DE102021204659A1 - High-voltage battery system - Google Patents
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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.The invention relates to a high-voltage battery system with a plurality of lithium-ion battery cells (5) electrically connected to one another, each cell housing containing active material with an electrolyte liquid. According to the invention, the high-voltage battery system (1) has an electrolyte circuit (E) in which the battery cells (5) are fluidically integrated, so that an electrolyte flow is created by means of a negative pressure source and/or a positive pressure source (7; 15, 19). between battery cells (5) is enabled.
Description
Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a high-voltage battery system with a plurality of lithium-ion battery cells electrically connected to one another according to the preamble of
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.The cell housings of the battery cells of a generic high-voltage battery system each contain active material, consisting of stacked layers of a cathode, an anode and a separator, and an electrolyte liquid. The electrolyte liquid ensures the ion transport between the electrodes of the active material.
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.A conventional battery cell is filled with electrolyte liquid during the manufacturing process. Since the battery cell is a closed system, the electrolyte liquid remains in the cell housing throughout the battery cell's service life. The battery cell is subject to the following degradation processes during the charging/discharging process. Electrolyte components thus decompose during the period of operation. This increases the viscosity of the electrolyte liquid while at the same time reducing the electrolyte liquid that is still free-flowing (dry out), which is associated with performance losses in the lithium-ion battery cell. Although the active material remains functional due to this drying-out effect, the battery cell capacity is reduced rapidly. In addition, gassing occurs during battery cell operation due to the decomposition of the electrolyte. Furthermore, the electrolyte liquid is subject to an aging process, specifically due to the decomposition of electrolyte components over the battery cell service life. This reduces the shelf life and available life of the battery.
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.In the prior art, the electrolyte breakdown process is inhibited by the following measures: The composition of the electrolyte liquid can be adjusted accordingly in order to reduce the electrolyte breakdown process. In addition, the electrode surface can be subjected to a special surface treatment. Furthermore, the operating conditions can be adjusted, for example a reduced cut-off voltage can be used. In addition, an excess of electrolyte liquid can be added to the battery cell during the filling process. The same applies to the outgassing process and the aging process.
Aus der
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.All of the measures known from the prior art for inhibiting the degradation process of the electrolyte liquid are accompanied by a production-related complex and costly adjustment of the electrolyte composition and a reduction in the energy density in the battery cell.
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.The object of the invention is to provide a high-voltage battery system with a plurality of lithium-ion battery cells in which the service life of the cells can be increased and performance losses reduced in a simple manner compared to the prior art.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of
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.The invention is based on a high-voltage battery system with a plurality of lithium-ion battery cells that are electrically connected to one another. The cell housings contain active material with electrolyte liquid. In order to increase the service life and reduce the loss of performance of the battery cells, the high-voltage battery system has an electrolyte circuit in which the battery cells are fluidically integrated. In this way, an electrolyte flow can be provided between the battery cells by means of a negative pressure source and/or a positive pressure source. As a result, depending on the activation of the electrolyte circuit by means of a control device (for example battery management system), a circulation process, an emptying process and/or a filling process can be implemented. During the circulation process, the electrolyte liquid is circulated in the electrolyte circuit, which increases the service life of the cells and reduces performance losses. In this case, for example, the concentration of electrolyte breakdown products in a battery cell in which there is potentially an excess of breakdown products can be diluted with even fresher electrolyte from other battery cells in which there is a comparatively lower electrolyte concentration.
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.Alternatively and/or additionally, used electrolyte liquid is drained from the electrolyte circuit in the emptying process. Simultaneously or with a time delay, new electrolyte liquid is fed into the electrolyte circuit during the filling process.
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.There may be a degradation process in the electrolyte liquid in the cell housing come. Such a degradation process leads to dehydration in the long term. Such dehydration can be prevented by adding and/or exchanging electrolytes.
