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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei die Traktionsbatterie Batteriemodule aufweist sowie das jeweilige Batteriemodul ein Gehäuse, innerhalb des Gehäuses angeordnete Batteriezellen und einen Kühlkreislauf zum Kühlen der Batteriezellen mittels Kühlflüssigkeit aufweist.
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Bei Traktionsbatterien, die bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen Verwendung finden, ist es erforderlich, hohe Leistungs- bzw. Energiedichten auf geringem Bauraum darzustellen. Diese Anforderung können zum Beispiel durch Batteriezellen, basierend auf Lithium-Ionen-Technologie erfüllt werden, da solche Energiespeicherzellen sehr flexibel auf maximale Energiedichte oder auf maximale Leistungsdichte optimiert werden können.
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Moderne Traktionsbatterien erzeugen im Betrieb eine erhebliche Menge an Wärme, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß abgeleitet wird, eine nicht optimale Leistung der Traktionsbatterie zur Folge haben kann. Außerdem kann ein schlechtes Wärmemanagement solcher Batteriezellen einen Zustand thermischer Instabilität (Thermal Runaway) und eine eventuelle Zerstörung der Batteriezellen zur Folge haben. Gleichzeitig benötigen die Batteriezellen einen gewissen Ausdehnungsspielraum, da sie beim Laden und bei Alterung durch Korrosion eine Dickenänderung erfahren. Bei Zunahme der Dicke müssen die Druckspitzen begrenzt werden, da ein zu hoher Druck zur Schädigung der Batteriezelle führen kann.
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In der
DE 602 134 74 T2 ist eine Traktionsbatterie beschrieben, deren Batteriezellen mit Abstand voneinander angeordnet sind und jeweils zwei gegenüberliegende ebene Flächen, Seiten- und Endflächen aufweisen. Ein verformbarer, wärmeleitender Kühlbalg mit Einlass- und Auslassanschluss, der sich zu einer schlangenförmigen Anordnung fügt, berührt die jeweiligen ebenen Flächen jeder der Batteriezellen, dies auch während der Volumenveränderungen dieser Batteriezellen. Ein Wärmeübertragungsmedium strömt zwischen dem Einlass- und dem Auslassanschluss, um die Betriebstemperatur der Batteriezellen zu steuern. Der Kühlbalg wird während des Zellladungs- und -entladungszyklus unter Druck gesetzt, um die Batteriezellen zu komprimieren.
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In der
DE 10 2013 112 753 A1 ist eine Akkumulatoranordnung beschrieben. Diese weist ein Kompensationsbauteil, das als auf Druck belastbares federndes Bauteil mit oder ohne Dämpfungseigenschaft ausgebildet ist, sowie ein Vorspannbauteil mit einem gefüllten Hohlraum, dessen Füllmaterial durch die Außenwand des Vorspannbauteils im Hohlraum gehalten ist, auf.
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Aus der
DE 10 2012 224 330 A1 ist eine Akkumulatorvorrichtung bekannt. Sie weist nebeneinander angeordnete Lithium-Ionen-Flachzellen auf. Jede Zelle weist oberflächlich ein Luftkissen auf, das zwischen der Zelle und einem umgebenden Verguss angeordnet ist. Die dem Luftkissen gegenüberliegende Oberfläche jeder Zelle steht über eine isolierende Klebefolie mit einer Kühlfinne in Verbindung. Die Kühlfinnen erstrecken sich durch den Verguss und weisen außerhalb dessen einen gebogenen Teil auf, der über eine Wärmeleitfolie mit einer Kühlplatte verbunden ist. In deren Inneren ist eine Kühlmittelführung vorgesehen, um die von den Kühlfinnen zugeführte Wärme abzuführen.
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In der
DE 10 2011 015 152 A1 ist eine Energiespeichervorrichtung beschrieben. Bei dieser ist jede Speicherzelle gegenüber einem angrenzenden Bauelement - einer benachbarten Speicherzelle, einem Halteelement, sonstigem Gehäuseteil oder Wärmeleitelement - durch ein elastisches Kissen derart stoßdämpfend gelagert, dass ein definierter Druck auf die Speicherzelle wirkt.
