DE102021205748A1 - Battery system and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (100), weist auf: Ein Batteriemodul (10), das wiederum eine Anzahl von Batteriezellen (12) und ein diese kastenartig umschließendes Modulgehäuse (16) umfasst, ein Systemgehäuse (2), das das Batteriemodul (10), insbesondere zum mechanischen Schutz umgibt, eine Kühlplatte (30), die unterseitig zu dem Batteriemodul (10) angeordnet ist und zur Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen (12) dient, und einen Latentwärmespeicher (40). Dieser ist dazu eingerichtet, Wärme aus den Batteriezellen (12) aufzunehmen und zwischen zu speichern, und ist an zwischen der Unterseite und der Oberseite des Batteriemoduls (10) verlaufenden Seitenflächen angeordnet. Außerdem weist der Latentwärmespeicher (40) ein Phasenwechselmaterial (46) auf, das mit einem Füllmaterial (48, 68) mit gegenüber dem Phasenwechselmaterial (46) erhöhter Wärmeleitfähigkeit versehen ist.A battery system (1) according to the invention, in particular for a motor vehicle (100), has: a battery module (10), which in turn comprises a number of battery cells (12) and a module housing (16) enclosing them in a box-like manner, a system housing (2), which surrounds the battery module (10), in particular for mechanical protection, a cooling plate (30) which is arranged on the underside of the battery module (10) and is used to dissipate heat from the battery cells (12), and a latent heat storage device (40). This is set up to absorb heat from the battery cells (12) and to temporarily store it, and is arranged on side surfaces running between the bottom and the top of the battery module (10). In addition, the latent heat accumulator (40) has a phase change material (46) which is provided with a filling material (48, 68) with increased thermal conductivity compared to the phase change material (46).
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das insbesondere für einen Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.The invention relates to a battery system which is intended in particular for a motor vehicle. The invention also relates to a motor vehicle with such a battery system.
Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen aber auch von Gebäuden und dergleichen kommen vermehrt Energiespeicher konkret in Form von wieder aufladbaren Batterien zum Einsatz. Insbesondere bei (landgestützten) Kraftfahrzeugen dienen diese zur Energiebereitstellung für elektromotorische Antriebe, beispielsweise Fahrmotoren. Im Betrieb dieser Batterien erwärmen sich - insbesondere aufgrund von elektrischer Verlustleistung - die üblicherweise im Rahmen dieser Batterien eingesetzten (Sekundär-) Zellen. Einerseits ist es zwar vorteilhaft, dass die Zellen auf einen bestimmten Betriebs-Temperaturwert temperiert sind, allerdings dürfen die Zellen auch nicht zu warm werden, da diese dadurch signifikant in deren Lebensdauer eingeschränkt oder sogar zerstört werden können. Außerdem kann es im Fall einer Überhitzung innerhalb einer Batterie mit einer Vielzahl von Zellen zu einem sogenannten „thermal runaway“ kommen, wenn eine Zelle stark überhitzt und dabei die Wärme auf eine benachbarte überträgt und diese dann ebenfalls überhitzt.In the course of the progressive electrification of motor vehicles, but also of buildings and the like, energy stores are increasingly being used specifically in the form of rechargeable batteries. In the case of (land-based) motor vehicles in particular, these are used to provide energy for electric motor drives, for example traction motors. When these batteries are in operation, the (secondary) cells usually used in these batteries heat up, in particular due to electrical power loss. On the one hand, although it is advantageous for the cells to be tempered to a specific operating temperature value, the cells must not become too warm, since this can significantly reduce their service life or even destroy them. In addition, if a battery with a large number of cells overheats, so-called "thermal runaway" can occur if one cell overheats severely and transfers the heat to an adjacent one, which then also overheats.
Zur Steuerung der Energieabgabe, unter anderem in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb der Batterie, weisen solche Batterien häufig auch eine sogenanntes Batteriemanagementsystem auf, das einen Controller umfasst, in dem diese Steuerung- und Kontrollfunktion implementiert ist. Insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen weisen solche Batterien auch Kühlsysteme auf, um die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um ihren Betriebs-Temperaturwert zu halten.In order to control the energy output, among other things as a function of the temperature inside the battery, such batteries often also have what is known as a battery management system, which includes a controller in which this control and monitoring function is implemented. In particular for use in motor vehicles, such batteries also have cooling systems in order to keep the cells within a predetermined range of their operating temperature value.
