DE102021204659A1

DE102021204659A1 - Hochvolt-Batteriesystem

Info

Publication number: DE102021204659A1
Application number: DE102021204659.2A
Authority: DE
Inventors: Tim Dagger; Paul Meister; Christoph Bolli; Chenjuan Liu; Xin Qi
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen (5), in deren Zellgehäusen sich jeweils Aktivmaterial mit Elektrolytflüssigkeit befindet. Erfindungsgemäß weist das Hochvolt-Batteriesystem (1) einen Elektrolyt-Kreislauf (E) auf, in dem die Batteriezellen (5) strömungstechnisch eingebunden sind, so dass mittels einer Unterdruckquelle und/oder einer Überdruckquelle (7; 15, 19) eine Elektrolyt-Strömung zwischen Batteriezellen (5) ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In den Zellgehäusen der Batteriezellen eines gattungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems befinden sich jeweils Aktivmaterial, bestehend aus übereinandergeschichteten Lagen aus einer Kathode, einer Anode sowie einem Separator, und einer Elektrolytflüssigkeit. Die Elektrolytflüssigkeit gewährleistet den Ionen-Transport zwischen den Elektroden des Aktivmaterials.
Eine herkömmliche Batteriezelle wird während des Herstellungsprozesses mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt. Da die Batteriezelle ein geschlossenes System darstellt, verbleibt die Elektrolytflüssigkeit über die gesamte Batteriezellen-Lebensdauer im Zellgehäuse. Die Batteriezelle ist während der Lade-/Entladevorgänge den folgenden Abbauprozessen unterworfen. So zersetzen sich Elektrolyt-Komponenten während der Betriebsdauer. Dadurch erhöht sich die Viskosität der Elektrolytflüssigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der noch fließfähigen Elektrolytflüssigkeit (dry out), was mit Leistungseinbußen in der Lithium-Ionen-Batteriezelle einhergeht. Durch diesen Austrocknungs-Effekt bleibt zwar das Aktivmaterial funktionsfähig, jedoch reduziert sich die Batteriezellen-Kapazität rapide. Zudem kommt es während des Batteriezellen-Betriebs aufgrund der Zersetzung des Elektrolyts zu einem Ausgasen (gassing). Ferner ist die Elektrolytflüssigkeit einem Alterungsprozess unterworfen, und zwar aufgrund der über die Batteriezellen-Lebensdauer erfolgenden Zersetzung von Elektrolytkomponenten. Dies reduziert die Lagerbeständigkeit sowie verfügbare Lebensdauer der Batterie.
Im Stand der Technik wird der Elektrolyt-Abbauprozesses durch folgende Maßnahmen gehemmt: So kann zur Reduzierung des Elektrolyt-Abbauprozesses die Zusammensetzung der Elektrolytflüssigkeit entsprechend angepasst werden. Zudem kann die Elektroden-Oberfläche einer speziellen Oberflächen-Behandlung unterworfen werden. Ferner können die Betriebsbedingungen angepasst werden, zum Beispiel eine reduzierte Grenzspannung (cut-off voltage) verwendet werden. Zudem kann beim Füllvorgang ein Überschuss an Elektrolytflüssigkeit in die Batteriezelle gegeben werden. Gleiches trifft auch für den Ausgas-Prozess und den Alterungs-Prozess zu.
Aus der US 2020/0189401 A1 ist eine Elektrolyt-Station sowie ein Elektrolyt-Leistungsmanagement-System bekannt. Aus der US 2018/0342753 A1 ist ein Elektrolytlösungs-Tank für ein Batteriesystem bekannt. Aus der US 2018/0102577 A1 ist eine Metall-Luft-Batterie für ein Fahrzeug bekannt.
Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Hemmung des Abbauprozesses der Elektrolytflüssigkeit gehen mit einer fertigungstechnisch aufwändigen sowie kostspieligen Anpassung der Elektrolyt-Zusammensetzung sowie mit einer Reduzierung der Energiedichte in der Batteriezelle einher.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen bereitzustellen, in denen im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise Betriebsdauer der Zellen erhöht und Leistungseinbußen gemindert werden können.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen aus. In deren Zellengehäusen befindet sich jeweils Aktivmaterial mit Elektrolytflüssigkeit. Zur Erhöhung der Betriebsdauer sowie zur Reduzierung der Leistungseinbußen der Batteriezellen weist das Hochvolt-Batteriesystem einen Elektrolyt-Kreislauf auf, in dem die Batteriezellen strömungstechnisch eingebunden sind. Auf diese Weise kann mittels einer Unterdruckquelle und/oder einer Überdruckquelle eine Elektrolyt-Strömung zwischen den Batteriezellen bereitgestellt werden. Dadurch können je nach Ansteuerung des Elektrolyt-Kreislaufes mittels eines Steuergeräts (zum Beispiel Batteriemanagementsystem) ein Umwälzvorgang, ein Entleervorgang und/oder ein Füllvorgang realisiert werden. Beim Umwälzvorgang wird die Elektrolytflüssigkeit im Elektrolyt-Kreislauf umgewälzt, wodurch die Betriebsdauer der Zellen erhöht und Leistungseinbußen gemindert werden können. In diesem Fall kann zum Beispiel die Konzentration von Elektrolyt-Abbauprodukten in einer Batteriezelle, in der potentiell ein Abbauprodukte-Überschuss vorliegt, mit noch frischerem Elektrolyt aus anderen Batteriezellen verdünnt werden, in denen eine vergleichsweise geringere Elektrolyt-Konzentration vorliegt.