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Aus der
DE 10 2009 048 249 A1 ist eine Batterie bekannt. Diese weist eine Zellhalteeinrichtung, deren Innenwand mit den Zellen wirkverbunden ist, eine mit der Innenwand wirkverbundene Wärmeleiteinrichtung mit einem Fluidkanal und eine innerhalb der Zellhalteeinrichtung angeordnete Ausgleichseinrichtung, die sich ausdehnen kann, auf. Die Volumenerhöhung der Zellen beim Ladezyklus wird durch eine korrespondierende Volumenabsenkung der Ausgleichseinrichtung ausgeglichen, die den Anpressdruck der Zellen an die Innenwand auf einen konstanten Wert regelt.
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In der
DE 10 2014 206 813 A1 ist ein elektrischer Energiespeicher beschrieben, mit einem in einem Gehäuse angeordneten gasdichten Hohlraum, über den Druck auf zumindest einen Abschnitt eines Energiespeicherelements des Energiespeichers ausübbar ist.
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Eine Traktionsbatterie, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus der nachveröffentlichten Druckschrift
DE 10 2018 215 477 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug so weiterzubilden, dass eine Kühlung der Batteriezellen mit hohem Wirkungsgrad sowie ein Ausgleich von veränderlichen geometrischen Abmessungen der Batteriezellen im Betrieb der Traktionsbatterie gewährleistet ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Traktionsbatterie, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie findet Verwendung bei einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug. Die Traktionsbatterie weist Batteriemodule auf. Das jeweilige Batteriemodul weist ein Gehäuse, innerhalb des Gehäuses angeordnete Batteriezellen und einen Kühlkreislauf zum Kühlen der Batteriezellen mittels Kühlflüssigkeit auf. Die Kühlflüssigkeit wird über einen Einlass des Gehäuses in das Gehäuse eingeleitet und über einen Auslass des Gehäuses aus dem Gehäuse ausgeleitet. Die Kühlflüssigkeit kontaktiert die Batteriezellen und strömt an diesen entlang. Über eine Einrichtung ist der Druck der Kühlflüssigkeit im Gehäuse zwecks hydrodynamischer Bedruckung der Batteriezellen veränderbar.
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Wesentlich ist bei dieser Traktionsbatterie somit, dass die Kühlflüssigkeit die Batteriezellen unmittelbar kontaktiert und damit ein optimaler Wärmeübergang zwischen Kühlflüssigkeit und Batteriezellen gewährleistet ist. Wesentlich ist ferner, dass über den veränderlichen Druck der Kühlflüssigkeit die Batteriezellen einem veränderbaren Druck ausgesetzt werden können, um so zu gewährleisten, dass entsprechend dem Betriebszustand der Batteriezellen diese unter einem gewünschten, optimalen, definierten äußeren Druck stehen.
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Um einen besonders hohen Wirkungsgrad sowohl unter dem Aspekt der Kühlung der Batteriezellen als auch des Ausübens des Drucks auf die Batteriezellen zu erzielen, ist vorgesehen, dass der Innenraum des Gehäuses des Batteriemoduls vollständig mit Kühlflüssigkeit geflutet ist. Hierdurch ist auch sichergestellt, dass kein anderes Medium, beispielsweise ein gasförmiges Medium das eine andere Kompressibilität aufweist, im Innenraum auf die Batteriezellen einwirkt. Dieser Effekt ist somit unabhängig von der Position des Fahrzeugs, insbesondere der Anordnung des Fahrzeugs auf einem geneigten Untergrund.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass jeweils benachbarte Batteriezellen in Abstand zueinander angeordnet sind. Benachbarte Batteriezellen berühren sich somit nicht. Grundsätzlich besteht aber die Möglichkeit, die Batteriezellen so anzuordnen, dass benachbarte Batteriezellen sich in Teilbereichen kontaktieren und zwischen diesen Bereichen insbesondere relative große Bereiche verbleiben, im Bereich derer die Kühlflüssigkeit mit den Batteriezellen in Kontakt gelangt.