Als Zellen kommen grundsätzlich sogenannte prismatische (d. h. kasten- oder schachtelartig ausgebildete) Zellen, zylindrische Zellen (meist in Form eines kreiszylindrischen Stabs) oder sogenannte Pouch-Zellen zum Einsatz. Bei Letzteren sind die Elektroden und Elektrolyte flach- und schichtartig übereinander gestapelt angeordnet und in einer innerhalb gewisser Grenzen flexiblen, meist etwa rechteckförmigen, Tasche (der sogenannten „Pouch“) fluiddicht verschlossen. Aufgrund der flächigen, d. h. insbesondere verhältnismäßig dünnen Ausbildung dieser Pouch-Zellen weisen diese gute Oberflächen-Volumen-Verhältnisse für die Kühlung auf. Allerdings lassen sich diese Pouch-Zellen aufgrund ihrer Struktur auch besonders gut stapeln, sodass eine Wärmeabfuhr aus jeder einzelnen Zelle in Normalen-Richtung zu ihrer flächigen Erstreckung wiederum verhindert oder zumindest verringert wird.In principle, so-called prismatic (i.e. box-like) cells, cylindrical cells (usually in the form of a circular-cylindrical rod) or so-called pouch cells are used as cells. In the case of the latter, the electrodes and electrolytes are stacked flat and in layers one on top of the other and sealed in a fluid-tight manner in a pocket (the so-called “pouch”) that is flexible within certain limits and is usually approximately rectangular. Due to the flat, d. H. particularly the relatively thin design of these pouch cells, they have good surface-to-volume ratios for cooling. However, due to their structure, these pouch cells can also be stacked particularly well, so that heat dissipation from each individual cell in the direction normal to their areal extension is in turn prevented or at least reduced.
Batterien (insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik auch als Traktionsbatterie bezeichnet), bei denen Pouch-Zellen zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise ein („inneres“) Batteriemodul auf, innerhalb dessen eine oder mehrere Stapel der Pouch-Zellen angeordnet, kontaktiert und fluiddicht verschlossen sind. Dieses Batteriemodul ist üblicherweise mit einer Kühlplatte gekoppelt, die parallel zur Stapel-Richtung der Pouch-Zellen und somit entlang einer Schmalseite einer jeden Pouch-Zelle verlaufend angeordnet ist. Meist ist diese Kühlplatte unterseitig zu dem Batteriemodul angeordnet und auf der gegenüberliegenden Oberseite das Batteriemanagementsystemen sowie Kontaktstellen zur galvanischen Kontaktierung des Batteriemoduls mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs. Meist sind diese Kontaktstellen als sogenannte Stromschienen (auch: „Stromsammelschienen“ oder „Busbars“) ausgebildet.Batteries (especially in the field of automotive technology also referred to as traction batteries), in which pouch cells are used, usually have an (“inner”) battery module, within which one or more stacks of pouch cells are arranged, contacted and sealed in a fluid-tight manner . This battery module is usually coupled to a cooling plate, which is arranged to run parallel to the stacking direction of the pouch cells and thus along a narrow side of each pouch cell. This cooling plate is usually arranged on the underside of the battery module and on the opposite upper side the battery management systems and contact points for galvanic contacting of the battery module with an on-board network of the motor vehicle. These contact points are usually designed as so-called busbars (also: "busbars" or "busbars").
Nachteilig an einer solchen Kühlplatte ist, dass einerseits eine Wärmeabfuhr nur zur Unterseite des Batteriemoduls erfolgt und dabei auch nur eine begrenzte Wärmemenge abgeführt werden kann. Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer Batterie weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the cooling of a battery.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.This object is achieved according to the invention by a battery system having the features of
Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist vorzugsweise zum Einsatz in einem, insbesondere landgestützten, Kraftfahrzeug eingerichtet und vorgesehen. Alternativ kann das Batteriesystem aber auch zum Einsatz in einem Gebäude eingerichtet und vorgesehen sein.The battery system according to the invention is preferably set up and provided for use in a motor vehicle, in particular a land-based motor vehicle. Alternatively, the battery system can also be set up and provided for use in a building.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist ein Batteriemodul auf, das wiederum eine Anzahl von Batteriezellen und ein diese kastenartig umschließendes Modulgehäuse umfasst. Des Weiteren weist das Batteriesystem ein Systemgehäuse auf, welches das Batteriemodul, insbesondere zu dessen mechanischen Schutz, umgibt. Außerdem weist das Batteriesystem eine Kühlplatte auf, die unterseitig zu dem Batteriemodul angeordnet ist und zur Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen dient. Ferner weist das Batteriesystem einen Latentwärmespeicher auf, der dazu eingerichtet ist, Wärme aus den Batteriezellen aufzunehmen und zwischen zu speichern, und der an zwischen der Unterseite und der Oberseite des Batteriemoduls verlaufenden Seitenflächen angeordnet ist. Dieser Latentwärmespeicher weist ein Phasenwechselmaterial auf, das mit einem Füllmaterial versehen ist. Dieses Füllmaterial weist dabei gegenüber dem Phasenwechselmaterial eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf.The battery system according to the invention has a battery module, which in turn comprises a number of battery cells and a module housing enclosing them in a box-like manner. Furthermore, the battery system has a system housing which surrounds the battery module, in particular for its mechanical protection. In addition, the battery system has a cooling plate, which is arranged on the underside of the battery module and is used to dissipate heat from the battery cells. Furthermore, the battery system has a latent heat accumulator, which is set up to absorb heat from the battery cells and store it temporarily, and which is arranged on side surfaces running between the bottom and the top of the battery module. This latent heat storage device has a phase change material that is provided with a filling material. This filling material has an increased thermal conductivity compared to the phase change material.