Alternativ und/oder zusätzlich wird im Entleervorgang Alt-Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrolyt-Kreislauf abgelassen. Gleichzeitig oder zeitversetzt dazu wird im Füllvorgang Neu-Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyt-Kreislauf eingespeist.
Gegebenenfalls kann es in den Zellgehäusen zu einem Abbauprozess in der Elektrolytflüssigkeit kommen. Ein solcher Abbauprozess führt langfristig zu einer Austrocknung. Durch Elektrolyt-Zugabe und/oder Elektrolyt-Austausch kann eine solche Austrocknung verhindert werden.
Ein Kern der Erfindung besteht also darin, dass die Elektrolytflüssigkeit in einem Elektrolyt-Kreislauf mittels zumindest einer Pumpe durch das Zellsystem gefördert wird. Von Zeit zu Zeit kann dem System neuer Elektrolyt aus einem Tank/Reservoir zugeführt werden, der Nachfüllelektrolyt enthält. Dies hilft, dem „Austrocknen“ der Zellen entgegenzuwirken. Der Tank kann mit frischem Nachfüllelektrolyt von außerhalb der Batterieanwendung aufgefüllt werden. Ein zweiter Tank kann alten Elektrolyt speichern.
Die Pumpe wird vom Tank versorgt und kann bei Bedarf automatisch Elektrolyt durch das System pumpen (Bestimmung über Batteriemanagementsystem). Durch die Verwendung von Tanks kann die Zeit zwischen (Tank-)Nachfüllungen (von außen) verlängert werden. Eventuell kann sogar ein Nachfüllen von außen vermieden werden, wenn die Tanks groß genug sind.
Gealterter Elektrolyt kann durch frischen Elektrolyt ersetzt werden. Der Frischelektrolyt kann eine spezielle Zusammensetzung aufweisen, aber auch eine konventionelle Zusammensetzung aufweisen.
Im Gegensatz zum anfänglichen (komplexen) Elektrolyt, der die Bildung von Elektrolyt/Elektroden-Grenzflächen/Interphasen begünstigen und deshalb eine bestimmte Menge und Anzahl von Additiven enthalten muss, kann der Nachfüllelektrolyt davon unterschiedliche Zwecke erfüllen.
Der Nachfüllelektrolyt kann auch dazu dienen, gealterte Zellen zu reaktivieren, indem er zum Beispiel eine niedrigere Viskosität aufweist. Daher kann der Nachfüllelektrolyt eine andere Zusammensetzung haben als der Ausgangselektrolyt. Gegebenenfalls kann der Nachfüllelektrolyt (im Vergleich zum Anfangs-Elektrolyt) nur eine geringe Menge an Additiven enthalten und eine niedrigere Viskosität aufweisen.
Der Nachfüllelektrolyt kann durch den (teilweisen) Ersatz des Anfangs-Elektrolyten (der bestimmte filmbildende Additive enthält) zur Verlängerung der Zyklenlebensdauer der Zelle beitragen. Der Nachfüllelektrolyt kann daher HF-verringernde Additive enthalten. Der Nachfüllelektrolyt kann ferner dazu beitragen, die Zyklenlebensdauer der Zelle zu verlängern, indem er zersetzten Elektrolyt ersetzt und damit die (teilweise) getrocknete Zelle wieder befeuchtet. Vor diesem Hintergrund kann der Nachfüllelektrolyt eine Komponente sein, die als „After Sales“ verkauft werden kann.
Der Elektrolyt-Austausch kann auf mehrere Arten erfolgen: So kann der Anfangselektrolyt entweder teilweise ersetzt werden durch Verdünnen mit Nachfüllelektrolyt, durch Ausspülen und Nachfüllen, oder durch Absaugen und Nachfüllen. Zudem kann ein Entlüftungsventil kann an das System angeschlossen sein, um (produziertes) Gas abzulassen.
Die Befüllung des Tanks muss luftdicht, das heißt ohne Luftkontakt mit dem Elektrolyten erfolgen. Dieser Vorgang kann von einem Kunden und/oder einem Servicemitarbeiter an einer Elektrolytbefüllstation oder einer Werkstatt durchgeführt werden.