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.A core of the invention is therefore that the electrolyte liquid is conveyed through the cell system in an electrolyte circuit by means of at least one pump. From time to time, new electrolyte may be added to the system from a tank/reservoir containing make-up electrolyte. This helps to counteract the "drying out" of the cells. The tank can be topped up with fresh top-up electrolyte from outside the battery application. A second tank can store old electrolyte.
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.The pump is powered by the tank and can automatically pump electrolyte through the system when needed (determined by battery management system). By using tanks, the time between (tank) refills (from the outside) can be increased. It may even be possible to avoid refilling from the outside if the tanks are large enough.
Gealterter Elektrolyt kann durch frischen Elektrolyt ersetzt werden. Der Frischelektrolyt kann eine spezielle Zusammensetzung aufweisen, aber auch eine konventionelle Zusammensetzung aufweisen.Aged electrolyte can be replaced with fresh electrolyte. The fresh electrolyte can have a special composition, but can also have a conventional composition.
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.Unlike the initial (complex) electrolyte, which favors the formation of electrolyte/electrode interfaces/interphases and therefore must contain a certain amount and number of additives, the replenisher electrolyte can serve different purposes thereof.
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.The refill electrolyte can also be used to reactivate aged cells, for example by having a lower viscosity. Therefore, the make-up electrolyte can have a different composition than the starting electrolyte. Optionally, the top-up electrolyte may contain only a small amount of additives (compared to the initial electrolyte) and have a lower viscosity.
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.The top-up electrolyte can help extend the cell's cycle life by (partially) replacing the initial electrolyte (which contains certain film-forming additives). The replenisher electrolyte may therefore contain HF reducing additives. The replenisher electrolyte can also help extend the cell's cycle life by replacing degraded electrolyte and thereby rewetting the (partially) dried cell. With this in mind, the refill electrolyte can be a component that can be sold as “after sales”.
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.The electrolyte can be exchanged in several ways: The initial electrolyte can either be partially replaced by diluting it with refill electrolyte, by rinsing and refilling, or by suction and refilling. In addition, a vent valve can be connected to the system to vent (produced) gas.
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.The tank must be filled airtight, i.e. without air contact with the electrolyte. This process can be performed by a customer and/or a service representative at an electrolyte filling station or workshop.
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.The pump can be placed anywhere in the system. When placed behind the tank, it can top up the system with the top-up electrolyte provided by the tank. A vacuum can be applied to drain the system of electrolyte. Gas can also be removed by applying a vacuum when replacing the electrolyte.
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.The above extraction option has the following additional advantages: If the cells are to be stored, i.e. before second-life use, the electrolyte can be extracted from the cells by applying a vacuum. The aging process is inhibited in cells without electrolyte.
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 a further embodiment variant, the system consists of two independent pipe systems, namely one for new electrolyte to be filled in and one for old/aged electrolyte that is to be removed. With both pipe systems, the connection to the cell can contain a valve. By means of the valves, the electrolyte can only be replaced in selected cells (e.g. those with poor performance). The systems can be connected to a tank and/or waste electrolyte container for use during battery operation - alternatively the electrolyte circuit can be connected to them only during maintenance in a workshop.
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.In an alternative embodiment, the system can be connected in the (geodesically) upper part to a tank containing fresh electrolyte and in the (geodesically) lower part to a tank that serves as a sink for the old electrolyte. With such a configuration, gravity can aid in the electrolyte exchange of the electrolyte in the cells. With both pipe systems, the connection to the cell can contain a valve. The valves would allow the electrolyte to be replaced only in selected cells (e.g. those with poor performance).
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.Airtight electrolyte filling can be achieved, for example, by inlet and outlet ports that can be evacuated and purged with an inert gas, or by gas-tight electrolyte injection.
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.Different tank systems can be associated with the electrolyte circuit: For example, the tank system can have a reservoir for fresh electrolyte, which is connected to the pipe system and placed anywhere outside the battery system, but within the application that uses the energy storage system (for example a vehicle). Alternatively, the tank system may include a fresh electrolyte reservoir that is connected to the piping system but placed anywhere within the battery system and within the application.
