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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem mit Rückströmverhinderung bei thermischer Modulpropagation. Bei dem Batteriesystem kann es sich insbesondere um ein Flüssigkeits-direktgekühltes Batteriesystem einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handeln.
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Für aktuelle Fahrzeugentwicklungen wird angestrebt Batteriemodule direkt, also ohne ein zusätzliches Batteriegehäuse, in das Fahrzeug zu integrieren. Um eine Kühlung der sich in einem Batteriemodul befindenden Zellen breitzustellen, kann beispielsweise eine direkte Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden, wobei als Kühlmedium meistens ein Öl verwendet wird. Dabei werden die Zellen im Modul direkt mit dem Kühlmedium umströmt, d.h. das Kühlmedium fließt über einen Einlass ins Modul hinein und über einen Auslass aus dem Modul wie der heraus. So wie die einzelnen Batteriemodule im Fahrzeug mittels Stromschienen untereinander elektrisch verschaltet sind, sind sie ebenfalls kühlungstechnisch mittels Schläuchen/Leitungen miteinander verbunden, um einen Kühlkreislauf auszubilden.
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Im Falle eines thermischen Durchgehens (engl: thermal runaway) einer Zelle innerhalb eines Batteriemoduls entweicht schlagartig Gas aus der Zelle, welches dafür sorgt, dass das Kühlmedium (meistens Öl) verdrängt wird. Um ein Bersten des Batteriemodulgehäuses zu verhindern, werden Sicherheitsventile (z.B. Berstscheiben) an den Modulgehäusen angebracht, die bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks aufreißen und das Öl-/Gasgemisch kontrolliert ablassen.
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Da jedoch alle Module über ihre Ein- und Auslässe mittels einer Kühlleitung miteinander verbunden sind, kann es jedoch passieren, dass ein thermisch propagierendes Modul (also das vom thermischen Durchgehen betroffene Batteriemodul) das überhitzte Öl-/Gasgemisch in ein anderes, üblicherweise benachbartes Modul verdrängt. Dadurch kann es zu einem unerwünschten „Anstecken“ von weiteren Batteriemodulen kommen, also einem Kontaminieren von anderen Batteriemodulen mit dem überhitzten Öl-/Gasgemisch.
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Aus Druckschrift
DE 10 2017 116 981 A1 ist eine Temperiervorrichtung für eine Temperierung eines Batteriesystems bekannt, das mindestens eine Batteriezelle umfasst. Bei dem Dazugehörigen Batteriesystem sind mehrere Temperierabschnitte definiert, wobei jeder dieser Abschnitte einen Zulauf und einen Ablauf aufweist. Am Ablauf ist jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen, um bei Bedarf die Strömungsrichtung des Kühlmittels umzudrehen. Dadurch sperren die Rückschlagventile und das Kühlmittel kann dann zu dem vom Brand betroffenen Temperierabschnitt geführt werden und dort über eine durch den Schadensfall entstandene Leckagestelle entweichen.
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Druckschrift
DE 10 2015 212 334 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle eines Fahrzeugs, wobei die mindestens eine Batteriezelle in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Vorrichtung mindestens einen gehäuseinternen Abschnitt eines Kühlmittelkreislaufs und mindestens einen gehäuseexternen Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs umfasst, wobei der gehäuseinterne Abschnitt fluidtechnisch mit dem gehäuseexternen Abschnitt verbindbar ist, wobei der gehäuseinterne Abschnitt mit dem gehäuseexternen Abschnitt über mindestens ein Mittel zur Sperrung des Fluiddurchflusses verbindbar ist.
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Ferner offenbart Druckschrift
DE 10 2017 116 981 A1 eine Temperiervorrichtung für eine Temperierung eines Batteriesystems mit zumindest einem Batterieteilsystem, die Temperiervorrichtung aufweisend eine Temperierleitung zum Leiten eines Temperierfluids und eine Pumpvorrichtung zum Erzeugen einer Strömung des Temperierfluids in der Temperierleitung zumindest in einer ersten Strömungsrichtung, wobei die Temperierleitung zumindest einen mit dem zumindest einen Batterieteilsystem thermisch leitend verbindbaren Temperierabschnitt zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Wärmeenergie zu dem oder von dem Batterieteilsystem aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, das das vorgenannte Problem der Kontamination von anderen Batteriemodulen mit dem überhitzten Öl-/Gasgemisch zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird mittels der Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Flüssigkeitskühlung bereitgestellt, wobei es sich bei dem Batteriesystem und ein Flüssigkeits-direktgekühltes Batteriesystem handeln kann bzw. das Batteriesystem Flüssigkeitsdirektgekühlte Batteriemodule aufweisen kann. Das Batteriesystem weist ein erstes Batteriemodul und mindestens ein zweites Batteriemodul auf, wobei jedes der Batteriemodule einen Zulauf und einen Ablauf für ein Kühlmedium aufweist, wobei sowohl am Zulauf als auch am Ablauf jedes der Batteriemodule ein Rückschlagventil angeordnet ist. Das Batteriesystem weist ferner ein Leitungssystem, mittels welchem die Batteriemodule so miteinander verbunden sind, dass ein Kühlmediumkreislauf gebildet wird, und ein Überdruckventil auf, welches an dem Leitungssystem angeordnet ist.