Die Pumpe kann an beliebiger Stelle im System platziert werden. Wenn sie hinter dem Tank platziert wird, kann sie das System mit dem vom Tank bereitgestellten Nachfüllelektrolyt auffüllen. Um das System vom Elektrolyt zu entleeren, kann Vakuum angelegt werden. Auch beim Austausch des Elektrolyten kann durch Anlegen von Vakuum Gas entfernt werden.
Bei der obigen Absaugoption ergeben sich folgende weitere Vorteile: Sofern die Zellen gelagert werden sollen, das heißt vor einer Second-Life-Anwendung, kann der Elektrolyt durch Anlegen von Vakuum aus den Zellen abgesaugt werden. Bei Zellen ohne Elektrolyt wird der Alterungsprozess gehemmt.
In einer weiteren Ausführungsvariante besteht das System aus zwei unabhängigen Rohrsystemen, nämlich einem für neu einzufüllenden Elektrolyt und einem für alten/gealterten Elektrolyt, der entfernt werden soll. Bei beiden Rohrsystemen kann der Anschluss an die Zelle ein Ventil enthalten. Mittels der Ventile kann der Elektrolyt nur in ausgewählten Zellen (zum Beispiel solchen mit schlechter Leistung) ersetzt werden. Die Systeme können mit einem Tank und/oder Altelektrolyt-Behälter verbunden sein, um sie während des Batteriebetriebs zu nutzen - Alternativ kann der Elektrolyt-Kreislauf nur während der Wartung in einer Werkstatt an diese angeschlossen zu werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das System im (geodätisch) oberen Teil mit einem Tank verbunden sein, der frischen Elektrolyt enthält und im (geodätisch) unteren Teil mit einem Tank verbunden sein, der als Senke für den alten Elektrolyt dient. Bei einem solchen Aufbau kann die Schwerkraft den Elektrolytaustausch des Elektrolyten in den Zellen unterstützen. Bei beiden Rohrsystemen kann der Anschluss an die Zelle ein Ventil enthalten. Die Ventile würden es ermöglichen, den Elektrolyt nur in ausgewählten Zellen (zum Beispiel solchen mit schlechter Leistung) zu ersetzen.
Eine luftdichte Elektrolytbefüllung kann zum Beispiel erreicht werden durch Ein- und Auslassanschlüsse, die evakuiert und mit einem Inertgas gespült werden können, oder durch eine gasdichte Elektrolytinjektion.
Dem Elektrolyt-Kreislauf können unterschiedliche Tanksysteme zugeordnet sein: So kann das Tanksystem ein Reservoir für frischen Elektrolyt aufweisen, das mit dem Rohrsystem verbunden ist und an einer beliebigen Stelle außerhalb des Batteriesystems platziert ist, jedoch innerhalb der Anwendung, die das Energiespeichersystem nutzt (zum Beispiel ein Fahrzeug). Alternativ kann das Tanksystem ein Reservoir für frischen Elektrolyt aufweisen, das mit dem Rohrsystem verbunden ist, aber an einer beliebigen Stelle innerhalb des Batteriesystems und innerhalb der Anwendung platziert wird.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für einen Cell to pack oder Cell to car Ansatz. Vorzugsweise haben die Zellen ein Volumen von 300 cm³ bis zu 2000 cm³. Dadurch wird die Zellanzahl reduziert und somit auch die Anzahl an benötigten Röhren. Die Größe des Batteriesystems kann beispielhaft zwischen 40 kWh und 150 kWh liegen. Die Menge an Elektrolyt im Elektrolyt-Kreislauf kann beispielhaft zwischen 20 kg und 180 kg liegen.
Der Eingang und Ausgang (oder Einlass und Auslass) der Zelle kann sich jeweils auf gegenüberliegenden Zell-Seiten befinden. Bevorzugt befindet sich der Einlass auf der oberen Seite der Zelle und der Auslass auf der unteren Seite der Zelle (oben und unten stehen für die räumliche Ausrichtung im Fahrzeug). Durch diese Ausführung unterstützt die Schwerkraft den Austausch des Elektrolyten, so dass kein beziehungsweise nur ein geringer Druck für den Elektrolytaustausch eingebracht werden muss. Einlass und Auslass können über Ventile verfügen, die dafür sorgen, dass sich die Zellen zeitgleich oder zeitlich unabhängig für einen Entleervorgang und für einen Füllvorgang strömungstechnisch verbinden lassen.
Der Strömungsquerschnitt am Eingang kann kleiner bemessen sein als der Strömungsquerschnitt am Ausgang. Die Ein- und Ausgänge sind dadurch gekennzeichnet, dass sie bevorzugt unidirektional den Elektrolytfluss in die Zelle hinein oder hinaus gewährleisten können. Zudem kann der Eingang so ausgelegt sein, dass der einfließende Elektrolyt einen schnellen Zugang zum Elektroden/Separator-Verbund erhält.