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.The invention is particularly suitable for a cell-to-pack or cell-to-car approach. Preferably the cells have a volume of 300 cm 3 up to 2000 cm 3 . This reduces the number of cells and thus also the number of tubes required. The size of the battery system can be between 40 kWh and 150 kWh, for example. The amount of electrolyte in the electrolyte circuit can be between 20 kg and 180 kg, for example.
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.The entrance and exit (or inlet and outlet) of the cell may be on opposite sides of the cell, respectively. Preferably, the inlet is on the top of the cell and the outlet is on the bottom of the cell (top and bottom represent spatial orientation in the vehicle). With this design, gravity supports the exchange of the electrolyte, so that no pressure or only a low pressure has to be applied for the exchange of the electrolyte. The inlet and outlet can have valves that ensure that the cells can be fluidly connected for a draining process and for a filling process at the same time or independently of time.
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.The flow cross section at the inlet can be smaller than the flow cross section at the outlet. The inputs and outputs are characterized in that they can ensure the flow of electrolyte into or out of the cell, preferably unidirectionally. In addition, the entrance can be designed in such a way that the inflowing electrolyte has quick access to the electrode/separator combination.
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.The tube system of the electrolyte circuit can consist mainly of metal, preferably stainless steel or aluminum. Connecting tubes can connect the rows of cells. Furthermore, the entire system can be connected to one another via connecting pipes.
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.All cells can be identical (reduces the number of parts). The cells can have a capacity between 50 Ah and 250 Ah. The cells are implemented as Li-ion cells, which can also contain metallic lithium as an anode.
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.The battery system of the vehicle can also have a suitable sensor system that detects aging of the electrolyte. This can be done by sensors within the cell (e.g. pH sensors, reference electrodes) or sensors within the battery management system (measurement of the remaining cell capacities (State of Health (SoH) or the internal resistance). If the sensors detect aging of the electrolyte, an outflow system of the electrolyte circuit, the old electrolyte can be removed (by means of negative pressure or gravity).With the inflow system, new electrolyte can be added at the same time or at different times, for example by means of overpressure, which is created by a pump on the way from the tank to the cells is built.
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.Adding the new electrolyte and removing the aged electrolyte is done through an inlet and an outlet. These can, for example, be connected to suitable filling and suction systems in a workshop or the like. The inlet or outlet can be connected to the filling/extraction system using gas-tight coupling systems.
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. Aspects of the invention are described again in detail below: In a technical implementation, a reservoir for new electrolyte liquid and a reservoir for old electrolyte liquid can be assigned to the electrolyte circuit. The battery cells can be integrated, for example, in a parallel connection and/or in a series connection in the electrolyte circuit. Each battery cell can have at least one liquid connection with which the battery cell can be connected to the electrolyte circuit.
Bevorzugt kann jede der Batteriezellen einen Einlass-Anschluss und einen Auslass-Anschluss aufweisen.Each of the battery cells can preferably have an inlet connection and an outlet connection.
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 a preferred embodiment variant, the electrolyte circuit can be divided into an inflow line system and an outflow line system. The inlet connections of the battery cells can be connected to the inlet piping system, while the outlet connections of the battery cells are connected to the outlet piping system could be. A check valve that can be actuated by an electronic control unit can be assigned to the inlet connection and/or the outlet connection of the respective battery cell. The control device can use sensors and/or an algorithm to determine a filling/emptying requirement. Depending on the filling/emptying requirements, the components involved in the electrolyte circuit, i.e. check valves, overpressure source, vacuum source, can be controlled.