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Jeweils benachbarte Batteriezellen können somit derart in Abstand zueinander angeordnet sein, dass sie sich nicht berühren. Unter diesem Aspekt ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen Kompressionskissen angeordnet sind und zwischen diesen Kompressionskissen Kühlkanäle zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit gebildet sind. Bei den Kompressionskissen handelt es sich insbesondere um elastische Elemente. Es kann auch versucht werden, die Kompressionskissen maximal steif und unnachgiebig zu gestalten. Unabhängig von dem Druck, der jeweils über die Kühlflüssigkeit auf die jeweils benachbarten Batteriezellen ausgeübt wird, können die Kompressionskissen der Abstandsänderung der Batteriezellen folgen und liegen damit an diesen mehr oder weniger komprimiert an. Das jeweilige Kompressionskissen kann in sich geschlossen sein oder aber durchaus porös, sodass die Kühlflüssigkeit auch in das Kompressionskissen eindringen kann. Eigenschaft des Kompressionskissens ist es somit insbesondere, dass es unter Einwirkung der jeweils benachbarten Batteriezellen, bei Anlage an diesen, mehr oder weniger komprimiert wird.
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Die Anordnung der Kühlkanäle kann unterschiedlich sein, mit der Konsequenz, dass insbesondere unterschiedliche Strömungsverläufe der Kühlflüssigkeit im Innenraum des Gehäuses des Batteriemoduls erzeugt werden können, mit unterschiedlicher Kühleffizienz.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, dass die Kühlkanäle, die im Bereich zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen zwischen den Kompressionskissen angeordnet sind, parallel zueinander angeordnet sind, zwecks einachsiger Durchströmung der Kühlflüssigkeit zwischen diesen Batteriezellen.
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Gemäß einer anderen Alternative ist beispielsweise vorgesehen, dass die Kühlkanäle, die im Bereich zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen zwischen den Kompressionskissen angeordnet sind, in mindestens zwei Lagen angeordnet sind, wobei die Kühlkanäle der jeweiligen Lage parallel zueinander angeordnet sind und die Kühlkanäle unterschiedlicher Lagen senkrecht zueinander angeordnet sind, zwecks zweiachsiger Durchströmung der Kühlflüssigkeit zwischen diesen Batteriezellen.
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Als besonders vorteilhaft, insbesondere unter dem Aspekt einer einfachen Herstellung, einfachen Montage und homogenen Anordnung wird es angesehen, wenn die Kompressionskissen zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen über deren Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen. Die Kompressionskissen stellen sich somit insbesondere als Stangen definierter, insbesondere identischer Länge dar, mit rechteckigem Querschnitt. Diese Anordnung kann über parallel liegende Faserbündel oder Faserdeckschichten mit gefüllten oder ungefüllten Verbindungsstegen realisiert werden.
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Eine Alternative sieht beispielsweise vor, dass die Kompressionskissen zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen als Gewebe ausgebildet sind. Das Gewebe kann aus einzelnen Fäden, die durch Fasern gebildet sind, bestehen. Bei dem Gewebe handelt es sich insbesondere um ein gewebtes oder geflochtenes Gewebe. Bei dem gewebten Gewebe kreuzen sich die Fäden rechtwinklig, bei einem geflochtenen Gewebe kreuzen sich die Fäden diagonal. Bei der Ausbildung des Kompressionskissens als Gewebe kann die Kühlflüssigkeit durch Hohlräume, die zwischen den Fäden gebildet sind, strömen. Die Fäden in die eine oder andere Richtung müssen nicht gleich stark ausgeführt werden.
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Die bei der Traktionsbatterie Verwendung findenden Batteriezellen sind vorzugsweise als Flachzellen ausgebildet. Hierbei liegen Hauptflächen der Batteriezellen gegenüber und es kontaktieren die Kompressionskissen diese Hauptflächen. Die Kompressionskissen wirken somit nicht im Bereich von Stirn- und Seitenflächen auf die Flachzellen ein.
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Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich insbesondere um ein dielektrisches Medium. Die Kühlflüssigkeit ist somit elektrisch schwach- oder nichtleitend und überdies nichtmetallisch.
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Vorzugsweise regelt die Einrichtung den Druck der Kühlflüssigkeit kennliniengesteuert. Die Kennlinien werden insbesondere durch Messreihen ermittelt, die aufgrund Messreihen an Batteriezellen im Betrieb, insbesondere beim Auf- und Entladen erfasst sind, insbesondere unter dem Aspekt der Erwärmung der jeweiligen Batteriezelle und deren Ausdehnung.