Das Röhrensystem des Elektrolyt-Kreislaufes kann überwiegend aus Metall bestehen, vorzugsweise Edelstahl oder Aluminium. Verbindungsrohre können die Zellreihen verbinden. Über Verbindungsrohre kann ferner das gesamte System miteinander verbunden sein.
Alle Zellen können baugleich sein (mindert Teilezahl). Die Zellen können eine Kapazität zwischen 50 Ah und 250 Ah aufweisen. Die Zellen sind als Li-Ionen Zellen realisiert, die auch metallisches Lithium als Anode enthalten können.
Das Batteriesystem des Fahrzeugs kann ferner eine geeignete Sensorik aufweisen, die eine Alterung des Elektrolyten erkennt. Dies kann durch Sensoren innerhalb der Zelle (zum Beispiel pH Sensoren, Referenzelektroden) oder Sensoren innerhalb des Batteriemanagementsystems (Messung der noch vorhandenen Zellkapazitäten (State of Health (SoH) oder des Innenwiderstandes) geschehen. Sofern die Sensoren eine Alterung des Elektrolyten erfassen, kann durch ein Ablauf-System des Elektrolyt-Kreislaufs der alte Elektrolyt entfernt werden (mittels Unterdruck oder Schwerkraft). Durch das Zulauf-System kann zeitgleich oder zeitlich versetzt neuer Elektrolyt hinzugefügt werden, etwa mittels Überdruck, der mittels einer Pumpe auf dem Weg vom Tank in die Zellen aufgebaut wird.
Das Hinzufügen des neuen Elektrolyten und Entfernen des gealterten Elektrolyten erfolgt über einen Einlass und einen Auslass. Diese können zum Beispiel in einer Werkstatt oder dergleichen mit geeigneten Befüll- und Absaugsystemen verbunden werden. Die Verbindung des Einlass oder Auslass mit dem Befüll/Absaugsystem kann durch gasdichte Kupplungssysteme erfolgen.
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen beschrieben: So kann in einer technischen Umsetzung dem Elektrolyt-Kreislauf ein Reservoir für Neu-Elektrolytflüssigkeit sowie ein Reservoir für Alt-Elektrolytflüssigkeit zugeordnet sein. Die Batteriezellen können beispielhaft in einer Parallelschaltung und/oder in einer Reihenschaltung im Elektrolyt-Kreislauf integriert sein. Dabei kann jede Batteriezelle zumindest einen Flüssigkeits-Anschluss aufweisen, mit dem die Batteriezelle an den Elektrolyt-Kreislauf angebunden werden kann.
Bevorzugt kann jede der Batteriezellen einen Einlass-Anschluss und einen Auslass-Anschluss aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Elektrolyt-Kreislauf aufgeteilt sein in ein Zulauf-Leitungssystem und in ein Ablauf-Leitungssystem. Die Einlass-Anschlüsse der Batteriezellen können am Zulauf-Leitungssystem angeschlossen sein, während die Auslass-Anschlüsse der Batteriezellen am Ablauf-Leitungssystem angeschlossen sein können. Dem Einlass-Anschluss und/oder dem Auslass-Anschluss der jeweiligen Batteriezelle kann ein von einem elektronischen Steuergerät ansteuerbares Sperrventil zugeordnet sein. Das Steuergerät kann sensorisch und/oder anhand eines Algorithmus einen Füll-/Entleerbedarf ermitteln. Je nach Füll-/Entleerbedarf können die im Elektrolyt-Kreislauf eingebundenen Komponenten, das heißt Sperrventile, Überdruckquelle, Unterdruckquelle, angesteuert werden.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann dem Zulauf-Leitungssystem eine Überdruckquelle, das heißt eine Druckpumpe, zugeordnet sein. Dem Ablauf-Leitungssystem kann ein Druckbegrenzungsventil zugeordnet sein. In diesem Fall kann bei einem Druckaufbau während eines Füllvorgangs (aufgrund der Überdruckquelle) ab Erreichen eines Druck-Schwellwerts das Druckbegrenzungsventil öffnen, wodurch die Alt-Elektrolytflüssigkeit über das Ablauf-Leitungssystem abgelassen werden kann. Das Druckbegrenzungsventil kann im Falle eines thermischen Events in Doppelfunktion auch als ein Druckentlastungsventil wirken, das öffnet, um eine Druckentlastung zu erzielen.