„Füllmaterial“ wird hier und im Folgenden insbesondere im kunststofftechnischen Sinn verstanden, insbesondere dahingehend, dass dieses Füllmaterial in einem Grundwerkstoff - hier das Phasenwechselmaterial - verteilt ist und somit das für das durch den Grundwerkstoff gebildete Bauelement vorgesehene Volumen zumindest teilweise füllt."Filling material" is understood here and in the following in particular in the plastics technology sense, in particular to the effect that this filling material is distributed in a base material - here the phase change material - and thus at least partially fills the volume provided for the component formed by the base material.
Aufgrund des (erhöht) wärmeleitfähigen Füllmaterials kann vorteilhafterweise die in den Latentwärmespeicher einwirkende Wärme besser in das Phasenwechselmaterial eingebracht werden. Insbesondere kann diese Wärme über das von dem Phasenwechselmaterial eingenommene Volumen verteilt und somit von Letzterem aufgenommen werden. Dies ist vor allem dahingehend vorteilhaft, dass Phasenwechselmaterial regelmäßig eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und somit sogar zumindest innerhalb gewisser Grenzen eine wärmeisolierende Wirkung aufweist. Außerdem kann durch den Einsatz des Füllmaterials auch eine Wärmeabfuhr durch das Phasenwechselmaterial hindurch erfolgen.Due to the (increased) thermally conductive filling material, the heat acting in the latent heat store can advantageously be better introduced into the phase change material. In particular, this heat can be distributed over the volume occupied by the phase change material and thus absorbed by the latter. This is particularly advantageous in that phase change material regularly has a comparatively low thermal conductivity and thus even has a heat-insulating effect, at least within certain limits. In addition, by using the filling material, heat can also be dissipated through the phase change material.
Vorzugsweise kommen als Batteriezellen sogenannte Pouchzellen zum Einsatz. Insbesondere sind diese mit deren Flächenerstreckung parallel zu den Seitenwänden ausgerichtet, vorzugsweise zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen gestapelt. Dadurch ist der Latentwärmespeicher an einer thermisch günstigen Stelle angeordnet, um Wärme aus den Batteriezellen abführen zu können.So-called pouch cells are preferably used as battery cells. In particular, these are aligned with their surface extension parallel to the side walls, preferably stacked between two opposite side surfaces. As a result, the latent heat storage device is located at a thermally favorable location in order to be able to dissipate heat from the battery cells.
Vorzugsweise ist das Systemgehäuse aus fließgepressten Profilen oder Platten, insbesondere aus Aluminium, gebildet und weist eine Wandstärke von etwa 0,5 bis 20 Millimeter, vorzugsweise aber im Bereich von 1 bis 6, bevorzugt von 2 bis 4 Millimeter, auf. Alternativ ist das Systemgehäuse aus hochfestem Stahlblech mit einer Wandstärke von 0,4 bis 1,5, vorzugsweise von 0,6 bis 1 Millimeter, tiefgezogen.The system housing is preferably formed from extruded profiles or plates, in particular from aluminum, and has a wall thickness of approximately 0.5 to 20 millimeters, but preferably in the range from 1 to 6, preferably from 2 to 4 millimeters. Alternatively, the system housing is deep-drawn from high-strength sheet steel with a wall thickness of 0.4 to 1.5, preferably 0.6 to 1 millimeter.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist als Füllmaterial ein partikelförmiges Material, beispielsweise ein Granulat oder ein Pulver, und/oder ein faserartiges Material eingesetzt.In an expedient embodiment, a particulate material, for example a granulate or a powder, and/or a fibrous material is used as the filling material.
Im Fall des partikelförmigen Füllmaterials kommen beispielsweise kornartige, „flake“-artige, nadelartige oder ähnliche Partikel zum Einsatz. Die Wärmeleitfähigkeit wird in diesem Fall durch die Ausbildung von „Leitpfaden“ zwischen den einzelnen Partikeln, bspw. zwischen sich berührenden Partikeln, ausgebildet.In the case of the particulate filling material, for example, grain-like, “flake”-like, needle-like or similar particles are used. In this case, the thermal conductivity is formed by the formation of “conduction paths” between the individual particles, for example between particles in contact.
Vorzugsweise ist der Füllgrad des Phasenwechselmaterial mit dem Füllmaterial derart hoch gewählt, dass eine signifikante Änderung der Wärmeleitfähigkeit für den Latentwärmespeicher festgestellt werden kann.The degree of filling of the phase change material with the filling material is preferably chosen to be so high that a significant change in the thermal conductivity for the latent heat storage device can be detected.
