DE102019120031A1 - Kontrolleinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrolleinrichtung (2) für einen Batteriespeicher (1), die mit Komponenten der Elektronik, z.B. Batteriemanagementsystem (BM), Strommessshunt sowie Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schütze, Sicherungen (Si), Stromschienen (S), Steckverbinder bestückt und in einem geschlossenen Gehäuse (4) untergebracht ist.Um eine Kontrolleinrichtung zu schaffen, bei der auch ohne Überdimensionierung von Bauteilen eine vorgegebene Lebensdauer zuverlässig erreichbar ist, wird vorgeschlagen, dass das geschlossene Gehäuse (4) zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausgebildet ist, wobei durch die Konvektion Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses (4) ausgleichbar sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrolleinrichtung für einen Batteriespeicher.
  • Neben stationären Anwendungen als Notstromversorgung und Puffer für Leistungsspitzen werden große Batteriespeicher heute regelmäßig auch in Elektrofahrzeugen als Ersatz für einen Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Diese Batteriespeicher enthalten als geschlossene Einheiten neben Batteriezellen bzw. Batteriemodulen und Elementen zur Verschaltung dieser Module auch eine Kontrolleinrichtung, die meist in einem separaten Gehäuseabschnitt oder davon gänzlich getrennten Gehäuse innerhalb des Batteriespeichers angeordnet ist. Eine derartige Kontrolleinrichtung ist mit Komponenten der Elektronik, z.B. Batteriemanagementsystem, Strommessshunt sowie Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schütze, Sicherungen, Stromschienen, Steckverbinder bestückt. Nach dem Stand der Technik ist eine derartige Kontrolleinrichtung aus Sicherheitsgründen in einem eigenen Gehäuseabschnitt oder gar einem zusätzlichen geschlossenen Gehäuse getrennt von den Zellen des Batteriespeichers untergebracht. Dabei sind alle vorstehend exemplarisch genannten Komponenten vorzugsweise darin auf einer selbsttragenden Grundplatte bzw. ein unteres Gehäuseteil aus Kunststoff montiert. Aus Gründen der Hochvoltsicherheit ist ein solcher Gehäuseabschnitt mit einem eigenen passenden Kunststoffteil berührgeschützt abgedeckt und durch Bildung des zusätzlichen geschlossenen Gehäuses auch gegenüber einer unmittelbaren Umgebung abgeschlossen. Dabei sind Batteriespeichersysteme der genannten Art für Elektrofahrzeuge zum Abtransport von Verlustwärme in der Regel wassergekühlt und weisen meist im Bereich des Bodens eine flüssigkeitsdurchströmte Kühlkanalstruktur auf.
  • Nun ergibt sich eine besondere Herausforderung darin, dass die enthaltenen elektrotechnischen Komponenten als Summe aus reiner Elektronik, Stromschienen, Sicherungen, Schütze etc. zum Teil Verlustwärme in nicht unerheblichem Maße produzieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Batteriesystem mit hohen Strömen beaufschlagt wird. Die eingesetzten und die Elektrokomponenten umhüllenden Kunststoffträger und -Deckel der Kontrolleinrichtung erschweren jedoch durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit eine Entwärmung der exemplarisch genannten Elektrokomponenten zusätzlich, indem sie flächig die Wärmeabgabe an umgebende metallische Gehäusebauteile drastisch einschränken. Eine Ausbildung von sog. Wärme-Nestern ist die Folge dieser Situation, was insbesondere an Elektronikkomponenten aufgrund eines mit der Temperatur einhergehenden rapiden Anstiegs einer Ausfallwahrscheinlichkeit, als auch an Schmelzsicherungen aufgrund einer negativen Beeinflussung einer Auslösecharakteristik für einen zuverlässigen Dauerbetrieb sehr nachteilhaft oder gar kontraproduktiv ist.
  • Gegen einen verfrühten Ausfall elektronischer Komponenten können in der Kontrolleinrichtung redundante Einheiten vorgesehen werden. Alternativ macht eine starke Erwärmung einer elektrischen Sicherung ein sog. „Derating“ erforderlich, also eine Auslegung auf einen höheren Auslösestrom. Nach dem Stand der Technik müssen die eingesetzten Elektrokomponenten also überdimensioniert werden, um den höheren Temperaturen im Fall hoher Belastung Rechnung zu tragen. Alternativ kann eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit in Kauf genommen werden. Die genannten konstruktiven Lösungsansätze erzeugen jedoch einen höheren Platzbedarf und führen höhere Kosten mit sich, sofern es bei den i.d.R. gegebenen engen räumlichen Bedingungen überhaupt realisierbar ist. Eine verkürzte Lebensdauer führt ebenfalls zu erhöhten Kosten sowie verringerter Zuverlässigkeit und kann daher nicht ernsthaft als Lösung in Betracht gezogen werden.