Bevorzugt ist es, wenn der Entleervorgang unter Schwerkraftwirkung durchgeführt wird. Hierzu kann in der Konstruktionslage der jeweiligen Batteriezelle der Einlass-Anschluss geodätisch oben angeordnet sein, während der Auslass-Anschluss der Batteriezelle geodätisch unten angeordnet ist.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann im Zulauf-Leitungssystem die Überdruckquelle weggelassen sein und lediglich ein Reservoir für Neu-Elektrolytflüssigkeit angeordnet sein. Demgegenüber kann im Ablauf-Leitungssystem eine Unterdruckquelle sowie ein Reservoir für Alt-Elektrolytflüssigkeit angeordnet sein. In diesem Fall wird im Betrieb der Saugpumpe die Alt-Elektrolytflüssigkeit aus den Batteriezellen gesaugt und gleichzeitig Neu-Elektrolytflüssigkeit in die Batteriezellen eingesaugt.
Die Komponenten des Elektrolyt-Kreislaufes, das heißt Unterdruck- und/oder Überdruckquelle sowie Sperrventile, Altelektrolyt-Reservoir und Neuelektrolyt-Reservoir können unmittelbar Bestandteile des Hochvolt-Batteriesystems sein, das zum Beispiel im Fahrzeug verbaut ist. Beispielhaft kann bei einem Fahrzeug-Kundendienst das Altelektrolyt-Reservoir von extern entleert werden und gleichzeitig das Neuelektrolyt-Reservoir befüllt werden.
Alternativ dazu können die Komponenten des Elektrolyt-Kreislaufes, nämlich insbesondere Überdruckquelle, Unterdruckquelle sowie Altelektrolyt-Reservoir und Neuelektrolyt-Reservoir externe Komponenten sein, die sich außerhalb der Systemgrenze des Batteriesystems befinden, das heißt nicht Bestandteile des Hochvolt-Batteriesystems sind. In diesem Fall kann das Hochvolt-Batteriesystem Anschlussstellen aufweisen, an denen zum Beispiel im Fahrzeug-Kundendienst die obigen externen Komponenten lösbar angeschlossen werden können.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 bis 7 jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Hochvolt-Batteriesystems mit Elektrolyt-Kreislauf; und
8 bis 12 jeweils Detailansichten zur strömungstechnischen Verschaltung von Batteriezellen.

In der 1 ist ein Hochvolt-Batteriesystem insoweit angedeutet, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Das Hochvolt-Batteriesystem 1 weist in der 1 beispielhaft insgesamt zwölf Batteriemodule 3 auf. Das Hochvolt-Batteriesystem 1 ist in ein elektrisch betriebenes Fahrzeug verbaubar. In der 1 sind beispielhaft die Batteriemodule 3 in der Fahrzeuglängsrichtung x paarweise hintereinander angeordnet. Jedes Batteriemodul 3 weist beispielhaft insgesamt sechs Batteriezellen 5 auf, die in der Fahrzeugquerrichtung y hintereinander gestapelt sind.
In der 1 sind die Batteriezellen 5 beispielhaft prismatische Zellen mit einem bauteilsteifen, quaderförmigen Zellgehäuse, in dem sich Batterieaktivmaterial, bestehend aus Kathode, Anode und Separator, mit Elektrolytflüssigkeit befindet. Das Hochvolt-Batteriesystem 1 weist in der 1 zusätzlich einen Elektrolyt-Kreislauf E auf, in dem sämtliche Batteriezellen 5 strömungstechnisch eingebunden sind. In der 1 sind die im Hochvolt-Batteriesystem 1 verbauten Batteriezellen 5 beispielhaft in Reihenschaltung im Elektrolyt-Kreislauf E geschaltet. Der Elektrolyt-Kreislauf E weist zudem eine Strömungspumpe 7 auf, die über ein fahrzeuginternes Steuergerät 9, etwa das Batteriemanagementsystem, ansteuerbar ist. Im Betrieb der Strömungspumpe 7 erfolgt ein Umwälzvorgang, bei dem die Elektrolyt-Flüssigkeit im Elektrolyt-Kreislauf E umgewälzt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Elektrolyt-Strömung zwischen den Batteriezellen 5. Aufgrund der Elektrolyt-Strömung findet ein Elektrolyt-Austausch zwischen den Batteriezellen 5 statt. Dies reduziert Abbauprozesse in der, in den jeweiligen Batteriezellen 5 befindlichen Elektrolytflüssigkeit.
In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls sämtliche Batteriezellen 5 in Reihe hintereinander in den Elektrolyt-Kreislauf E geschaltet. Im Unterschied zur 1 weist in der 2 der Elektrolyt-Kreislauf E ein Zulauf-Leitungssystem 11 und ein Ablauf-Leitungssystem 13 auf. Das Zulauf-Leitungssystem 11 ist aus einer Druckpumpe 15 sowie einem Reservoir 17 für Neu-Elektrolytflüssigkeit aufgebaut. Das Ablauf-Leitungssystem 13 ist aus einer Saugpumpe 19 und einem Reservoir 21 für Alt-Elektrolytflüssigkeit aufgebaut. In einem Entleervorgang wird mittels der Saugpumpe 19 Alt-Elektrolytflüssigkeit aus den Batteriezellen 5 in das Reservoir 21 für Alt-Elektrolytflüssigkeit gepumpt. Zeitversetzt oder gleichzeitig dazu kann ein Füllvorgang erfolgen, bei dem die Druckpumpe 15 Neu-Elektrolytflüssigkeit in die Batteriezellen 5 pumpt.