In einer zweckmäßigen Ausführung kommt als faserartiges Material ein (insbesondere vergleichsweise flexibles) Textil oder eine in sich vergleichsweise starre Gitterstruktur zum Einsatz. Als Textil kommen beispielsweise Gewebe, Gelege („wovens“ oder „nonwovens“) oder auch ein Gewirke zum Einsatz. Das faserartige Material hat dabei den Vorteil, dass Wärmeleitpfade bereits strukturbedingt vorhanden sind sowie dass das Füllmaterial vergleichsweise unabhängig von der Konsistenz des Phasenwechselmaterials innerhalb des Latentwärmespeichers angeordnet werden kann.In an expedient embodiment, a (in particular comparatively flexible) textile or a comparatively rigid lattice structure is used as the fibrous material. For example, woven fabrics, scrims (“wovens” or “nonwovens”) or even a knitted fabric are used as textiles. The fibrous material has the advantage that heat conduction paths are already present due to the structure and that the filling material can be arranged within the latent heat storage device relatively independently of the consistency of the phase change material.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kommt als Füllmaterial ein Metall, vorzugsweise ein solches mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium, zum Einsatz.In a further expedient embodiment, a metal, preferably one with high thermal conductivity such as copper and/or aluminum, is used as the filling material.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Phasenwechselmaterial derart beschaffen, dass es im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand (insbesondere zur Kühlung der Batteriezellen) einen Phasenübergang von fest (insbesondere von kristallin oder zumindest teilkristallin) zu flüssig nutzt (oder aufweist). Anders ausgedrückt liegt das Phasenwechselmaterial während des Betriebs der Batteriezellen unterhalb eines „Kühlungs-Startwerts“ (während also der Latentwärmespeicher noch nicht zum Kühlen genutzt wird) im festen Aggregatzustand vor.In a preferred embodiment, the phase change material is such that it uses (or has) a phase transition from solid (in particular from crystalline or at least partially crystalline) to liquid when used as intended (in particular for cooling the battery cells). In other words, the phase change material is in the solid state during operation of the battery cells below a "cooling start value" (i.e. while the latent heat storage device is not yet being used for cooling).
In einer alternativen Ausführung kann das Phasenwechselmaterial aber auch den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig nutzen. Dies hat den Vorteil, dass teilweise bei der Verdampfung eine deutlich höhere Wärmeenergie aufgenommen werden kann als beim Schmelzen.In an alternative embodiment, the phase change material can also use the phase transition from liquid to gaseous. This has the advantage that, in some cases, significantly more thermal energy can be absorbed during evaporation than during melting.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegt das Phasenwechselmaterial zumindest im Ausgangszustand - d. h. vor dem ersten Aufschmelzen - granulatförmig vor. Beispielsweise ist das Phasenwechselmaterial im Auslieferungs- oder Einbauzustand pulverförmig. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Oberfläche des Phasenwechselmaterials insgesamt vergrößert und damit der Wärmeeintrag verbessert werden kann. Optional ist es im Rahmen der Erfindung dabei denkbar, dass das Phasenwechselmaterial in ein Granulat oder Mikrokapseln eingebunden ist, wodurch ein Austritt von schmelzflüssiger Material verhindert und auch nach mehrmaligem Aufschmelzen somit ein Erhalt der Granulatform ermöglicht ist. Die Nutzung (d. h. Verwendung in einem Batteriesystem im Rahmen eines Latentwärmespeichers) eines granulatförmigen Phasenwechselmaterials stellt dabei auch eine eigenständige, insbesondere vom Einsatz des wärmeleitfähigen Füllmaterials unabhängige, Erfindung dar.In a further expedient embodiment, the phase change material is present in granular form at least in the initial state—ie before the first melting. For example, the phase change material is in powder form when delivered or installed. This has the advantage that the surface area of the phase change material is enlarged overall and the heat input can thus be improved. It is optionally conceivable within the scope of the invention for the phase change material to be incorporated into granules or microcapsules, which prevents molten material from escaping and thus enables the granulate shape to be retained even after repeated melting. The use (i.e. use in a battery system as part of a latent heat storage device) of a granular phase change material also represents an independent invention, in particular independent of the use of the thermally conductive filling material.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergangstemperaturwert auf, insbesondere einen Schmelzpunkt, von etwa 56 Grad Celsius. „Etwa“ wird in diesem Zusammenhang insbesondere als Toleranz von plus/minus 5 Grad Celsius verstanden. Dieser Phasenübergangstemperaturwert hat den Vorteil, dass regelmäßig bei einem Überschreiten von 60 Grad Celsius um jeweils 10 Grad Celsius eine Halbierung der Batterielebensdauer eintreten kann.In a preferred embodiment, the phase change material has a phase transition temperature value, in particular a melting point, of approximately 56 degrees Celsius. In this context, "approximately" is understood in particular as a tolerance of plus/minus 5 degrees Celsius. This phase transition temperature value has the advantage that the battery life can be halved every time 60 degrees Celsius is exceeded by 10 degrees Celsius.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Phasenwechselmaterial durch eine Mischung von einzelnen (Phasenwechsel-) Materialien mit unterschiedlichem Schmelzpunkt (d. h. insbesondere unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur) gebildet. Dadurch kann der durch den Phasenübergang ermöglichte Kühleffekt über einen vergleichsweise breiten Temperaturbereich (vorzugsweise von etwa 32 bis 58 Grad Celsius) ausgedehnt werden. Insbesondere beim Einsatz granulatförmiger Materialien kann so eine zumindest grobkörnige Struktur erhalten bleiben, indem ein Teil des Phasenwechselmaterials mit einem vergleichsweise hohen Phasenübergangstemperaturwert eingesetzt wird, der im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batterie nicht überschritten wird und somit dieses Material nicht schmilzt. Beispielsweise werden dazu einzelne Materialien mit Schmelzpunkten von 32, 48, 56 und 58 Grad Celsius eingesetzt. Insbesondere für den Fall, dass das übrige Phasenwechselmaterial auch im geschmolzenen Zustand eine vergleichsweise hohe Viskosität aufweist, kann so verhindert werden, dass geschmolzenes Material zusammenfließt und somit eine Entmischung der unterschiedlichen Materialien erfolgt. Bspw. dient zumindest das bei 58 Grad Celsius phasenwechselnde Material als eine Art „Notkühlung“, um einen „thermal runaway“ zu verhindern, sollte aber im bestimmungsgemäßen Betrieb seine Phase gar nicht wechseln.In a particularly preferred embodiment, the phase change material is formed by a mixture of individual (phase change) materials with different melting points (i.e. in particular different phase transition temperatures). As a result, the cooling effect made possible by the phase transition can be extended over a comparatively wide temperature range (preferably from around 32 to 58 degrees Celsius). In particular when using granular materials, an at least coarse-grained structure can be retained by using part of the phase change material with a comparatively high phase transition temperature value, which is not exceeded during normal battery operation and thus this material does not melt. For example, individual materials with melting points of 32, 48, 56 and 58 degrees Celsius are used. Particularly in the event that the rest of the phase change material also has a comparatively high viscosity in the molten state, it is possible in this way to prevent molten material from flowing together and thus segregating the different materials. For example, at least the material that changes phase at 58 degrees Celsius serves as a kind of "emergency cooling" to prevent "thermal runaway", but should not change its phase at all during normal operation.