  • Es besteht daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Kontrolleinrichtung zu schaffen, bei der auch ohne Überdimensionierung von Bauteilen eine vorgegebene Lebensdauer zuverlässig erreichbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein geschlossenes Gehäuse zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausgebildet ist, durch die Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses ausgleichbar sind.
  • Der Erfindung liegt als im Wesentlichen die Erkenntnis zugrunde, dass eine Ausbildung von Wärme-Nestern dadurch begünstig wird, dass sich innerhalb des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung kaum natürliche oder freie Konvektion ausbilden kann. Eine entsprechende Ausbildung des geschlossenen Gehäuses, durch die eine Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ermöglicht ist, wirkt einer Ausbildung ausgeprägter Wärme-Nester stark entgegen. Damit werden zumindest Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses ausgeglichen, wodurch die Bauteile in normalen thermischen Betriebspunkten arbeiten können.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach ist ein Kunststoffträger als Basis und damit als ein wesentlicher Teil des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung ausgeführter unterer Gehäuseteil so ausgebildet, dass er entlang einer Längserstreckung bzw. in Längsrichtung des Gehäuses von einem Boden eines Modulgehäuses abgehoben einen freien Strömungsquerschnitt aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform bildet ein Eingang des freien Strömungsquerschnitts eine unmittelbare Aufnahme für einen Gerätelüfter, der insbesondere aktiv angetrieben und ggf. auch elektrisch geregelt ist.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass eine Öffnung zwischen dem unteren Gehäuseteil und dem oberen Teil des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung vorgesehen ist, die an einem dem Gerätelüfter gegenüberliegenden Ende des Gehäuseteil angeordnet ist. Damit ergibt sich eine maximale Länge eines für die Konvektion zur Verfügung stehenden freien Strömungsquerschnitts innerhalb des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung.
  • Vorteilhafterweise ist in dem geschlossenen Gehäuse eine Abfuhr der durch Konvektion aufgenommenen Wärme durch einen Wärmetauscher vorgesehen. Es ist also nicht nur eine Gleichverteilung von Verlustwärme angestrebt, eine konvektiv aufgenommene Wärme wird auch gezielt auf dem geschlossenen Gehäuse der Kontrolleinrichtung abgeführt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Unterseite des freien Strömungsquerschnitts unmittelbar als Wärmetauscher bzw. zum Überstreichen einer Kühlplatte der Batteriemodule des betreffenden Batteriespeichers ausgebildet.
  • Der Kunststoffträger ist vorzugsweise so ausgebildet, dass seine Traggeometrie nicht nur die vorstehend exemplarisch genannten Komponenten gut aufnehmen kann, sondern gleichzeitig auch eine Schottwand zwischen oberem und unterem Volumen des geschlossenen Gehäuses bildet, wobei der Kunststoffträger auf der die Komponenten tragenden oberen Seite gegenüberliegenden Seite Öffnungen zur Ausströmung von Luft von der unteren in die obere Gehäusehälfte aufweist. Diese Öffnungen sind in einer Ausführungsform auch direkt unter besonders verlustträchtigen Komponenten angeordnet, insbesondere Schmelzsicherungen oder Shunts, zur gezielten Entwärmung durch Konvektion.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung wird eine gerichtete Strömung innerhalb des gesamten geschlossenen Gehäuseabschnitts erzeugt. Eine Wärmenestbildung wird effektiv vermieden. Durch das Überstreichen des verlängerten Batteriemodul-Kühlblechs findet ein direkter Wärmeaustausch der umgewälzten Luft mit dem Kühlsystem statt. Besonders verlustbehaftete Bauteile können durch dedizierte und direkt unter diesen Bauteilen vorgesehene Ausströmöffnungen zusätzlich intensiver gekühlt werden. Der Einsatz eines rundherum geschlossenen Kunststoffgehäuses ist so problemlos möglich.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kunststoffträger als Basis und damit als ein wesentlicher Teil des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung geschaffen, der
    1. a. als unteres Kunststoffbauteil in einem Gehäuseabschnitt, elektrotechnische Komponenten aufnimmt und mechanisch fixiert;
    2. b. einen Strömungsquerschnitt schafft, der einer Länge nach von einem Ende zum anderen Ende des geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung reicht;
    3. c. eine Aufnahme für eine Gehäuselüfter aufweist;
    4. d. dedizierte und entsprechend ausgerichtete Ausström-Öffnungen für Bauteile mit hohen Verlusten aufweist, um diese direkt anzuströmen;
    5. e. einen Strömungsquerschnitt aufweist, der nach unten zur einer Kühlplatte hin offen ist, und in Längsrichtung von einem Ende des Volumens zu dem anderen Ende reicht, um einen Luftstrom zu transportieren und den Wärmeaustausch zu der darunter liegenden Kühlplatte zu ermöglichen.