In der 2 sind beispielhaft sowohl das Zulauf-Leitungssystem 11 als auch das Ablauf-Leitungssystem 13 nicht integrale Bestandteile des Hochvolt-Batteriesystems 1, sondern vielmehr außerhalb dessen Systemgrenzen positioniert. Die beiden Systeme 11, 13 sind an Anschlussstellen 23, 25 mit dem Elektrolyt-Kreislauf E des Hochvolt-Batteriesystems 1 lösbar gekoppelt. Im Gegensatz zur 1 werden die beiden Pumpen 15, 19 mittels eines fahrzeugexternen Steuergeräts 9 angesteuert, und zwar zum Beispiel bei einem Fahrzeug-Kundendienstfall in einer Fahrzeug-Werkstatt.
In der 3 ist ein Hochvolt-Batteriesystem 1 gezeigt, dessen grundsätzlicher Aufbau dem der 2 gleicht. Im Unterschied zur 2 weist in der 3 das Ablauf-Leitungssystem 13 keine Saugpumpe 19 auf, sondern vielmehr ein Druckbegrenzungsventil 29.
Bei einem Füllvorgang ist die Druckpumpe 15 des Zulauf-Leitungssystems 11 aktiviert, wodurch ein Druckaufbau im Elektrolyt-Kreislauf E erfolgt. Ab Erreichen eines Druck-Schwellwerts öffnet das Druckbegrenzungsventil 29, so dass Alt-Elektrolytflüssigkeit in das Reservoir 21 für Alt-Elektrolytflüssigkeit abströmt. In der 3 sind beispielhaft sowohl das Zulauf-Leitungssystem 11 als auch das Ablauf-Leitungssystem 13 nicht integrale Bestandteile des Hochvolt-Batteriesystems 1, sondern vielmehr außerhalb dessen Systemgrenzen positioniert. Die beiden Systeme 11, 13 sind an Anschlussstellen 23, 25 mit dem Elektrolyt-Kreislauf E des Hochvolt-Batteriesystems 1 lösbar gekoppelt. Die beiden Pumpen 15, 19 können - wie auch in der 2 - mittels eines fahrzeugexternen Steuergeräts 9 angesteuert werden. Davon ungeachtet kann in sämtlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung das Steuergerät 9 in geeigneter Weise entweder als ein fahrzeuginternes Steuergerät oder als ein fahrzeugexternes Steuergerät realisiert sein.
Das in der 4 gezeigte Ausführungsbeispiel gleicht vom grundsätzlichen Aufbau her der 2. Im Gegensatz zur 2 ist in der 4 im Zulauf-Leitungssystem 11 die Druckpumpe 15 weggelassen. Bei einem Entleervorgang ist die Saugpumpe 19 des Ablauf-Leitungssystem 13 aktiviert, so dass Alt-Elektrolytflüssigkeit in das Reservoir 21 gesaugt wird. Gleichzeitig wird vom Reservoir 17 Neu-Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyt-Kreislauf E eingesaugt.
In dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind nicht mehr sämtliche Batteriezellen 5 in Reihe im Elektrolyt-Kreislauf E geschaltet, sondern sind die Batteriezellen 5 vielmehr in Parallelschaltung angeordnet, wie es in der 6 angedeutet ist. In der 6 weist jede der Batteriezellen 5 oberseitig einen Einlass-Anschluss 31 sowie bodenseitig einen Auslass-Anschluss 33 auf. Dem Einlass-Anschluss 31 ist jeweils ein Sperrventil 35 zugeordnet, während dem Auslass-Anschluss 33 jeweils ein Sperrventil 37 zugeordnet ist. Die Sperrventile 35, 37 sind über das Steuergerät 9 ansteuerbar, das heißt je nach Füll-/Entleerbedarf öffen- oder schließbar.
In der 6 weist das Zulauf-Leitungssystem 11 eine Hauptleitung 39 auf, die vom Neu-Elektrolyt-Reservoir 17 bis zu einer Verzweigungsstelle 41 führt. In der Hauptleitung 39 ist die Druckpumpe 15 angeordnet. Die Hauptleitung 39 zweigt an der Verzweigungsstelle 41 in insgesamt beispielhaft sechs Teilleitungen 43 auf. Diese sind jeweils mit den Einlass-Anschlüssen 31 der Batteriezellen 5 verbunden. In jeder der Teilleitungen 43 ist das Sperrventil 35 positioniert. In gleicher Weise weist auch das Ablauf-Leitungssystem 13 eine Hauptleitung 45 auf, in der die Saugpumpe 19 angeordnet ist. Die Hauptleitung 45 zweigt an einer Verzweigungsstelle 46 in insgesamt beispielhaft sechs Teilleitungen 47 auf, die jeweils mit den Auslass-Anschlüssen 33 der Batteriezellen 5 verbunden sind. In jeder der Teilleitungen 47 ist das Sperrventil 37 angeordnet.