Durch eine vergleichbare Einstellung der Mischung der einzelnen Phasenwechselmaterialien kann auch eine Entmischung von partikelförmigem Füllstoff verhindert oder verringert werden, da nicht geschmolzenen Bereiche der Phasenwechselmaterial-Mischung ein Absinken der Füllstoff-Partikel im geschmolzenen Material verhindern oder verringern.Comparable adjustment of the mixture of the individual phase change materials can also prevent or reduce segregation of particulate filler, since non-melted areas of the phase change material mixture prevent or reduce sinking of the filler particles in the molten material.
In einer zweckmäßigen Ausführung weist der Latentwärmespeicher sandwichartige Platten auf, die aus miteinander verbundenen Profilen, vorzugsweise Aluminiumprofilen, gebildet sind. Diese Aluminiumprofile umschließen einen Innenraum, in denen das Phasenwechselmaterial eingebracht ist. Insbesondere bilden diese Aluminiumprofile rechteckförmige Platten mit zumindest an einer Kante, vorzugsweise an zwei Kanten, L-förmig abgewinkeltem Rand, sodass zwei gegengleich einander gesetzte Aluminiumprofile durch diesen abgewinkelten Rand einerseits voneinander beabstandet sind und andererseits zwischen sich den Innenraum einschließen. Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial dabei in einem Folienbeutel, der vorzugsweise aus Aluminiumfolie gebildet ist, fluiddicht verschlossen und zwischen die Aluminiumprofile eingebracht. In einer optionalen Variante sind die Aluminiumprofile miteinander verschweißt oder anderweitig verbunden.In an expedient embodiment, the latent heat accumulator has sandwich-like plates which are formed from profiles connected to one another, preferably aluminum profiles. These aluminum profiles enclose an interior in which the phase change material is introduced. In particular, these aluminum profiles form rectangular plates with an L-shaped angled edge at least on one edge, preferably on two edges, so that two aluminum profiles placed opposite one another are spaced apart by this angled edge on the one hand and enclose the interior space between them on the other. The phase change material is preferably sealed in a fluid-tight manner in a foil bag, which is preferably formed from aluminum foil, and placed between the aluminum profiles. In an optional variant, the aluminum profiles are welded to one another or connected in some other way.
Vorzugsweise weisen die Aluminium-Profile auch beidseitig eine Oberflächen-Strukturierung auf, sind dazu bspw. gewellt ausgebildet. Dies vergrößert einerseits die Wärmeeintragsfläche und andererseits bietet es insbesondere ein Volumen, in das das Phasenwechselmaterial bei einer meist beim Phasenübergang während der Erwärmung (also einem Schmelzen oder Verdampfen) erfolgenden Volumenzunahme „ausweichen“ kann.Preferably, the aluminum profiles also have a surface structure on both sides, for example they are corrugated. On the one hand, this increases the heat input surface and, on the other hand, it offers a volume into which the phase change material can "evade" in the event of an increase in volume, which usually occurs during the phase transition during heating (i.e. melting or evaporation).
Die so gebildeten sandwichartigen Platten sind optional an den Seitenflächen des Batteriemoduls befestigt, beispielsweise verschraubt oder stoffschlüssig angebunden. Insbesondere sind diese sandwichartigen Platten dabei flächig, sowie optional unter Nutzung einer wärmeleitfähigen Zwischenschicht, beispielsweise Wärmeleitpaste oder dergleichen, an die Seitenflächen des Modulgehäuses angelegt. Alternativ bilden die sandwichartigen Platten selbst die Seitenwände des Modulgehäuses. In diesem Fall ist der Latentwärmespeicher an den Seitenflächen des Batteriemoduls angeordnet und dabei konkret in das Modulgehäuse integriert.The sandwich-like plates formed in this way are optionally fastened to the side faces of the battery module, for example screwed or bonded. In particular, these sandwich-like plates are laid flat on the side surfaces of the module housing and optionally using a thermally conductive intermediate layer, for example thermally conductive paste or the like. Alternatively, the sandwich panels themselves form the side walls of the module housing. In this case, the latent heat store is arranged on the side surfaces of the battery module and is specifically integrated into the module housing.