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Durch das Vorsehen der Rückschlagventile sowohl am Zulauf als auch am Ablauf jedes Batteriemoduls kann gewährleistet werden, dass das Kühlmedium (Kühlfluid, meistens Öl) stets entlang einer vorbestimmten Richtung, insbesondere vom Zulauf zum Ablauf, durch jedes der Batteriemodule strömt. Im Falle, dass eines der Batteriemodule thermisch durchgeht, also von eine thermischen Schaden betroffen ist, kann das aus diesem Batteriemodul herausströmende überhitzte Öl-/Gasgemisch durch das Rückschlagventil am Ablauf und über das Leitungssystem und insbesondere an den anderen Batteriemodulen vorbei zu dem Überdruckventil geführt werden und über dieses entweichen.
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Die Rückschlagventile an allen anderen Abläufen der anderen Batteriemodule gewährleisten im Zusammenspiel mit dem zentralen Überdruckventil, dass das überhitzte Öl-/Gasgemisch, während es vom Ablauf des thermisch propagierenden Batteriemoduls zum Überdruckventil strömt, über die Abläufe der anderen Batteriemodule nicht in diese gelangen bzw. hineingedrückt werden kann. Aus Sicht des überhitzten Öl-/Gasgemisches sind die an den Abläufen der anderen Batteriemodule angeordneten Rückschlagventile gesperrt, so dass ein sozusagen geordnetes Strömen des überhitzten Öl-/Gasgemisches zum Überdruckventil herbeigeführt werden kann. Das Überdruckventil sorgt außerdem dafür, dass das überhitzte Öl-/Gasgemisch nicht über den Einlasspfad in die anderen (nicht vom thermischen Schaden betroffenen) Batteriemodule gelangen kann. Hier verhindert das Rückschlagventil am Zulauf ein Rückströmen des Öl-/Gasgemisches vom thermisch propagierenden Batteriemodul in die anderen Batteriemodule.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems können die die Durchlassrichtungen der in einem Batteriemodul eingebauten Rückschlagventile gleich ausgerichtet sein. Das Bedeutet, dass eine Strömung des Kühlmediums durch ein Batteriemodul nur in einer Richtung möglich ist und insbesondere vom Zulauf zum Ablauf erfolgen kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann dieses eine Kühlmediumpumpe aufweisen, welche eingerichtet ist, das Kühlmedium durch den Kühlmediumkreislauf zu zirkulieren. Mittels der Kühlmediumpumpe kann im Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems eine Zirkulation des Kühlmediums durch die Batteriemodule aufrechterhalten werden. Selbstverständlich können weitere kühlmitteltechnische Vorrichtungen, etwa ein Wärmetauscher, vorgesehen sein, so dass das erfindungsgemäße Batteriesystem über eine vollwertige Temperiereinrichtung verfügt. Mittels des Temperiersystems kann die Temperatur des Batterieteilsystems, insbesondere die Temperatur der vom Kühlmedium durchströmten Batteriemodule, kontrolliert verändert werden. Dadurch kann primär ein Überhitzen, jedoch auch ein Unterkühlen des Batterieteilsystems vermieden werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems können die Batteriemodule fluidmechanisch parallel miteinander verschaltet sein. Dazu kann beispielsweise der Zulauf jedes der Batteriemodule mit einem Ausgang der Kühlmediumpumpe fluidmechanisch gekoppelt sein und, in gleicher Weise, kann der Ablauf jedes der Batteriemodule mit dem Eingang der Kühlmediumpumpe fluidmechanisch gekoppelt sein. Anders ausgerückt können die Batteriemodule alle miteinander als thermische Widerstände parallel geschaltet sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems können die Rückschlagventile als passive Bauelemente ausgeführt sein. Die Rückschlagventile können hierbei üblichen, aus dem Stand der Technik bekannten Rückschlagventilen entsprechen und beispielsweise als federbelastete Rückschlagventile ausgebildet sein. Die Verwendung passiver Rückschlagventile kann den Vorteil haben, dass das Temperiersystem unabhängig von externen Triggern und einer Energieversorgung ist und daher für eine Eigensicherheit sorgt.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems können die Rückschlagventile als aktive Bauelemente ausgeführt sein, so dass sie aktiv über einen externen Trigger mittels eines Ansteuersignals angesteuert bzw. aktiviert werden. Hierzu kann das Batteriesystem ferner Sensorvorrichtungen aufweisen, wovon jeweils eine jedem Batteriemodul zugeordnet ist und eingerichtet ist, eine Temperatur und/oder einen Druck innerhalb des Batteriemoduls zu bestimmen, um ein thermisch durchgehendes Batteriemodul zu detektieren. Des Weiteren kann das Batteriesystem ferner eine Steuervorrichtung aufweisen, welche mit den Sensorvorrichtungen und den Rückschlagventilen gekoppelt ist und eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem jeweils von den Sensorvorrichtungen bereitgestellten Signal die Rückschlagventile anzusteuern.