In der 7 ist ein Hochvolt-Batteriesystem 1 mit einem Elektrolyt-Kreislauf E gezeigt, der eine in der Fahrzeuglängsrichtung x verlaufende, sowie in der Fahrzeugquerrichtung y mittig angeordnete Hauptleitung 49 aufweist. Diese erstreckt sich in der 7 zwischen einer Einlass-Anschlussstelle 23 und einer Auslass-Anschlussstelle 25, die bei einem Elektrolyt-Austausch mit einem externen Zulauf- und/oder Ablauf-Leitungssystem 11, 13 koppelbar sind. Von der Hauptleitung 49 zweigen in der Fahrzeugquerrichtung y jeweils Teilleitungen 51 ab, die strömungstechnisch mit den Batteriezellen 5 verbunden sind. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf diesem speziellen Verlauf der Haupt- und Teilleitungen 49, 51 beschränkt ist. Vielmehr sind von der Erfindung beliebig andere geeignete Verläufe der Haupt- und Teilleitungen 49, 51 umfasst. Beispielhaft können die Raumrichtungen x und y im Vergleich zur 7 miteinander vertauscht werden.
In der 8 ist in einer Detailansicht eine Batteriezelle 5 mit einem Flüssigkeits-Anschluss 53 angedeutet. Über den Flüssigkeits-Anschluss 53 kann ein Flüssigkeitszulauf beziehungsweise ein Flüssigkeitsablauf erfolgen. Demgegenüber erfolgt in der 9 der Flüssigkeitszulauf beziehungsweise der Flüssigkeitsablauf nicht mehr über einen gemeinsamen Flüssigkeits-Anschluss 53, sondern über voneinander separate Zu- und Ablaufanschlüsse 31, 33. Die Zu- und Ablaufanschlüsse 31, 33 sind in der 9 auf der Zell-Oberseite positioniert. Alternativ dazu ist in der 10 der Zulaufanschluss 31 an der Zell-Oberseite positioniert, während der Ablaufanschluss 33 an der Zell-Unterseite positioniert ist.
In der 11 sind in einer Explosionsdarstellung insgesamt beispielhaft vier in Stapelrichtung hintereinander positionierte Batteriezellen 5 gezeigt. Die Batteriezellen 5 weisen jeweils an ihrer Oberseite Steckanschlüsse 55 auf, über die die Batteriezellen 5 strömungstechnisch miteinander verbindbar sind. In gleicher Weise sind die Batteriezellen 5 bodenseitig mit Steckanschlüssen 55 versehen, über die die Batteriezellen 5 bodenseitig strömungstechnisch miteinander verbindbar sind.
In der 12 ist eine weitere Ausführungsvariante in Explosionsdarstellung gezeigt, die im Wesentlichen der 11 entspricht. Im Unterschied zur 11 weisen die Batteriezellen 5 jeweils nur an ihren Oberseiten Steckanschlüsse 55 auf, nicht jedoch an ihren Bodenseiten.
Bezugszeichenliste

1: Hochvolt-Batteriesystem
3: Batteriemodule
5: Batteriezellen
7: Strömungspumpe
9: Batteriemanagementsystem
11: Zulauf-Leitungssystem
13: Ablauf-Leitungssystem
15: Druckpumpe
17: Reservoir für Neu-Elektrolytflüssigkeit
19: Saugpumpe
21: Reservoir für Alt-Elektrolytflüssigkeit
23, 25: Anschlussstellen
27: Steuergerät
29: Druckbegrenzungsventil
31: Einlass-Anschluss
33: Auslass-Anschluss
35, 37: Sperrventile
39: Hauptleitung
41: Verzweigungsstelle
43: Teilleitungen
45: Hauptleitung
47: Teilleitungen
49: Hauptleitung
51: Teilleitungen
53: Flüssigkeits-Anschluss
55: Steckanschlüsse
E: Elektrolyt-Kreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2020/0189401 A1 [0005]
US 2018/0342753 A1 [0005]
US 2018/0102577 A1 [0005]

Claims

Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen (5), in deren Zellgehäusen sich jeweils Aktivmaterial mit Elektrolytflüssigkeit befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvolt-Batteriesystem (1) einen Elektrolyt-Kreislauf (E) aufweist, in dem die Batteriezellen (5) strömungstechnisch eingebunden sind, so dass mittels einer Unterdruckquelle und/oder einer Überdruckquelle (7; 15, 19) eine Elektrolyt-Strömung zwischen Batteriezellen (5) ermöglicht ist, und zwar insbesondere für einen Umwälzvorgang, in dem Elektrolyt-Flüssigkeit im Elektrolyt-Kreislauf (E) umwälzbar ist, oder für einen Entleervorgang, in dem Alt-Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrolyt-Kreislauf (E) entfernbar ist, oder für einen Füllvorgang, in dem Neu-Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyt-Kreislauf (E) einspeisbar ist.