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen ermöglicht somit den Ausgleich von thermischer und chemischer Kontraktion/Expansion der Batteriezellen. Hierbei ist durchaus eine Schwankung der Dicke der jeweiligen Batteriezelle von 5 bis 10 % möglich. Ferner ist ein fertigungsbedingter Toleranzausgleich aufgrund der Erfindung möglich, auch eine Vibrationsdämpfung. Die Verwendung eines Dielektrikums für die Kühlflüssigkeit verhindert einen schnellen Flammenübergriff zwischen den Batteriezellen im Schadensfall.
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Die Erfindung schlägt somit eine Traktionsbatterie vor, mit direkter Kühlung der Batteriezellen durch Wärmeleitung zwischen den Batteriezellen, in Verbindung mit einer hydrodynamischen Bedruckung der Batteriezellen im Gehäuse des Batteriemoduls.
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Die Lagerung der Batteriezellen erfolgt insbesondere derart, dass die Positionierung der Batteriezellen in mindestens zwei Raumrichtungen mechanisch erfolgt. Die Positionierung in der dritte Raumrichtung kann dann mechanisch und über die hydrodynamische Bedruckung erfolgen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
- 1 in stark vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie, gemäß der Linie I-I in 2,
- 2 einen Schnitt durch das Batteriemodul gemäß der Linie II-II in 1,
- 3 für einen Teilbereich zweier benachbarter Batteriezellen des Batteriemoduls eine einachsige Durchströmung der Kühlflüssigkeit zwischen diesen Batteriezellen,
- 4 für einen Teilbereich zweier benachbarter Batteriezellen des Batteriemoduls eine zweiachsige Durchströmung der Kühlflüssigkeit zwischen diesen Batteriezellen,
- 5 für einen Teilbereich zweier benachbarter Batteriezellen des Batteriemoduls eine Durchströmung der Kühlflüssigkeit zwischen diesen Batteriezellen im Bereich eines zwischen diesen Batteriezellen angeordneten Gewebes.
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Figurenbeschreibung
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Eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, beispielsweise für einen Personenkraftwagen, weist eine Vielzahl von Batteriemodulen auf. Ein solches Batteriemodul 1 ist in den 1 und 2 stark vereinfacht dargestellt. Das jeweilige Batteriemodul 1 weist ein Gehäuse 2, mehrere, konkret sechs im Gehäuse 2 angeordnete und mechanisch gelagerte Batteriezellen 3 und einen Kühlkreislauf 4 zum Kühlen der Batteriezellen 3 mittels Kühlflüssigkeit 5 auf.
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Die Kühlflüssigkeit 5 wird über einen Einlass 6 des Gehäuses 2 in das Gehäuse 2 eingeleitet und über einen Auslass 7 des Gehäuses 2 aus dem Gehäuse 2 ausgeleitet. Hierbei kontaktiert die Kühlflüssigkeit 5 die Batteriezellen 3 und strömt an diesen entlang. Die Kühlflüssigkeit 5 kontaktiert somit die Batteriezellen 3 direkt. Über eine Einrichtung 8 ist der Druck der Kühlflüssigkeit 5 in dem Gehäuse 2 zwecks hydrodynamischer Bedruckung der Batteriezellen 3 im Gehäuse 2 veränderbar. Der Innenraum 9 des Gehäuses 2 ist vollständig mit Kühlflüssigkeit geflutet. Hierbei handelt es sich um ein dielektrisches Medium.
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Jeweils benachbarte Batteriezellen 3 sind in Abstand zueinander angeordnet. Zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 3 strömt die Kühlflüssigkeit gemäß dem Kühlkreislauf 4 vom Einlass 6 durch den Innenraum 9 des Gehäuses 2 zum Auslass 7 und wird entsprechend dem Kühlkreislauf 4 über einen externen Kühler zum Kühlen der Kühlflüssigkeit 5 wieder dem Einlass 6 zugeführt. Der Druck der Kühlflüssigkeit 5 ist mittels der Einrichtung 8 veränderbar. Es lassen sich somit über die Kühlflüssigkeit 5, die unmittelbar die Batteriezellen 3 kontaktiert, die Batteriezellen 3 mit hohem Wirkungsgrad kühlen. Veränderliche geometrische Abmessungen der Batteriezellen 3 im Betrieb der Traktionsbatterie können über den mittels der Einrichtung 8 regelbaren Druck im Innenraum 9 des Gehäuses 2 ausgeglichen werden. Die Einrichtung 8 regelt den Druck der Kühlflüssigkeit 5 kennl iniengesteuert.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 3 ausschließlich Kühlflüssigkeit 5 vorhanden ist. Alternativ und bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 3 Kompressionskissen 10 angeordnet sind. Diese sind elastisch. Zwischen den Kompressionskissen 10 sind Kühlkanäle 11 zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit 5 gebildet.