In einer alternativen Variante ist der Latentwärmespeicher dadurch gebildet, dass das Phasenwechselmaterial gemeinsam mit dem (wärmeleitfähigen) Füllmaterial in einen Zwischenraum zwischen den Seitenflächen des Modulgehäuses und dem Systemgehäuse eingebracht ist. Vorzugsweise ist diese Zwischenraum dabei derart dicht verschlossen, dass ein Kontakt des Phasenwechselmaterials (insbesondere dessen flüssiger Phase) mit galvanischen Kontaktelementen - insbesondere den sogenannten Stromsammelschienen - das Batteriemoduls verhindert ist. Beispielsweise ist dazu im Bereich der Oberseite des Systemgehäuses und/oder des Batteriemoduls eine Dichtung angeordnet, die einen Austritt des Phasenwechselmaterials aus dem Zwischenraum in die Umgebung und/oder in einen Bereich innerhalb des Systemgehäuses, in dem die vorgenannten galvanischen Kontaktelemente angeordnet sind, verhindert. In dieser Ausführung ist somit das Batteriemodul zumindest mit seinen Seitenflächen in das Phasenwechselmaterial und somit in den Latentwärmespeicher eingebettet. Dies trägt vorteilhafterweise zu einer besonders guten thermischen Anbindung bei.In an alternative variant, the latent heat store is formed in that the phase change material together with the (thermally conductive) filling material in a gap between the side surfaces of the module housing and the System housing is introduced. This intermediate space is preferably tightly sealed in such a way that contact of the phase change material (in particular its liquid phase) with galvanic contact elements—in particular the so-called busbars—of the battery module is prevented. For example, a seal is arranged in the area of the upper side of the system housing and/or the battery module, which prevents the phase change material from escaping from the intermediate space into the environment and/or into an area within the system housing in which the aforementioned galvanic contact elements are arranged. In this embodiment, the battery module is thus embedded at least with its side surfaces in the phase change material and thus in the latent heat store. This advantageously contributes to a particularly good thermal connection.
In einer weiteren alternativen Ausführung weist der Latentwärmespeicher Folientaschen auf, die durch eine topf- oder kastenartig geformte, insbesondere tiefgezogene, Metallfolie gebildet sind. Diese Metallfolie ist dabei unter Einschluss des Phasenwechselmaterials sowie des Füllmaterial mit einer Decklage abgedeckt und insbesondere fluiddicht verschlossen. Diese Folientaschen sind vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen sandwichartigen Platten an den Seitenflächen des Batteriemoduls, konkret an den Seitenwänden des Modulgehäuses, befestigt. Optional sind die Folientaschen auf eine - insbesondere aus Aluminium gebildete - Trägerplatte aufgebracht und mittels dieser an den Seitenflächen befestigt (beispielsweise verschraubt oder verschweißt).In a further alternative embodiment, the latent heat accumulator has foil pockets which are formed by a metal foil which is shaped like a pot or box, in particular deep-drawn. This metal foil is covered with a cover layer, enclosing the phase change material and the filling material, and in particular sealed in a fluid-tight manner. These film pockets are attached to the side surfaces of the battery module, specifically to the side walls of the module housing, in a manner comparable to the sandwich-like plates described above. Optionally, the film pockets are attached to a carrier plate--particularly made of aluminum--and attached to the side surfaces by means of this plate (for example screwed or welded).
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Metallfolie der vorstehend beschriebenen Folientaschen zumindest auf eine zum Systemgehäuse weisenden Fläche mit einer Schutzschicht aus einem Kunststoff und einem Hartstoff versehen. Diese Schutzschicht dient insbesondere als Durchstech-Schutz, insbesondere sowohl gegen Einwirkung von außen als auch gegen ein Durchstechen beispielsweise von spitzen Füllstoff-Partikeln von innen her. Als Kunststoff kommt hierbei beispielsweise ein Polyurethan und als Hartstoff Aluminiumoxid (auch als „Korund“ bezeichnet) zum Einsatz. Das Polyurethan dient insbesondere zur Verstärkung der Aluminiumfolie gegen mechanische Einwirkung, das Aluminiumoxid als Abrasionsschutz. Das Polyurethan wird dazu optional mittels einer (vorzugsweise wässrigen, alternativ ölbasierten) Lösung aufgebracht, in die das Aluminiumoxid bspw. in Form von Partikeln eines Durchmessers von vorzugsweise etwa 12-15 µm dispergiert wird. Diese Mischung wird bspw. als „Spray-Coating“ aufgebracht und anschließend vernetzt.In a preferred development, the metal foil of the foil pockets described above is provided with a protective layer made of a plastic and a hard material, at least on a surface facing the system housing. This protective layer serves in particular as protection against punctures, in particular both against external influences and against punctures, for example by sharp filler particles, from the inside. For example, polyurethane is used as the plastic and aluminum oxide (also referred to as “corundum”) as the hard material. The polyurethane serves in particular to reinforce the aluminum foil against mechanical impact, the aluminum oxide as protection against abrasion. For this purpose, the polyurethane is optionally applied by means of a (preferably aqueous, alternatively oil-based) solution in which the aluminum oxide is dispersed, for example in the form of particles with a diameter of preferably about 12-15 μm. This mixture is applied, for example, as a "spray coating" and then crosslinked.