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.In a specific embodiment variant, an overpressure source, ie a pressure pump, can be assigned to the inflow line system. A pressure relief valve can be assigned to the drain line system. In this case, if pressure builds up during a filling process (due to the overpressure source), the pressure relief valve can open once a pressure threshold value has been reached, as a result of which the used electrolyte liquid can be drained via the drain line system. The pressure relief valve can also double as a pressure relief valve in the event of a thermal event, opening to provide pressure relief.
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.It is preferred if the emptying process is carried out under the action of gravity. For this purpose, in the design position of the respective battery cell, the inlet connection can be arranged geodetically at the top, while the outlet connection of the battery cell is arranged geodetically at the bottom.
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.In an alternative embodiment variant, the overpressure source can be omitted in the inflow line system and only a reservoir for new electrolyte liquid can be arranged. In contrast, a negative pressure source and a reservoir for used electrolyte liquid can be arranged in the drain line system. In this case, when the suction pump is operating, the old electrolyte liquid is sucked out of the battery cells and at the same time new electrolyte liquid is sucked into the battery cells.
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.The components of the electrolyte circuit, i.e. negative pressure and/or positive pressure source and shut-off valves, used electrolyte reservoir and new electrolyte reservoir can be directly components of the high-voltage battery system that is installed in the vehicle, for example. For example, the used electrolyte reservoir can be emptied externally at a vehicle customer service and the new electrolyte reservoir can be filled at the same time.
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.Alternatively, the components of the electrolyte circuit, namely in particular the overpressure source, underpressure source and used electrolyte reservoir and new electrolyte reservoir can be external components that are outside the system limits of the battery system, i.e. are not part of the high-voltage battery system. In this case, the high-voltage battery system can have connection points to which the above external components can be detachably connected, for example in vehicle customer service.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 bis7 jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Hochvolt-Batteriesystems mit Elektrolyt-Kreislauf; und -
8 bis12 jeweils Detailansichten zur strömungstechnischen Verschaltung von Batteriezellen.
-
1 until7 in each case different exemplary embodiments of a high-voltage battery system with an electrolyte circuit; and -
8th until12 detailed views of the fluidic interconnection of battery cells.
In der
In der
In dem in der
In der
In der
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
Das in der
In dem in der
In der
In der
In der
In der
In der
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Hochvolt-BatteriesystemHigh-voltage battery system
- 33
- Batteriemodulebattery modules
- 55
- Batteriezellenbattery cells
- 77
- Strömungspumpeflow pump
- 99
- Batteriemanagementsystembattery management system
- 1111
- Zulauf-Leitungssysteminlet pipe system
- 1313
- Ablauf-Leitungssystemdrain pipe system
- 1515
- Druckpumpepressure pump
- 1717
- Reservoir für Neu-ElektrolytflüssigkeitReservoir for new electrolyte liquid
- 1919
- Saugpumpesuction pump
- 2121
- Reservoir für Alt-ElektrolytflüssigkeitReservoir for used electrolyte fluid
- 23, 2523, 25
- Anschlussstellenconnection points
- 2727
- Steuergerätcontrol unit
- 2929
- Druckbegrenzungsventilpressure relief valve
- 3131
- Einlass-Anschlussinlet connection
- 3333
- Auslass-Anschlussoutlet connection
- 35, 3735, 37
- Sperrventilecheck valves
- 3939
- Hauptleitungmain line
- 4141
- Verzweigungsstellebranch point
- 4343
- Teilleitungenpartial lines
- 4545
- Hauptleitungmain line
- 4747
- Teilleitungenpartial lines
- 4949
- Hauptleitungmain line
- 5151
- Teilleitungenpartial lines
- 5353
- Flüssigkeits-Anschlussliquid connection
- 5555
- Steckanschlüsseplug connectors
- EE
- Elektrolyt-Kreislaufelectrolyte circuit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2020/0189401 A1 [0005]US 2020/0189401 A1 [0005]
- US 2018/0342753 A1 [0005]US 2018/0342753 A1 [0005]
- US 2018/0102577 A1 [0005]US 2018/0102577 A1 [0005]
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