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Ein thermisch durchgehendes Batteriemodul kann erkannt werden durch Detektieren einer über einem Schwellenwert liegenden Temperatur des Kühlmediums in dem Batteriemodul, z.B. an dessen Ablauf, oder durch Detektion einer Druckänderung des Kühlmediums. Eine Druckerhöhung des Kühlmediums kann durch ein Verdampfen des Kühlmediums in dem thermisch durchgehenden Batteriemodul oder sogar durch ein Feuers herbeigeführt werden. Alternativ kann es zu einem Druckabfall durch einen Austritt des Kühlmediums durch eine Leckstelle kommen, die durch eine starke thermische Expansion des Kühlmediums verursacht werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, das jeweils am Ablauf der ordnungsgemäß funktionierenden Batteriemodule angeordnete Rückschlagventil zu sperren bzw. zu aktivieren, wenn ein thermisch durchgehendes Batteriemodul detektiert wird. Wie bereits erwähnt kann so verhindert werden, dass das überhitzte Öl-/Gasgemisch des thermisch propagierenden Batteriemoduls über die Abläufe der anderen Batteriemodule in diese gelangt bzw. in diese hineingedrückt wird. Zusätzlich kann das am Zulauf des thermisch propagierenden Batteriemoduls angeordnete Rückschlagventil gesperrt bzw. aktiviert werden, so dass das überhitzte Öl-/Gasgemisch nicht entgegen der Soll-Strömungsrichtung des Kühlmediums „rückwärts“ aus dem betroffenen Batteriemodul herausfließt und über die Zuläufe der anderen Batteriemodule in diese einströmen kann.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Batteriesystems 1 gezeigt, welches im gezeigten Beispiel insgesamt Batteriemodule 2 aufweist - ein erstes Batteriemodul 21, ein zweites Batteriemodul 22, ein drittes Batteriemodul 23 und ein viertes Batteriemodul 24. Jedes der Batteriemodule 2 weist einen Zulauf und einen Ablauf für das Kühlmedium auf, wobei an jedem Zulauf ein eingangsseitiges Rückschlagventil 211-241 und an jedem Ablauf ein ausgangsseitiges Rückschlagventil 212-242 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind die Rückschlagventile 211-241, 212-242 passiv ausgeführt. Die Batteriemodule 2 sind mittels eines Leitungssystems 3 so miteinander verbunden, dass ein Kühlmediumkreislauf gebildet wird. Ferner ist ein Überdruckventil 4 am Kühlmediumkreislauf vorgesehen, welches an dem Leitungssystem 3 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel weist das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 eine Kühlmediumpumpe 5 auf, welche eingerichtet ist, das Kühlmedium zu den Eingängen der Batteriezellen 2 und durch diese hindurch zu befördern.
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In 1 ist ein Szenario veranschaulicht, bei dem sich das zweite Batteriemodul 22 in thermischer Propagation befindet, also von einer Überhitzung betroffen ist aufgrund einer in den Batteriemodulen 21-24 stattfindenden exothermen Reaktion. Die an den Abläufen der anderen Batteriemodule 21, 23, 24 vorgesehenen Rückschlagventile 212, 232, 244 verhindern, dass das überhitzte Öl-/Gasgemisch von dem zweiten Batteriemodul 22 in die anderen Batteriemodule 21, 23, 24 verdrängt wird. Das Rückschlagventil 222 am Ablauf des zweiten Batteriemoduls 22 lässt ein Herausströmen des überhitzten Kühlmediums zu, welches dann über das Überdruckventil 4 entweichen kann. Das Überdruckventil 4 sorgt außerdem dafür, dass das überhitzte Kühlmedium nicht über den Einlasspfad (also über die entsprechenden Zuläufe) in die anderen Batteriemodule 21, 23, 24 gelangen kann. Das Rückschlagventil 221 am Zulauf des zweiten Batteriemoduls 22 verhindert ein Rückströmen des überhitzten Kühlmediums vom thermisch propagierenden Batteriemodul 22 in die anderen Batteriemodule 21, 23, 24.