Das erfindungsgemäße, vorzugsweise landgestützte, Kraftfahrzeug weist das vorstehend beschriebene Batteriesystem auf und somit auch die gleichen Vorteile.The motor vehicle according to the invention, which is preferably land-based, has the battery system described above and therefore also has the same advantages.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.Here and in the following, the conjunction “and/or” is to be understood in particular in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einer schematischen Draufsicht ein Batteriesystem, -
2 in einer schematischen Detailansicht von einer Seite das Batteriesystem, -
3 in einer Teilschnittansicht III-III gemäß 2 das Batteriesystem, -
4 inAnsicht gemäß 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Batteriesystems, -
5 in einer Teilschnittansicht III-III gemäß4 das dortige Batteriesystem, -
6 inAnsicht gemäß 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriesystems, -
7 in einer schematischen Seitenansichtdas Batteriesystems gemäß 6 , und -
8 in einer Seitenansicht schematisch ein Kraftfahrzeug.
-
1 a schematic plan view of a battery system, -
2 the battery system in a schematic detailed view from one side, -
3 in a partial sectional view according to III-III 2 the battery system, -
4 in view according to2 an alternative embodiment of the battery system, -
5 in a partial sectional view according to III-III4 the battery system there, -
6 in view according to1 another embodiment of the battery system, -
7 in a schematic side view the battery system according to FIG6 , and -
8th in a side view schematically a motor vehicle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are always provided with the same reference symbols in all figures.
In
Jedes Batteriemodul 10 weist eine Vielzahl von Batteriezellen, konkret Sekundärzellen, d. h. wieder aufladbare Zellen, auf. Diese Batteriezellen sind als Pouchzellen 12 ausgebildet. Die Pouchzellen 12 sind abwechselnd mit Druckausgleichslagen 14 (auch: „compression pad“) in einem Modulgehäuse 16 gestapelt oder angeordnet. Jede Pouchzelle 12 weist einen positiven Stromkollektor 18 und einen negativen Stromkollektor 20 auf die mittels einer korrespondierenden Stromschiene 22 mit einem entsprechenden Anschluss 24 verbunden sind. In jedem Batteriemodul 10 sind dabei zwei Stapel der Pouchzellen 12 übereinander angeordnet (s.
Auf einer oberen (Deck-) Platte 26 des Modulgehäuses 16 ist ein Schaltkreis, insbesondere eine Platine mit einem solchen angeordnet, die ein Batteriemanagementsystem (kurz: „BMS 28“) bildet. Zur Kühlung ist gegenüberliegend, d. h. unterhalb der beiden Stapel der Pouchzellen 12, eine Kühlplatte 30 angeordnet. Konkret ist diese Kühlplatte 30 unterhalb einer Bodenplatte 32 des Modulgehäuses 16 angeordnet. Das Batteriemodul 10 ist dabei wiederum an das Systemgehäuse 2 angebunden, insbesondere indem eine Zwischenlage 34 aus thermisch leitfähigem Material zwischengefügt ist. Insbesondere handelt es sich bei letzterem um eine Wärmeleitpaste.On an upper (cover)
Um nun die Wärmeabfuhr aus den Pouchzellen 12 zu verbessern, weist das Batteriesystem 1 einen Latentwärmespeicher 40 auf. Dieser ist im Ausführungsbeispiel gemäß
Der Latentwärmespeicher 40 weist eine vergleichsweise dünnwandige Hülle - hier als „Beutel 44“ bezeichnet - auf, in dem ein Phasenwechselmaterial 46 angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial 46 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Mischung verschiedener, wachsbasierter Materialien gebildet, die jeweils einen unterschiedlichen Schmelzpunkt (die sogenannte Phasenübergangstemperatur) aufweisen. Dadurch ergibt sich mithin ein vergleichsweise breiter Temperaturbereich, hier von 32 bis 58 Grad Celsius, in dem mehrere Phasenübergänge erfolgen. In dem Phasenübergangsmaterial 46 ist ein wärmeleitfähiges Füllmaterial, hier Kupferpartikel 48 verteilt. Dieses ermöglicht einen verbesserten Wärmeeintrag und eine verbesserte Wärmeverteilung über das gesamte Volumen des Phasenwechselmaterials 46 hinweg.The
Der Beutel 44 ist zwischen zwei Aluminium-L-Profil-Platten - kurz: „Wandplatten 50“ - eingebracht, die gegengleich aneinander gesetzt sind. Die beiden Wandplatten 50 haben eine Wandstärke von hier bspw. 1,5 Millimeter. Die Wandplatten 50 haben eine gewellte Oberfläche. Dadurch ergibt sich eine vergrößerte Wärmeaufnahme-/Wärmeabgabefläche. Außerdem hat der Beutel 44 dadurch die Möglichkeit, sich beim Schmelzen des Phasenwechselmaterials 46 zu dehnen und in „Täler“ der jeweiligen Wandplatte 50 „auszuweichen“. Optional sind auf den Außenseiten der Wandplatten 50 nur Erhebungen und auf den Innenseiten, also dem Beutel 44 zugewandt nur Täler ausgebildet. Die Wandplatten 50 sind außerdem mittels Schweißnähten 52 miteinander verbunden. Auf der Innenseite des Latentwärmespeichers 40 liegt dieser, also konkret die innere der Wandplatten 50, an der „ersten“ Druckausgleichslage 14 an.The