  • Das geschlossenen Gehäuses der Kontrolleinrichtung bildet mit einem Kunststoffträger der genannten Art ein System mit vorteilhafterweise minimalem Gehäusevolumen, bestehend aus unterer Kunststoffträger- und Luftleitplatte, oberer Kunststoffplatte, zu kühlenden elektrotechnischen Komponenten, auf unterem Kunststoffträger montiertem Gehäuselüfter und flüssigkeitsgefüllte Kühlplatten, die unter dem unteren Kunststoffträger ausgebreitet sind.
  • Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
    • 1: eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Batteriespeichers mit einer Kontrolleinheit und einer Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen;
    • 2: eine seitliche Ansicht des Batteriespeichers von 1 und
    • 3: eine Ansicht einer Längsseite von 1 in einer Schnittdarstellung.
  • Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne eine Beschränkung des Einsatzfeldes wird nachfolgend nur auf einen Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug eingegangen. Dem Fachmann ist aber ohne weiteres ersichtlich, dass erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch sehr vorteilhaft bei stationären Energiespeichern Verwendung finden können, insbesondere in Verbindung von Windkraft- und/oder Photovoltaik-Anlagen.
  • Die Skizze von 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Batteriespeichers 1 mit einer Kontrolleinrichtung 2 und einer Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen 3. Die Kontrolleinheit 2 ist dabei von den Speicherzellen 3 physikalisch getrennt von einem Modulgehäuse 4 in einem eigenen und gegenüber dem sonstigen Batteriespeicher 1 geschlossenen Gehäuse 5 angeordnet.
  • In dem geschlossenen Gehäuse 5 sind neben Komponenten der Elektronik, z.B. ein elektronisches Batteriemanagementsystem BM mit Leistungshalbleitern und Strommessshunts auch Komponenten der Elektromechanik z.B. in Form von Schützen, Sicherungen Si, Stromschienen S und Steckverbindern untergebracht. Um eine Kontrolleinrichtung 2 ohne eine Überdimensionierung zumindest einiger seiner vorstehend nur exemplarisch genannten Bauteile zum Erreichen einer vorgegebenen Lebensdauer dieser Bauteile zu schaffen, ist das geschlossene Gehäuse 5 zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausgebildet. Durch die Konvektion sind Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses 5 soweit ausgleichbar, dass alle Bauteile in normalen Temperaturbereichen betrieben werden und damit ihre vorgegebene Lebensdauer erreichen können. Neben erhöhten Kosten wird damit auch effektiv ein stets nur sehr rar vorhandener Bauraum eingespart.
  • Die Abbildung von 2 zeigt mit einer seitlichen Ansicht des Batteriespeichers 1 von 1 einen durch Pfeile angedeuteten Verlauf einer Konvektion innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2. Zur der gezielten Ausbildung der Konvektion ist ein unterer Gehäuseteil 6, der eine Basis des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2 dient, als mechanischer Träger aller Komponenten so in Form eines Kunststoff-Bauteils ausgeführt, dass er entlang einer Längsachse bzw. in Längsrichtung des Gehäuses 5 von einem Boden B des Modulgehäuses 4 abgehoben einen freien Strömungsquerschnitt 7 bildet. Das Gehäuseteil 6 trennt nach Art einer Schottwand einen oberen Teil oT von einem unteren Teil uT des Volumens des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2. Der unteren Teil uT schließt nun als freier Strömungsquerschnitt 7 einen Kreislauf der Konvektion. Zur Herstellung einer erzwungenen Konvektion ist an einem Eingang des freien Strömungsquerschnitts 7 eine Aufnahme vorgesehen, an der ein elektrisch aktiv angetriebener, geregelter Gerätelüfter 8 angeordnet ist. Zudem ist eine Öffnung 9 zwischen dem unteren Gehäuseteil uT und dem oberen Teil oT des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2 vorgesehen, die an einem dem Gerätelüfter 8 gegenüberliegenden Ende des Gehäuseteil 6 angeordnet ist. Damit kann sich eine Strömung im Wesentlichen über eine gesamte Längserstreckung des geschlossenen Gehäuses 5 ausbilden. Ferner ist eine Unterseite des freien Strömungsquerschnitts 7 unmittelbar als Wärmetauscher 10 durch Überstreichen einer Kühlplatte 11 der Batteriemodule bzw. elektrischen Speicherzellen 3 ausgebildet.
