorgegeben werden.
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DE102022122401A1 (de) 2022-09-05 2024-03-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Prüfung einer thermischen Kopplung zwischen einem Flüssigkühler und einer elektrochemischen Zelle

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