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Unterschiedliche Ausführungsformen des Batteriemoduls 1 sind in den 3, 4 und 5 veranschaulicht. Sie zeigen jeweils zwei benachbarte Batteriezellen 3 für deren Bereich benachbarter Batteriezellenwandungen 12, die parallel zueinander angeordnet sind und sich in der x-z-Ebene gemäß der Darstellung in 1 erstrecken.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 3 sind die Kühlkanäle 11, die im Bereich zwischen den Batteriezellenwandungen 12 angeordnet sind, zwischen den Kompressionskissen 10 angeordnet und erstrecken sich parallel zueinander, zwecks einachsiger Durchströmung der Kühlflüssigkeit 5 zwischen diesen Batteriezellen 3. Die Durchströmungsrichtung -z ist mit den Pfeilen 13 veranschaulicht. Die Kompressionskissen 10 weisen über deren Länge einen identischen Querschnitt auf. Die Kompressionskissen 10 und die Batteriezellenwandungen 12 sind nur über einen Teilbereich, bezogen auf die Länge und Breite der jeweiligen Batteriezelle 3 dargestellt.
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Das jeweilige Kompressionskissen 10 kann durchaus aus einem porösen Material bestehen, sodass Kühlflüssigkeit 5 das Kompressionskissen 10 durchsetzen kann. Das jeweilige Kompressionskissen 10 liegt unter Vorspannung an den Batteriezellenwandungen 12 an und kann somit Dickenänderungen der jeweiligen Batteriezelle 3 in y- und/oder -y-Richtung im Betrieb der Traktionsbatterie beim Aufladen und Entladen folgen bzw. Toleranzen der Batteriezellen 3 ausgleichen.
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Das Ausführungsbeispiel nach der 4 unterscheidet sich von demjenigen nach der 3 dadurch, dass die Kühlkanäle 11, die im Bereich zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 3 zwischen den Kompressionskissen 10 angeordnet sind, in mindestens zwei Lagen 14, 15 angeordnet sind. Die Kühlkanäle 11 der jeweiligen Lage 14 bzw. 15 sind parallel zueinander angeordnet. Die Kühlkanäle 11 unterschiedlicher Lagen 14, 15 sind senkrecht zueinander angeordnet, zwecks zweiachsiger Durchströmung der Kühlflüssigkeit 5 zwischen diesen Batteriezellen 3. Die Durchströmungsrichtungen sind mit dem Pfeil 16 in -z-Richtung und mit dem Pfeil 17 in x-Richtung veranschaulicht.
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Das Ausführungsbeispiel nach der 5 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach den 3 und 4 dadurch, dass zwischen den Wandungen 12 der benachbarten Batteriezellen 3 ein Kompressionskissen 10 angeordnet ist, das als Gewebe ausgebildet ist. Dieses Kompressionskissen 10 weist Kettfäden 18 und Schussfäden 19 auf, wobei die Kettfäden 18 senkrecht zu den Schussfäden 19 angeordnet sind, und dieses Gewebe somit ein turbulentes Strömen der Kühlflüssigkeit 5 zwischen den Batteriezellenwandungen 12 benachbarter Batteriezellen 3 ermöglicht. Die wesentliche Durchströmungsrichtung erfolgt gemäß Pfeil 20 in -x-Richtung.
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Die Batteriezellen 3 sind als Flachzellen ausgebildet. Die Batteriezellenwandungen 12 stellen die Hauptflächen der Batteriezellen 3 dar und es kontaktieren das bzw. die Kompressionskissen 10 die Batteriezellen 3 im Bereich der Hauptflächen.