  • Nicht weiter dargestellt sind in den Abbildungen der Zeichnung spezielle Öffnungen, die von dem unteren Gehäuseteil uT durch die Schottwand zwischen einem oberen und einem unteren Volumen des geschlossenen Gehäuses 4 hindurch gezielt an oder unter Komponenten mit besonders hohen elektrischen Verlustleistungen vorgesehen sind oder aber auf diese besonders ausgerichtet sind. Hierdurch ist zusätzlich eine gezielte Entwärmung mit quasi punktueller Abfuhr der Verlustwärme innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 realisierbar.
  • Die Abbildung von 3 stellt eine Ansicht einer Längsseite von 1 in einer Schnittdarstellung dar und unterstreicht durch die offensichtlich optimierte Ausnutzung des i.d.R. knapp bemessenen Bauraums, dass durch eine vorstehend beschriebene Ausgestaltung eines unteren Gehäuseteils 6 die Vorteile eines raumsparenden, kompakten Designs der Kontrolleinrichtung 2 erhalten bleiben. Zudem ermöglicht eine solche Anordnung die Bildung eines thermischen Ausgleichs mit deutlicher Minderung der Ausbildung thermischer Nester mit weitgehender Eliminierung der Möglichkeit regionaler Überhitzungen während des Betriebs der Kontrolleinrichtung 2. Aber es erfolgt nicht nur ein thermischer Ausgleich innerhalb des geschlossenen Gehäuses 5 der Kontrolleinrichtung 2, vielmehr wird ohne zusätzlichen Aufwand eine für die Kühlung der Batteriemodule bzw. elektrischen Speicherzellen 3 vorgesehene Kühlplatte 10 zum Wärmeabtransport aus dem geschlossenen Gehäuses 5 genutzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriespeicher
    2
    Kontrolleinrichtung
    3
    elektrische Speicherzelle
    4
    Modulgehäuse
    5
    geschlossenes Gehäuse
    6
    unterer Gehäuseteil/Schott
    7
    freier Strömungsquerschnitt
    8
    Gerätelüfter
    9
    Öffnung
    10
    Fluid-Wärmetauscher im Modulgehäuse 4
    11
    Kühlplatte
    B
    Boden
    BM
    Batteriemanagementsystem
    S
    Stromschiene
    Si
    Sicherung
    oT
    oberer Teil des geschlossenen Gehäuses 5
    uT
    unterer Teil des geschlossenen Gehäuses 5

Claims (8)

  1. Kontrolleinrichtung (2) für einen Batteriespeicher (1), die mit Komponenten der Elektronik, z.B. Batteriemanagementsystem (BM), Strommessshunt sowie Komponenten der Elektromechanik, z.B. in Form von Schütze, Sicherungen (Si), Stromschienen (S), Steckverbinder bestückt und in einem geschlossenen Gehäuse (5) untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) zur Ausbildung einer freien und/oder erzwungenen Konvektion ausgebildet ist, wobei durch die Konvektion Temperaturunterschiede innerhalb des Gehäuses (5) ausgleichbar sind.
  2. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Gehäuseteil (6) eine Basis des geschlossenen Gehäuses (5) der Kontrolleinrichtung (2) bildet und als Kunststoffträger so ausgeführt ist, dass er entlang einer Längsachse bzw. in Längsrichtung des Gehäuses (5) von einem Boden eines Modulgehäuses (4) abgehoben einen freien Strömungsquerschnitt (7) bildet.
  3. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Eingang des freien Strömungsquerschnitts (7) ein elektrisch aktiv angetriebener Gerätelüfter (8) vorgesehen ist.
  4. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (9) zwischen dem unteren Gehäuseteil (uT) und dem oberen Teil (oT) des geschlossenen Gehäuses (5) der Kontrolleinrichtung (2) vorgesehen ist, die an einem dem Gerätelüfter (8) gegenüberliegenden Ende des Gehäuseteil (6) angeordnet ist.
  5. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an dem geschlossenen Gehäuse (5) eine Abfuhr der durch Konvektion aufgenommenen Wärme durch einen Wärmetauscher (10) vorgesehen ist.
  6. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterseite des freien Strömungsquerschnitts (7) unmittelbar als Wärmetauscher (10) bzw. zum Überstreichen einer Kühlplatte (11) der Batteriemodule bzw. elektrischen Speicherzellen (3) ausgebildet ist.
  7. Kontrolleinrichtung (2) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Gehäuseteil (uT) eine Schottwand zwischen einem oberen und einem unteren Volumen des geschlossenen Gehäuses (4) der Kontrolleinrichtung (2) bildet und Öffnungen zur Ausströmung von Luft in den oberen, bestückten Gehäuseteil (oT) aufweist.
  8. Kontrolleinrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen gezielt und besonders ausgerichtet an oder unter Komponenten mit besonders hohen elektrischen Verlustleistungen vorgesehen sind.
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