Die beiden Wandplatten 50 weisen außerdem Schraublöcher 54 auf, die zur Verbindung mit der Platte 26 und der Bodenplatte 32 dienen. Dies Gesamtstärke der durch den Latentwärmespeicher 40 gebildeten Seitenwand 42 beträgt etwa 5 bis 10 Millimeter.The two
In
Die Unterspeicher 56 weisen eine zu einem Topf oder Kasten 58 tiefgezogene Aluminiumfolie 60 auf. Dieser Kasten 58 ist mit dem Phasenwechselmaterial 46 und dem Füllmaterial, also den Kupferpartikeln 48 gefüllt. Anschließend ist der Kasten 58 mittels einer Deckfolie 62 verschlossen, bspw. verklebt. Optional dient diese Verklebung nur zur Befestigung der Deckfolie 62 für einen Transport. Im Innenraum des Kastens 58 ist dabei ein Luftspalt 64 belassen, um beim Phasenübergang eine volumetrische Ausdehnung des Phasenwechselmaterials 46 zu ermöglichen.The lower reservoirs 56 have an aluminum foil 60 deep-drawn to form a pot or box 58 . This box 58 is filled with the
Der verschlossene Kasten 58 ist anschließend an der Seitenwand 42 befestigt, bspw. mittels Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen oder dergleichen. Im Fall der „nur“ verklebten Deckfolie 62 kann diese während dieses Schweißschritts auch an den Kasten 58 und die Seitenwand angebunden werden.The closed box 58 is then attached to the
Um die Widerstandsfähigkeit der den Kasten 58 bildenden Aluminiumfolie 60 zu verbessern - da diese nicht wie im Ausführungsbeispiel gemäß
In
Um einen Austritt von schmelzflüssigem Phasenwechselmaterial 46 aus dem Systemgehäuse 2 und auch einen Kontakt mit stromführenden Elementen, die an der Oberseite des Batteriemoduls 10 angeordnet sind, sind die Seitenwände 70 des Systemgehäuses 2 hier mittels Schweißnähten 72 mit der Bodenplatte 32 des Batteriemoduls 10 mediendicht verbunden. Oberseitig ist eine Dichtung 74 angeordnet, konkret ein ringförmig umlaufender Dichtrahmen, mittels dessen die Platte 26 (im dargestellten Ausführungsbeispiel, optional auch ein Deckel des Systemgehäuses 2) fluiddicht abgedichtete angebunden ist. Konkret ist die Platte 26 an die Seitenwände 70 geschraubt.To prevent molten
In
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The subject matter of the invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, further embodiments of the invention can be derived by the person skilled in the art from the above description. In particular, the individual features of the invention and their design variants described with reference to the various exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriesystembattery system
- 22
- Systemgehäusesystem case
- 44
- Innenrauminner space
- 66
- Zwischenwandpartition
- 88th
- Teilraumsubspace
- 1010
- Batteriemodulbattery module
- 1212
- Pouchzellepouch cell
- 1414
- Druckausgleichslagepressure equalization situation
- 1616
- Modulgehäusemodule housing
- 1818
- Stromkollektorcurrent collector
- 2020
- Stromkollektorcurrent collector
- 2222
- Stromschienepower rail
- 2424
- Anschlussconnection
- 2626
- Platteplate
- 2828
- Batteriemanagementsystembattery management system
- 3030
- Kühlplattecooling plate
- 3232
- Bodenplattebottom plate
- 3434
- Zwischenlageliner
- 4040
- Latentwärmespeicherlatent heat storage
- 4242
- SeitenwandSide wall
- 4444
- Beutelbag
- 4646
- Phasenwechselmaterialphase change material
- 4848
- Kupferpartikelcopper particles
- 5050
- Wandplattewall plate
- 5252
- SchweißnahtWeld
- 5454
- Schraublochscrew hole
- 5656
- Unterspeichersub storage
- 5858
- KastenCrate
- 6060
- Aluminiumfoliealuminum foil
- 6262
- Deckfoliecover sheet
- 6464
- Luftspaltair gap
- 6666
- Schutzschichtprotective layer
- 6868
- Kupfergittercopper grid
- 7070
- SeitenwandSide wall
- 7272
- SchweißnahtWeld
- 7474
- Dichtungpoetry
- 100100
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 102102
- Elektromotorelectric motor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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-
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- 2021-06-08 DE DE102021205748.9A patent/DE102021205748B4/en active Active
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