Hochvolt-Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyt-Kreislauf (E) ein Reservoir (17) für Neu-Elektrolytflüssigkeit zugeordnet ist und/oder ein Reservoir (21) für Alt-Elektrolytflüssigkeit zugordnet ist.
Hochvolt-Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (5) in Parallelschaltung und/oder in Reihenschaltung im Elektrolyt-Kreislauf (E) angeordnet sind.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batteriezelle (5) zumindest einen Flüssigkeits-Anschluss (53) zur Anbindung an den Elektrolyt-Kreislauf (E) aufweist, insbesondere einen Einlass-Anschluss (31) und einen Auslass-Anschluss (33).
Hochvolt-Batteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt-Kreislauf (E) aufgeteilt ist in ein Zulauf-Leitungssystem (11) und ein Ablauf-Leitungssystem (13), und dass über das Zulauf-Leitungssystem (11) Neu-Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyt-Kreislauf (E) einspeisbar ist sowie über das Ablauf-Leitungssystem (13) Alt-Elektrolytflüssigkeit aus dem Elektrolyt-Kreislauf (E) abführbar ist, und/oder dass insbesondere die Einlass-Anschlüsse (31) der Batteriezellen (5) am Zulauf-Leitungssystem (11) angeschlossen sind und/oder die Auslass-Anschlüsse (33) der Batteriezellen (5) am Ablauf-Leitungssystem (13) angeschlossen sind.
Hochvolt-Batteriesystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlass-Anschluss (31) und/oder dem Auslass-Anschluss (33) der jeweiligen Batteriezelle (5) ein von einem Steuergerät (9) ansteuerbares Sperrventil (35, 37) zugeordnet ist, das je nach Füll-/Entleerbedarf offen- oder schließbar ist.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zulauf-Leitungssystem (11) eine Überdruckquelle (15) zugeordnet ist und dem Ablauf-Leitungssystem (13) ein Druckbegrenzungsventil (29) zugeordnet ist, und dass das Druckbegrenzungsventil (29), insbesondere bei einem Druckaufbau während eines Füllvorgangs, ab Erreichen eines Druck-Schwellwerts öffnet, wodurch Alt-Elektrolytflüssigkeit in das Altelektrolyt-Reservoir (21) abführbar ist, und/oder dass insbesondere das Druckbegrenzungsventil (29) im Falle eines thermischen Events als ein Druckentlastungsventil wirkt, das zur Druckentlastung öffnet.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Konstruktionslage der jeweiligen Batteriezelle (5) der Einlass-Anschluss (31) geodätisch oben angeordnet ist und der Auslass-Anschluss (33) geodätisch unten angeordnet ist.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruck- und/oder Unterdruckquelle (7; 15, 19) und/oder das Alt-Elektrolyt-Reservoir (21) und das Neu-Elektrolyt-Reservoir (17) Bestandteile des zum Beispiel in einem Fahrzeug verbauten Hochvolt-Batteriesystems (1) sind, und dass insbesondere das Altelektrolyt-Reservoir (21) und/oder das Neuelektrolyt-Reservoir (17) in einem Kundendienstfall von extern entleerbar oder befüllbar ist.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruck- und/oder Unterdruckquelle (7; 5, 19) sowie das Alt-Elektrolyt-Reservoir (21) und das Neu-Elektrolyt-Reservoir (17) externe Komponenten, das heißt nicht Bestandteile des Hochvolt-Batteriesystems (1) sind, und dass insbesondere der Elektrolyt-Kreislauf (E) Anschlussstellen (23, 25) aufweist, an denen im Kundendienstfall die externen Komponenten lösbar ankoppelbar sind.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyt-Kreislauf (E) zumindest ein Sensor zugeordnet ist, der einen aktuellen Batteriezellen-Parameter erfasst, und dass insbesondere das Steuergerät (9) auf der Grundlage des aktuellen Batteriezellen-Parameters einen Umwälzvorgang, einen Entleervorgang und/oder einen Füllvorgang durchführt.
Hochvolt-Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Füllvorgang in den Elektrolyt-Kreislauf (E) eingespeiste Neu-Elektrolytflüssigkeit eine spezielle Zusammensetzung aufweist, und dass insbesondere die Zusammensetzung der Neu-Elektrolytflüssigkeit unterschiedlich zur Ausgangs-Zusammensetzung der Alt-Elektrolytflüssigkeit ist..